二維編織防汛金屬網(wǎng)網(wǎng)結(jié)結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能

饒帥輝，劉全良，戎瑞亞

（浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山 316022）

二維編織防汛金屬網(wǎng)網(wǎng)結(jié)結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能

饒帥輝，劉全良，戎瑞亞

（浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山 316022）

針對(duì)防汛金屬網(wǎng)在裝載過(guò)程中易出現(xiàn)網(wǎng)結(jié)斷裂的情況，通過(guò)對(duì)不同編織工藝參數(shù)的試樣的拉伸性能測(cè)試，分析了金屬網(wǎng)結(jié)拉伸斷裂的機(jī)理和破壞模式，為進(jìn)一步研究防汛金屬網(wǎng)的強(qiáng)度失效問(wèn)題奠定基礎(chǔ)。結(jié)果表明：網(wǎng)節(jié)的編織工藝參數(shù)對(duì)其抗拉強(qiáng)度影響較大。編織角越大，網(wǎng)節(jié)結(jié)構(gòu)緊密，網(wǎng)絲無(wú)滑移，但一定程度上減低了網(wǎng)節(jié)的抗拉強(qiáng)度；網(wǎng)節(jié)編織長(zhǎng)度小，可以充分發(fā)揮網(wǎng)絲的抗拉性能，但結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。

二維編織；防汛金屬網(wǎng)；網(wǎng)節(jié)；拉伸性能

防汛金屬網(wǎng)以其優(yōu)良的整體物化性能、地形適應(yīng)性能、優(yōu)良的透水性、緩流防沖性和耐腐蝕性且較低的制作成本受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注，已經(jīng)在防汛圍墾、水電站建設(shè)和河道整治等領(lǐng)域廣泛運(yùn)用[1]。其制作過(guò)程主要包括金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、網(wǎng)孔編織和網(wǎng)邊收口。在過(guò)去的防汛金屬網(wǎng)發(fā)展中，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但網(wǎng)孔的編織技術(shù)還有進(jìn)一步發(fā)展的潛力。網(wǎng)孔編織技術(shù)的重點(diǎn)是網(wǎng)節(jié)的編織，因此對(duì)網(wǎng)節(jié)編織的研究有助于防汛金屬網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化和自動(dòng)化。

防汛金屬網(wǎng)的編織采用的是金屬絲的二維編織技術(shù)，使用過(guò)程中常出現(xiàn)因網(wǎng)絲斷裂引發(fā)的失效。但關(guān)于金屬絲二維編織的力學(xué)研究的文獻(xiàn)比較少，文定坤等[2]提出擴(kuò)張金屬網(wǎng)力學(xué)性能試驗(yàn)方法及其成果的研究，楊朝坤[3]和孫慧玉等[4]提出編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料力學(xué)性能研究，石教建[5]對(duì)金屬網(wǎng)編織過(guò)程斷經(jīng)問(wèn)題進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[6-8]對(duì)非金屬材料的二維編織工藝與剛度和穩(wěn)定性的關(guān)系進(jìn)行了研究。本文通過(guò)對(duì)運(yùn)用二維編織技術(shù)制作的金屬網(wǎng)網(wǎng)節(jié)的拉伸試驗(yàn)，研究了編織角度和網(wǎng)節(jié)編織長(zhǎng)度對(duì)金屬網(wǎng)網(wǎng)節(jié)拉伸性能的影響，為實(shí)際防汛金屬網(wǎng)的編織提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 網(wǎng)節(jié)試樣制作

