一种双轴拉伸强度试验十字型试件及其制作方法与流程

本发明涉及一种用于测试织物膜材双轴拉伸强度的试件及其制作方法，尤其涉及一种双轴拉伸强度试验十字型试件及其制作方法，该试件可用于建筑膜材、飞艇蒙皮等织物膜材的双轴强度测试，属于材料力学实验技术、建筑结构材料试验技术领域。

背景技术：

织物膜材常由织物基布和涂层组成，或者织物基布与多功能层复合。织物基布由高分子纤维经纺纱编织而成，涂层是在基布表面涂覆功能层。织物膜材作为一种轻质高强的复合材料，广泛应用于建筑、航空航天等领域，基本受力为二维复杂受力状态。针对织物膜二维受力状态在正常使用阶段的力学性能研究已经广泛采用双轴拉伸试验方法，但针对织物膜材强度及失效目前仍仅采用单轴拉伸试验及设计方法。由于织物膜材的织物结构具有正交异性、非线性特征，单轴拉伸强度不能准确表征其二维复杂应力强度，目前缺少织物膜双轴拉伸强度试验的有效方法。

对于织物膜材的双轴试验已经有了广泛的研究。双轴拉伸试验机与双轴拉伸测试方法都有了很大发展。但是目前的研究还是集中于双轴弹性力学性能研究，并没有双轴拉伸强度的试验方法出现。例如：

陈务军著的“膜结构工程设计”(中国建筑工业出版社，2005.3.)介绍膜材参数、撕裂试验方法、双轴拉伸测试方法。

李阳著的“建筑膜材料和膜结构的力学性能研究与应用”(同济大学博士学位论文，2007.8)研究了双轴拉伸试验机，定制了加载谱和试验方法。

陈务军、王利钢、高成军著的“p/g类建筑织物膜材双轴剪切试验及力学特性分析”(建筑材料学报，2016，03:539-543)研究了织物膜材的双轴剪切试验方法及膜材的剪切力学性能。

双轴拉伸强度试验目前多应用于金属材料测试，并已取得了重要进展和成果。

任家陶、李冈陵、豆志武著的“双向拉伸试验的进展与钛板双向拉伸的强化研究”(实验力学，2001，02:196-206.)进行了金属材料的双轴拉伸试验，及钛板的双向拉伸力学性能进行了研究。

鲁帅著的“双轴拉伸原位力学测试装置的设计分析与试验研究”(吉林大学硕士学位论文，2015)研究了双轴拉伸力学试验装置，并对多种金属材料的双向应力下的力学性能开展试验。

目前用于正常使用阶段力学行为研究的织物膜材双轴拉伸十字型试件，在应力水平较高时，由于切缝、倒角等应力集中和边缘效应，试件在双轴拉伸应力水平远低于单轴拉伸强度时出现破坏，其应力值不能表征织物膜双轴拉伸强度，其破坏形态不能揭示双轴拉伸真实力学行为机理。由于金属具有优异机械加工属性，用于金属双轴拉伸强度试验的试件可通过加强设计加工。目前这些技术均不能用于织物膜双轴拉伸强度试验。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种织物膜材双轴拉伸强度试验十字型试件，及制作方法，配合使用双轴拉伸试验机，可进行织物膜材双轴拉伸强度试验。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种双轴拉伸强度试验十字型试件，包括中芯区和四个伸臂，所述四个伸臂围绕所述中芯区向外延伸并组成十字形，每个所述伸臂通过过渡区与所述中芯区连接，所述伸臂的端部为夹持端，所述夹持端设置有夹持端橡胶棒，所述夹持端橡胶棒用于连接双轴拉伸试验机的夹具；所述双轴拉伸强度试验十字型试件被设置为：进行双轴拉伸强度试验时，伸臂将双轴试验机的拉力传递至过渡区，最后施加到中芯区，所述中芯区为双轴拉伸测试核心区，拉伸破坏先发生于所述中芯区。

