發(fā)布時間：2020-11-20 13:20

　　 柔性纖維織物具有輕質(zhì)、強韌的優(yōu)點,在人體或裝備外層防護領(lǐng)域有較大的應(yīng)用空間和發(fā)展?jié)摿�。軟織物結(jié)構(gòu)的防彈性能優(yōu)化設(shè)計,其本質(zhì)是研究彈頭與織物的交互作用,從力學(xué)角度看就是紗線載荷傳遞和能量吸收的過程。將織物的彈道侵徹實驗中紗線的受力變形機制模型化為紗線拉拔過程,用來研究彈頭侵徹過程中紗線的屈曲伸長、粘著-滑移、能量吸收機制以及摩擦特性等具有重要意義。由于織物細觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和多層次性,在受到彈道沖擊時,織物結(jié)構(gòu)變形會導(dǎo)致經(jīng)緯紗交織點上出現(xiàn)屈曲交換、粘著和滑移物理現(xiàn)象,紗線內(nèi)部的纖維也會發(fā)生滑移、破壞,最終造成紗線的損傷和斷裂。目前,織物結(jié)構(gòu)的微觀變形的實驗表征是建立紗線載荷傳遞模型和能量吸收機制最為困難和關(guān)鍵的階段。本文將以防彈平紋織物(Kevlar49)受沖擊過程中出現(xiàn)的紗線應(yīng)力傳遞、屈曲伸長、摩擦滑移和能量吸收機制等基礎(chǔ)力學(xué)問題作為研究內(nèi)容,發(fā)展微尺度實驗表征手段和模型化測試方法,來揭示織物的載荷傳遞機制,有助于進一步探討防彈織物侵徹失效機理和能量吸收機制。在取得實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,分析了織物在單紗拉拔和周邊固支離面頂出測試過程中的應(yīng)力傳遞規(guī)律,提出了單紗拉拔測試中的應(yīng)力傳遞模型,來揭示紗線的屈曲伸長與摩擦剪應(yīng)力關(guān)系;同時建立了織物離面頂出測試中的應(yīng)力傳遞模型,來揭示織物的應(yīng)力傳遞機制。本文的主要研究成果有:(1)使用數(shù)字圖像相關(guān)標(biāo)記點法測量了Kevlar 49單紗的拉伸力學(xué)性質(zhì),實驗結(jié)果顯示:單紗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線是從線性到非線性演化過渡,這是由于紗線的逐次失效所致;因單紗的初始屈曲程度不同,造成經(jīng)緯紗的彈性模量略有區(qū)別。單紗的平均彈性模量為51GPa,低于單纖維的平均彈性模量98.63GPa,是由于紗線失效機制、初始屈曲、制造缺陷和損傷等因素所致。(2)推導(dǎo)了單紗拉曼頻移與多纖維應(yīng)力之間的理論公式,提出了單紗等效應(yīng)力的拉曼測量方法。執(zhí)行了Kevlar49單紗拉伸的拉曼測試,實驗結(jié)果顯示:單紗G'峰位的紅移或藍移(即拉曼頻移)的載荷敏感性最高。通過擬合曲線求出了拉曼頻移-應(yīng)力因子,約為1 82.44 MPa/cm-1,給出了一套規(guī)范分析拉曼譜線的步驟。(3)搭建了單紗拉拔測試實驗裝置,在有、無橫向預(yù)緊力的情況下執(zhí)行了單紗的拉拔測試,使用拉曼光譜方法測量了紗線上的應(yīng)力分布,討論了紗線屈曲伸長段和屈曲段上的摩擦剪應(yīng)力規(guī)律,從而建立了界面摩擦剪應(yīng)力模型和軸向應(yīng)力傳遞模型。從微拉曼光譜實驗數(shù)據(jù)反演了紗線拉拔模型的界面參數(shù),實驗證實所提出的單紗拉拔模型符合紗線應(yīng)力分布,有效解釋了單紗拉拔過程中的載荷傳遞機制,拉拔載荷是從紗線拉出端沿著紗線向內(nèi)部傳遞,粘著和摩擦現(xiàn)象貫穿著紗線拉拔測試的整個過程,在紗線屈曲段存在靜摩擦作用,在紗線屈曲伸長段認為是滑動摩擦作用,在屈曲伸長/屈曲的過渡點上,剪應(yīng)力達到最大靜摩擦剪應(yīng)力。(4)搭建了織物離面頂出測試實驗裝置,執(zhí)行了織物周邊固支、中心離面位移加載測試,使用拉曼光譜方法測量了全場應(yīng)力分布,實驗結(jié)果顯示:存在高應(yīng)力十字交叉分布的主紗區(qū)和低應(yīng)力分布的輔紗區(qū),主紗是載荷傳遞的主要路徑,將載荷漸次傳遞給臨近的輔紗,輔紗是載荷傳遞次要路徑。建立了末端固支的紗線拉拔模型來表征織物離面頂出測試的應(yīng)力傳遞,界面粘著作用導(dǎo)致了界面剪應(yīng)力和紗線軸向應(yīng)力兩者之間的載荷傳遞。實驗證實所提出的模型符合紗線應(yīng)力分布,有效解釋了織物離面頂出測試中的載荷傳遞機制。本論文所研究的織物模型化實驗方法及其載荷傳遞模型,有助于理解柔性織物受沖擊失效機理和能量吸收機制,也為防彈織物結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供實驗與理論支撐。本論文研究工作得到了國家自然科學(xué)基金“防彈織物縫合結(jié)構(gòu)的界面載荷傳遞與能量吸收行為實驗研究(11472070,2015-2018)”的資助。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O657.37;TS107
【部分圖文】：