試驗(yàn)材料參照YB/T4026-1991《網(wǎng)圍欄用鍍鋅鋼絲》選用直徑為Φ1.2 mm的鍍鋅鋼絲，抗拉強(qiáng)度為685 MPa左右。

試樣是由2根鋼絲通過(guò)二維編織得到。其中一根鋼絲沿一個(gè)編織方向（順時(shí)針或逆時(shí)針）做S型運(yùn)動(dòng)，另一根鋼絲的運(yùn)動(dòng)方向則相反，以形成2根鋼絲的相互交織。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。兩根鋼絲沿著中心線成對(duì)稱纏繞，鋼絲之間存在相互擠壓但不產(chǎn)生膠著。由于鋼絲表面質(zhì)量直接影響網(wǎng)絲的抗拉強(qiáng)度，為研究結(jié)構(gòu)變化對(duì)網(wǎng)節(jié)軸向拉伸性能的影響，以便對(duì)不同結(jié)構(gòu)試樣的拉伸性能進(jìn)行比較，假設(shè)網(wǎng)節(jié)試樣鋼絲表面光潔無(wú)劃痕。根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)中常用的編織角度并參考網(wǎng)絲編織角度范圍，本實(shí)驗(yàn)選取10°、30°和50°三個(gè)常用角度作為實(shí)驗(yàn)角度并選取0°編織角為對(duì)照角度。因?yàn)榫W(wǎng)結(jié)隨著編織長(zhǎng)度的增加形態(tài)不發(fā)生變化，故選取5 cm、10 cm、15 cm三種常用做為代表長(zhǎng)度。網(wǎng)節(jié)試樣具體工藝參數(shù)見(jiàn)表1，其中，每種網(wǎng)節(jié)試樣有5組測(cè)試結(jié)果取平均值，試樣T0j0為兩根無(wú)編織的平行鋼絲，作為網(wǎng)節(jié)的對(duì)比試樣。

圖1 網(wǎng)節(jié)編織結(jié)構(gòu)Fig.1 Woven mesh structure

1.2 編織網(wǎng)節(jié)拉伸性能測(cè)試

測(cè)試編織網(wǎng)節(jié)拉伸性能的試驗(yàn)參照GB/T 228-2010《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》，在濟(jì)南新東岳儀器制造公司W(wǎng)DW-100A試驗(yàn)機(jī)上完成。試樣夾持距離為200 mm，拉伸速度為2 mm/min。兩根鋼絲在編織過(guò)程由于內(nèi)應(yīng)力的存在，彎曲變形不能達(dá)到完全對(duì)稱，因此給試樣預(yù)加一定的張緊力，使網(wǎng)節(jié)完全伸直。

表1 網(wǎng)節(jié)試樣工藝參數(shù)Tab.1 Woven mesh sample process parameters

圖2為網(wǎng)節(jié)拉伸變形圖?？梢钥闯?，從A點(diǎn)到B點(diǎn)，網(wǎng)節(jié)消除鋼絲編織中殘余的應(yīng)力變形，變形速度較快。到達(dá)B點(diǎn)時(shí)，兩根鋼絲貼合，形成一個(gè)整體，鋼絲之間形成相互作用力；B點(diǎn)到C點(diǎn)，網(wǎng)節(jié)處于整體強(qiáng)化狀態(tài)，此時(shí)抗拉強(qiáng)度增大，變形速度減小，到達(dá)C點(diǎn)時(shí)達(dá)到抗拉極限，網(wǎng)節(jié)開(kāi)始斷裂。當(dāng)網(wǎng)節(jié)結(jié)構(gòu)中的部分開(kāi)始斷裂后，其周圍的網(wǎng)絲仍然相互連接，交錯(cuò)在一起，使得裂紋難以擴(kuò)大。從一些網(wǎng)孔拉伸試驗(yàn)中可知，網(wǎng)節(jié)結(jié)構(gòu)具有很高的損傷容限，因此防汛金屬網(wǎng)設(shè)計(jì)中充分發(fā)揮了網(wǎng)節(jié)編織結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。

圖2 網(wǎng)節(jié)拉伸變形圖Fig.2 Woven mesh tensile deformation figure

2 結(jié)果分析

2.1 網(wǎng)節(jié)編織角度對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響

通過(guò)對(duì)網(wǎng)節(jié)編織長(zhǎng)度為j10的不同編織角度試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到編織角度和斷裂載荷的關(guān)系圖，如圖3所示。其中編織角度0°表示兩根未編織的鋼絲試樣。可以看出，編織角度對(duì)斷裂載荷影響較大，編織角越小，試樣的拉伸強(qiáng)度越高。

圖3 網(wǎng)節(jié)編織角度與斷裂載荷關(guān)系圖Fig.3 Woven mesh angle with breaking load diagram