进一步地，所述中芯区为单层，所述伸臂和所述过渡区为双层。

进一步地，所述伸臂上设置有多道切缝，所述切缝平行于所述伸臂的长度方向。

进一步地，所述双轴拉伸强度试验十字型试件的材质为织物膜材，所述伸臂的长度方向平行于所述织物膜材的经纬向。

进一步地，相邻两伸臂之间具有倒角，所述倒角所在的区域为单层。

进一步地，每个伸臂包括第一层和第二层，所述夹持端橡胶棒被包裹在所述第一层和所述第二层之间，并设置在所述伸臂的端部，所述第一层和所述第二层被焊接或粘合在一起。

本发明的第二方面提供了一种上述双轴拉伸强度试验十字型试件的制作方法，包括以下步骤：

步骤一、选取织物膜材上非缺陷、离幅边和卷端边至少10cm的区域裁切具有正交十字形的裁切片，使所述裁切片包括四个臂，所述四个臂形成所述正交十字形，并使所述裁切片的每个臂平行于织物膜材的经纬向；裁切时，使相邻两臂之间具有倒角；

步骤二、将所述裁切片的每个臂朝向所述裁切片的中心翻折叠合，得到具有第一层和第二层的所述伸臂，同时在所述第一层和所述第二层之间包裹夹持端橡胶棒，并将所述夹持端橡胶棒置于所述伸臂的端部；

步骤三、将所述第一层和所述第二层的叠合面均匀涂覆可相溶胶黏剂，然后叠合粘合，并均匀挤压，之后置于干燥环境，直至所述可相溶胶黏剂固化，使得所述伸臂的第一层和第二层完全粘合在一起；其中可焊接面或可胶合面为叠合面；

步骤四、在每个所述伸臂上制作多道切缝，并使所述切缝平行于伸臂的长度方向。切缝的两端分别距离夹持端和中芯区的边约2cm。

进一步地，所述步骤二中，所述裁切片的每个臂朝向所述裁切片的中心翻折叠合后，在所述裁切片的中心形成所述中芯区，所述中芯区用作试件的核心测试区，为单层，而在所述中芯区的四角向外延伸处为所述裁切片相邻两个臂翻折后相叠合形成的四角小方形，所述四角小方形为三层，所述中芯区的四周除所述四角小方形外的区域为所述过渡区，所述过渡区为双层，所述伸臂通过所述过渡区与所述中芯区连接。

进一步地，所述步骤二中，所述四个臂两两对称翻折。

本发明利用上述双轴拉伸强度试验十字型试件进行双轴拉伸强度试验的方法为：将双轴拉伸强度试验十字型试件在双轴拉伸试验机测试区铺展，四个伸臂的夹持端正交对称地连接试验机夹具；开启双轴拉伸试验机，调节试验机对试件预紧；设置双轴拉伸加载模式，逐渐加载进行双轴拉伸强度试验。当十字型试件的破坏先发生在中芯区时，试件破坏为有效破坏。此时，试验机测得的拉力可表征织物膜材双轴拉伸强度。

本发明的织物膜材双轴拉伸强度试验十字型试件可测定和表征织物膜材双轴拉伸强度，破坏发生于单层测试区，伸臂和过渡区加强而后破坏，可应用于建筑膜材、飞艇蒙皮和其它工业织物领域等。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的双轴拉伸强度试验十字型试件的俯视图；

图2是本发明的一个较佳实施例的双轴拉伸强度试验十字型试件的剖面图；

图3是本发明的一个较佳实施例的双轴拉伸强度试验十字型试件中伸臂夹持端橡胶棒的局部剖视图；

图4是本发明的一个较佳实施例的双轴拉伸强度试验十字型试件的裁切图。

具体实施方式

如图1～3所示，本发明的一个较佳实施例提供了一种双轴拉伸强度试验十字型试件，包括中芯区2和四个伸臂1，四个伸臂1围绕中芯区2向外延伸并组成十字形，每个伸臂1通过过渡区3与中芯区2连接，伸臂1的端部为夹持端9，夹持端9设置有夹持端橡胶棒4，夹持端橡胶棒4用于连接双轴拉伸试验机的夹具；中芯区2为单层，伸臂1和过渡区3为双层。本实施例的双轴拉伸强度试验十字型试件被设置为：进行双轴拉伸强度试验时，伸臂1将双轴试验机的拉力传递至过渡区3，最后施加到中芯区2，中芯区2为双轴拉伸测试核心区，拉伸破坏先发生与中芯区2。

