發(fā)布時(shí)間：2020-11-20 13:20

　　 柔性纖維織物具有輕質(zhì)、強(qiáng)韌的優(yōu)點(diǎn),在人體或裝備外層防護(hù)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(jì),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(guò)程。將織物的彈道侵徹實(shí)驗(yàn)中紗線的受力變形機(jī)制模型化為紗線拉拔過(guò)程,用來(lái)研究彈頭侵徹過(guò)程中紗線的屈曲伸長(zhǎng)、粘著-滑移、能量吸收機(jī)制以及摩擦特性等具有重要意義。由于織物細(xì)觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和多層次性,在受到彈道沖擊時(shí),織物結(jié)構(gòu)變形會(huì)導(dǎo)致經(jīng)緯紗交織點(diǎn)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(huì)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(shí)驗(yàn)表征是建立紗線載荷傳遞模型和能量吸收機(jī)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(guò)程中出現(xiàn)的紗線應(yīng)力傳遞、屈曲伸長(zhǎng)、摩擦滑移和能量吸收機(jī)制等基礎(chǔ)力學(xué)問(wèn)題作為研究?jī)?nèi)容,發(fā)展微尺度實(shí)驗(yàn)表征手段和模型化測(cè)試方法,來(lái)揭示織物的載荷傳遞機(jī)制,有助于進(jìn)一步探討防彈織物侵徹失效機(jī)理和能量吸收機(jī)制。在取得實(shí)驗(yàn)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(cè)試過(guò)程中的應(yīng)力傳遞規(guī)律,提出了單紗拉拔測(cè)試中的應(yīng)力傳遞模型,來(lái)揭示紗線的屈曲伸長(zhǎng)與摩擦剪應(yīng)力關(guān)系;同時(shí)建立了織物離面頂出測(cè)試中的應(yīng)力傳遞模型,來(lái)揭示織物的應(yīng)力傳遞機(jī)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(diǎn)法測(cè)量了Kevlar 49單紗的拉伸力學(xué)性質(zhì),實(shí)驗(yàn)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(guò)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(jī)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(cè)量方法。執(zhí)行了Kevlar49單紗拉伸的拉曼測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:單紗G'峰位的紅移或藍(lán)移(即拉曼頻移)的載荷敏感性最高。通過(guò)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(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置,在有、無(wú)橫向預(yù)緊力的情況下執(zhí)行了單紗的拉拔測(cè)試,使用拉曼光譜方法測(cè)量了紗線上的應(yīng)力分布,討論了紗線屈曲伸長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反演了紗線拉拔模型的界面參數(shù),實(shí)驗(yàn)證實(shí)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(guò)程中的載荷傳遞機(jī)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(cè)試的整個(gè)過(guò)程,在紗線屈曲段存在靜摩擦作用,在紗線屈曲伸長(zhǎng)段認(rèn)為是滑動(dòng)摩擦作用,在屈曲伸長(zhǎng)/屈曲的過(guò)渡點(diǎn)上,剪應(yīng)力達(dá)到最大靜摩擦剪應(yīng)力。(4)搭建了織物離面頂出測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置,執(zhí)行了織物周邊固支、中心離面位移加載測(cè)試,使用拉曼光譜方法測(cè)量了全場(chǎng)應(yīng)力分布,實(shí)驗(yàn)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(lái)表征織物離面頂出測(cè)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(shí)驗(yàn)證實(shí)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(cè)試中的載荷傳遞機(jī)制。本論文所研究的織物模型化實(shí)驗(yàn)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(jī)理和能量吸收機(jī)制,也為防彈織物結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供實(shí)驗(yàn)與理論支撐。本論文研究工作得到了國(guó)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(shí)驗(yàn)研究(11472070,2015-2018)”的資助。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)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(diǎn)的重復(fù)量）占織物投影面積的百分?jǐn)?shù)。??機(jī)織物（Ｗｏｖｅｎ?ｆａｂｒｉｃｓ）：通常由兩種相互獨(dú)立的經(jīng)紗和緯紗按照相互垂直的交織??規(guī)律在織布機(jī)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(jī)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(cè)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(cè)試。??圖１．２是織物單向拉伸測(cè)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(jī)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(jī)織??物；抓樣條樣主要適用于不易抽邊紗和高密度的機(jī)織物。Ｇａｂｒｉｊｅｌｄｉｅ等人［３９］研宄了緯紗??的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率對(duì)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(gè)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(shí)，織物的剪切變形行為通常認(rèn)為是一個(gè)不可忽視的因素，可采用圖１．３??中的十字形雙軸向拉伸測(cè)試裝置來(lái)評(píng)價(jià)織物的抗剪切性能。??ｔｍｎ｜??３．?．■＇．：＇?二??ｙ?．?＞??ｍｉｎｉ??圖１．３織物的雙向拉伸測(cè)試ｌ５５！??Ｆｉｇ．?１．３?Ｂｉａｘｉａｌ?ｔｅｎｓｉｌｅ?ｔｅｓｔ?ｏｆ?ｆａｂｒｉｃ??雙向拉伸測(cè)試裝置最早是由ＨａｓｓＷ自制完成的，來(lái)探討了平面織物和圓柱形織物的??雙向力學(xué)性能。后來(lái)Ｋａｗａｂａｔａ等⑷］設(shè)計(jì)了新的雙向拉伸儀器來(lái)研宄平紋機(jī)織物的雙向??變形理論。ＱｕａｇｌｉｎｉｔＭ等人對(duì)滌綸平紋機(jī)織物進(jìn)行了雙向加載下的實(shí)驗(yàn)表征，并首次在??織物中心區(qū)安裝了應(yīng)變追蹤器來(lái)記錄應(yīng)變分布情況，來(lái)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(xiàn)】

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本文編號(hào)：2891476