其中無(wú)編織網(wǎng)節(jié)T0j0的斷裂載荷明顯高于有編織的網(wǎng)節(jié)，且編織試樣T10j10、T30j10和T50j10的抗拉強(qiáng)度隨著編織角度的增加而逐漸降低。這是由于，在拉伸過(guò)程中，由泊松效應(yīng)引起的橫向變形，使鋼絲相互擠壓變形而破壞界面，引起基體開(kāi)裂或晶面脫離最終導(dǎo)致鋼絲斷裂。由于鋼絲編織角較小時(shí)，鋼絲所受的扭矩和剪力較小，纖維和晶相之間的界面可以較長(zhǎng)時(shí)間的保持完整性，并有利于增大網(wǎng)節(jié)的拉伸強(qiáng)度。隨著編織角度的增加，鋼絲與軸向拉力角度加大，鋼絲所受扭矩和剪力加大，使鋼絲內(nèi)部晶相界面發(fā)生移動(dòng)，破壞了鋼絲的整體性，導(dǎo)致網(wǎng)節(jié)的抗拉強(qiáng)度降低。

從網(wǎng)節(jié)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析，網(wǎng)節(jié)的編織角度越大，其緊密性和穩(wěn)定性越好。當(dāng)網(wǎng)節(jié)編織角度較小時(shí)，鋼絲之間的纏繞不夠緊密，容易出現(xiàn)滑移，導(dǎo)致鋼絲表面出現(xiàn)磨損，影響網(wǎng)兜的耐腐蝕性，降低網(wǎng)節(jié)抗拉強(qiáng)度。綜合考慮，在保證網(wǎng)節(jié)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下編織角度宜越小越好。

2.2 網(wǎng)節(jié)編織長(zhǎng)度對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響

圖4為對(duì)網(wǎng)節(jié)編織角度為T(mén)30時(shí)，試樣的網(wǎng)節(jié)編織長(zhǎng)度與斷裂載荷的關(guān)系圖。其中網(wǎng)節(jié)長(zhǎng)度為0 cm表示兩根未編織的鋼絲試樣。從圖可以看出，網(wǎng)節(jié)長(zhǎng)度對(duì)網(wǎng)節(jié)的抗拉強(qiáng)度影響較大。無(wú)編織試樣T0j0的斷裂載荷明顯高于編織試樣。

比較T30j10、T30j5和T30j15的斷裂載荷可以發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)節(jié)在編織長(zhǎng)度為10cm時(shí)斷裂載荷大于編織長(zhǎng)度為5 cm和15 cm的斷裂載荷，為網(wǎng)節(jié)的抗拉強(qiáng)度的拐點(diǎn)，此時(shí)網(wǎng)節(jié)的拉伸性能較好。分析其原因可認(rèn)為：T30j10試樣在以30°角度編織時(shí)，鋼絲受到剪力和扭矩的作用，降低了網(wǎng)節(jié)抗拉強(qiáng)度，同時(shí)兩根鋼絲之間存在的摩擦力，又提高了網(wǎng)節(jié)的抗拉強(qiáng)度。當(dāng)網(wǎng)節(jié)長(zhǎng)度大于5 cm時(shí)，隨著網(wǎng)節(jié)長(zhǎng)度的增加，網(wǎng)絲的摩擦力所提供的抗拉性大于鋼絲所受的剪力和扭矩作用引起的破壞力，網(wǎng)節(jié)的抗拉強(qiáng)度增加，網(wǎng)節(jié)長(zhǎng)度為10 cm時(shí)抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大；當(dāng)網(wǎng)節(jié)長(zhǎng)度大于10 cm時(shí)，鋼絲所受的剪力和扭矩作用引起的破壞力大于鋼絲之間的摩擦力，導(dǎo)致了鋼絲的抗拉強(qiáng)度的下降。

圖4 網(wǎng)節(jié)編織長(zhǎng)度與斷裂載荷關(guān)系圖Fig.4 Woven mesh length with breaking load diagram

此外由于鋼絲材料的組織分布不是絕對(duì)均勻，因此網(wǎng)節(jié)編織長(zhǎng)度越長(zhǎng)，越容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致其抗拉強(qiáng)度下降，但網(wǎng)節(jié)和網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。綜合考慮，在防汛金屬絲網(wǎng)的編織中，網(wǎng)節(jié)長(zhǎng)度以10 cm左右為宜，既能保證網(wǎng)節(jié)的抗拉強(qiáng)度又能保持其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，是理想的網(wǎng)節(jié)編織長(zhǎng)度。