双轴拉伸强度试验十字型试件的材质为织物膜材，伸臂1的长度方向平行于织物膜材的经纬向。每个伸臂1具有双层，该双层包括第一层6和第二层7，夹持端橡胶棒4被包裹在所述第一层6和所述第二层7之间(参见图2和图3)，并设置在所述伸臂1的端部，第一层6和第二层7焊接或粘合在一起。相邻两伸臂1之间具有倒角r，用于避免应力集中，倒角r所在的区域为单层。伸臂1上设置有多道切缝5，较佳地，为2～4道切缝5，该切缝5平行于伸臂1的长度方向。

如图1所示，十字型试件正交对称，包括四个伸臂1、四个夹持端橡胶棒4、中芯区2和过渡区3，伸臂1长la、宽w，试件的长ls＝2la+w。过渡区3长w、宽b。中芯区2为核心测试区，边长a，为正方形，a＝w-2a。夹持端橡胶棒4直径φ，由伸臂1膜材包裹胶合。a3为三层胶合区(相邻伸臂1交叠的区域)，a2为二层胶合区(伸臂1和过渡区3所在区域)，a1为单层区(中芯区2和倒角所在区域)。

本实施例的上述双轴拉伸强度试验十字型试件的制作方法，包括以下步骤：

步骤一、选取织物膜材上非缺陷、离幅边和卷端边至少10cm的区域裁切具有正交十字形的裁切片，使裁切片包括四个臂，臂的宽为w、长为la+2φ+la+b。四个臂形成正交十字形，并使裁切片的每个臂平行于织物膜材的经纬向；裁切时，使相邻两臂之间具有倒角r；这时，试件的总长为lt＝w+2(la+2φ+la+b)(参见图4)。

步骤二、将裁切片的每个臂朝向裁切片的中心翻折叠合，即四个臂两两对称翻折，得到具有第一层6和第二层7的伸臂1，同时在第一层6和第二层7之间包裹夹持端橡胶棒4，并将夹持端橡胶棒4置于伸臂1的端部；伸臂1长la、宽w，试件的长ls＝2la+w。

其中，裁切片的每个臂朝向所述裁切片的中心翻折叠合后，在裁切片的中心形成中芯区2，中芯区2用作试件的核心测试区，为单层，而在中芯区2的四角向外延伸处为裁切片相邻两个臂翻折后相叠合形成的四角小方形(a3)，四角小方形为三层，中芯区2的四周除四角小方形外的区域为过渡区3，过渡区3为双层，伸臂1通过过渡区3与中芯区2连接。

步骤三、将所述第一层6和所述第二层7的叠合面8均匀涂覆可相溶胶黏剂，然后叠合粘合，并均匀挤压，之后置于干燥环境，直至所述可相溶胶黏剂固化，使得所述伸臂1的第一层6和第二层7完全粘合在一起。其中可焊接面或可胶合面为叠合面8。

步骤四、在每个所述伸臂1上制作多道切缝5，并使所述切缝5平行于伸臂1的长度方向。切缝5的两端分别距离夹持端和中芯区2的边约2cm。

本实施例中，所选取的织物膜材试样材料为无明显纬斜、弓曲、砂眼等缺陷，且距离膜材幅宽边缘不小于10cm、距膜卷材端部不小于10cm。采用手工或者自动裁切机，如图4裁切膜，正交十字型双轴平行于膜材经纬向。将图4的织物膜材裁切片的四个伸臂1，对称翻折，按图2定位，在伸臂1端部包裹夹持端橡胶棒4如图3，然后涂覆胶黏剂，再叠合，均匀挤压。如图1在四个伸臂1切缝52～4道，切缝5平行于伸臂1。

在具体实施时，伸臂1宽w、长la，过渡区3宽b，中芯区2边长a，夹持端橡胶棒4直径φ，倒角半径r，切缝5数和边距d，即试件长ls可根据需要设计。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。