覆蓋率是指經(jīng)緯紗的覆蓋率（扣除經(jīng)緯紗交織點的重復(fù)量）占織物投影面積的百分數(shù)。??機織物（Ｗｏｖｅｎ?ｆａｂｒｉｃｓ）：通常由兩種相互獨立的經(jīng)紗和緯紗按照相互垂直的交織??規(guī)律在織布機上正交交織而成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。如圖１．１?（ａ）所示，外觀是平面型板狀，經(jīng)??煒兩向結(jié)構(gòu)重復(fù)，又稱為梭織物。??ＩＭ?ｉｐ?Ｉ—?Ｉ?Ｉ?Ｊ?Ｉ?Ｉ?１??圖１．１不同編織方式的織物，（ａ）平紋機織和（ｂ）緯編針織??Ｆｉｇ．?１．１?Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｆａｂｒｉｃｓ?ｂｙ?（ａ）?ｐｌａｉｎ?ｗｅａｖｉｎｇ?ａｎｄ?（ｂ）?ｆｉｌｌ?ｋｎｉｔｔｉｎｇ?ｍｅｔｈｏｄｓ??－１?－??

可將織物單向拉伸分為縱向和橫向拉伸，即測試織物試條的經(jīng)向拉伸、煒向??拉伸、或與經(jīng)緯向呈某一角度的拉伸測試。??圖１．２是織物單向拉伸測試的示意圖，根據(jù)織物試樣形狀的不同主要分為三種：拆??邊條樣主要用于一般機織物；剪切條樣主要適用于針織物、非織造物和不易拆邊的機織??物；抓樣條樣主要適用于不易抽邊紗和高密度的機織物。Ｇａｂｒｉｊｅｌｄｉｅ等人［３９］研宄了緯紗??的斷裂強度和斷裂伸長率對織物拉伸性能的影響，研宄結(jié)果表明在使用雙線諱紗可以提??－７－??

織物受到的作用形式是復(fù)雜多樣的，通常由各個方向的多種力共同作用。而且由于??織物內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，被看作是各向異性材料，其面內(nèi)雙向力學(xué)性能更加復(fù)雜。在分析織??物的力學(xué)響應(yīng)時，織物的剪切變形行為通常認為是一個不可忽視的因素，可采用圖１．３??中的十字形雙軸向拉伸測試裝置來評價織物的抗剪切性能。??ｔｍｎ｜??３．?．■＇．：＇?二??ｙ?．?＞??ｍｉｎｉ??圖１．３織物的雙向拉伸測試ｌ５５！??Ｆｉｇ．?１．３?Ｂｉａｘｉａｌ?ｔｅｎｓｉｌｅ?ｔｅｓｔ?ｏｆ?ｆａｂｒｉｃ??雙向拉伸測試裝置最早是由ＨａｓｓＷ自制完成的，來探討了平面織物和圓柱形織物的??雙向力學(xué)性能。后來Ｋａｗａｂａｔａ等⑷］設(shè)計了新的雙向拉伸儀器來研宄平紋機織物的雙向??變形理論。ＱｕａｇｌｉｎｉｔＭ等人對滌綸平紋機織物進行了雙向加載下的實驗表征，并首次在??織物中心區(qū)安裝了應(yīng)變追蹤器來記錄應(yīng)變分布情況，來得到織物的雙向力學(xué)性能。東華??大學(xué)洪維亞等［４３］研宄了不同緯編針織物的雙向拉伸性能，但是從雙向拉伸試樣破損得的??－８?－??
【參考文獻】

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本文編號：2891476