2.3 拉伸破壞模式

圖5為部分網(wǎng)節(jié)試樣經(jīng)過(guò)拉伸試驗(yàn)的試樣圖。從圖中可知，T50j10和T30j10的網(wǎng)節(jié)試樣在斷裂后，網(wǎng)節(jié)沒(méi)有散開(kāi)依然保持網(wǎng)節(jié)的穩(wěn)定性；編織角度為T(mén)10j10的網(wǎng)節(jié)試樣在其中一根網(wǎng)絲斷裂之后散裂，網(wǎng)節(jié)結(jié)構(gòu)完全被破壞。在防汛金屬網(wǎng)兜編織中，網(wǎng)節(jié)的穩(wěn)定性是防汛金屬網(wǎng)兜的重要因素，編織角度的大小直接影響網(wǎng)節(jié)的穩(wěn)定性，應(yīng)選取合適的編織角度。

圖5 拉伸試驗(yàn)后的試樣圖Fig.5 After tensile test sample figure

3 結(jié)論

1）二維編織技術(shù)具有低成本、高效率的優(yōu)勢(shì)，用二維編織技術(shù)制作防汛金屬網(wǎng)可以為推廣防汛金屬網(wǎng)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2）采用二維編織結(jié)構(gòu)制作的網(wǎng)節(jié)具有很高的損傷容限，在防汛金屬網(wǎng)設(shè)計(jì)中充分發(fā)揮了網(wǎng)節(jié)編織結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。

3）網(wǎng)節(jié)編織角和編織長(zhǎng)度對(duì)網(wǎng)節(jié)的抗拉強(qiáng)度影響明顯，合理選擇編織參數(shù)可以有效的提高網(wǎng)節(jié)的力學(xué)性能。

[1]黃理軍,王 輝.合金鋼網(wǎng)柔性塊體在堤壩除險(xiǎn)加固中的應(yīng)用[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué),2007(4):155-157.

[2]文定坤,駱萬(wàn)康,孫大明,等.擴(kuò)張金屬網(wǎng)力學(xué)性能試驗(yàn)方法及其成果的研究[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2004,26(5):30-34.

[3]楊朝坤.編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料力學(xué)性能的測(cè)試與分析[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2002(5):12-13.

[4]孫慧玉,吳長(zhǎng)春.紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué),1997(3):335-340.

[5]石教建.金屬網(wǎng)編織過(guò)程斷經(jīng)問(wèn)題的研究[J].金屬制品,2011(1):84-85.

[6]趙倩娟,焦亞男.二維編織包芯繩索的結(jié)構(gòu)與拉伸性能[J].紡織學(xué)報(bào),2012,33(3):48-51.

[7]AYRANCI C,CAREY J.2D braided composites:A review for stiffness critical applications[J].Science Direc,2007(10):44-54.

[8]WEIMER C,MITSCHANG P.Aspects of the stitch formation process on the quality of sewn multi-textile-preforms[J].Composites:Part A,2001(32):1477-1484.

Two-dimensional Woven Metal Mesh Network Structure and Mechanical Properties of Flood Control

RAO Shuai-hui,RONG Rui-ya,LIU Quan-liang
(Naval Architecture and Marine Engineering School of Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,China)

Network knot of the metal mesh of flood control is liable to be fractured in loading process.Analyzed the mechanism of the tensile fracture and failure mode of metal mesh through the different weaving processing parameters of the tensile properties of test sample,lay the foundation for the further study on the strength of the flood control metal mesh.The results show that the net section of the weaving process parameters have a great influence on the tensile strength.The braided angle,the greater the net section structure tightly and no sliding,which reduce the net section of tensile strength to a certain extent.The short length of the net section woven can give full play to the tensile properties of the mesh,but the structural stability of the mesh is poor.

2D woven;metal mesh of flood control;network knot;tensile property

TB302.4

A

1008－830X(2014)04－0364－04

2014-01-10

饒帥輝（1989-），男，江西撫州人，碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械化.E-mail：mech163@163.com