二维编织防汛金属网网结结构与力学性能

饶帅辉，刘全良，戎瑞亚

（浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山 316022）

二维编织防汛金属网网结结构与力学性能

饶帅辉，刘全良，戎瑞亚

（浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山 316022）

针对防汛金属网在装载过程中易出现网结断裂的情况，通过对不同编织工艺参数的试样的拉伸性能测试，分析了金属网结拉伸断裂的机理和破坏模式，为进一步研究防汛金属网的强度失效问题奠定基础。结果表明：网节的编织工艺参数对其抗拉强度影响较大。编织角越大，网节结构紧密，网丝无滑移，但一定程度上减低了网节的抗拉强度；网节编织长度小，可以充分发挥网丝的抗拉性能，但结构稳定性较差。

二维编织；防汛金属网；网节；拉伸性能

防汛金属网以其优良的整体物化性能、地形适应性能、优良的透水性、缓流防冲性和耐腐蚀性且较低的制作成本受到越来越广泛的关注，已经在防汛围垦、水电站建设和河道整治等领域广泛运用[1]。其制作过程主要包括金属网结构设计、网孔编织和网边收口。在过去的防汛金属网发展中，其结构设计已经获得了长足的发展，但网孔的编织技术还有进一步发展的潜力。网孔编织技术的重点是网节的编织，因此对网节编织的研究有助于防汛金属网的标准化和自动化。

防汛金属网的编织采用的是金属丝的二维编织技术，使用过程中常出现因网丝断裂引发的失效。但关于金属丝二维编织的力学研究的文献比较少，文定坤等[2]提出扩张金属网力学性能试验方法及其成果的研究，杨朝坤[3]和孙慧玉等[4]提出编织结构复合材料力学性能研究，石教建[5]对金属网编织过程断经问题进行了研究，文献[6-8]对非金属材料的二维编织工艺与刚度和稳定性的关系进行了研究。本文通过对运用二维编织技术制作的金属网网节的拉伸试验，研究了编织角度和网节编织长度对金属网网节拉伸性能的影响，为实际防汛金属网的编织提供参考。

1 试验部分

1.1 网节试样制作

试验材料参照YB/T4026-1991《网围栏用镀锌钢丝》选用直径为Φ1.2 mm的镀锌钢丝，抗拉强度为685 MPa左右。

试样是由2根钢丝通过二维编织得到。其中一根钢丝沿一个编织方向（顺时针或逆时针）做S型运动，另一根钢丝的运动方向则相反，以形成2根钢丝的相互交织。结构示意图如图1所示。两根钢丝沿着中心线成对称缠绕，钢丝之间存在相互挤压但不产生胶着。由于钢丝表面质量直接影响网丝的抗拉强度，为研究结构变化对网节轴向拉伸性能的影响，以便对不同结构试样的拉伸性能进行比较，假设网节试样钢丝表面光洁无划痕。根据工业生产中常用的编织角度并参考网丝编织角度范围，本实验选取10°、30°和50°三个常用角度作为实验角度并选取0°编织角为对照角度。因为网结随着编织长度的增加形态不发生变化，故选取5 cm、10 cm、15 cm三种常用做为代表长度。网节试样具体工艺参数见表1，其中，每种网节试样有5组测试结果取平均值，试样T0j0为两根无编织的平行钢丝，作为网节的对比试样。

图1 网节编织结构Fig.1 Woven mesh structure

1.2 编织网节拉伸性能测试

测试编织网节拉伸性能的试验参照GB/T 228-2010《金属材料室温拉伸试验方法》，在济南新东岳仪器制造公司WDW-100A试验机上完成。试样夹持距离为200 mm，拉伸速度为2 mm/min。两根钢丝在编织过程由于内应力的存在，弯曲变形不能达到完全对称，因此给试样预加一定的张紧力，使网节完全伸直。

表1 网节试样工艺参数Tab.1 Woven mesh sample process parameters

图2为网节拉伸变形图。可以看出，从A点到B点，网节消除钢丝编织中残余的应力变形，变形速度较快。到达B点时，两根钢丝贴合，形成一个整体，钢丝之间形成相互作用力；B点到C点，网节处于整体强化状态，此时抗拉强度增大，变形速度减小，到达C点时达到抗拉极限，网节开始断裂。当网节结构中的部分开始断裂后，其周围的网丝仍然相互连接，交错在一起，使得裂纹难以扩大。从一些网孔拉伸试验中可知，网节结构具有很高的损伤容限，因此防汛金属网设计中充分发挥了网节编织结构的优点。

图2 网节拉伸变形图Fig.2 Woven mesh tensile deformation figure

2 结果分析

2.1 网节编织角度对拉伸强度的影响

通过对网节编织长度为j10的不同编织角度试样进行拉伸试验，得到编织角度和断裂载荷的关系图，如图3所示。其中编织角度0°表示两根未编织的钢丝试样。可以看出，编织角度对断裂载荷影响较大，编织角越小，试样的拉伸强度越高。

图3 网节编织角度与断裂载荷关系图Fig.3 Woven mesh angle with breaking load diagram

其中无编织网节T0j0的断裂载荷明显高于有编织的网节，且编织试样T10j10、T30j10和T50j10的抗拉强度随着编织角度的增加而逐渐降低。这是由于，在拉伸过程中，由泊松效应引起的横向变形，使钢丝相互挤压变形而破坏界面，引起基体开裂或晶面脱离最终导致钢丝断裂。由于钢丝编织角较小时，钢丝所受的扭矩和剪力较小，纤维和晶相之间的界面可以较长时间的保持完整性，并有利于增大网节的拉伸强度。随着编织角度的增加，钢丝与轴向拉力角度加大，钢丝所受扭矩和剪力加大，使钢丝内部晶相界面发生移动，破坏了钢丝的整体性，导致网节的抗拉强度降低。

从网节的结构稳定性分析，网节的编织角度越大，其紧密性和稳定性越好。当网节编织角度较小时，钢丝之间的缠绕不够紧密，容易出现滑移，导致钢丝表面出现磨损，影响网兜的耐腐蚀性，降低网节抗拉强度。综合考虑，在保证网节结构稳定的前提下编织角度宜越小越好。

2.2 网节编织长度对拉伸强度的影响

图4为对网节编织角度为T30时，试样的网节编织长度与断裂载荷的关系图。其中网节长度为0 cm表示两根未编织的钢丝试样。从图可以看出，网节长度对网节的抗拉强度影响较大。无编织试样T0j0的断裂载荷明显高于编织试样。

比较T30j10、T30j5和T30j15的断裂载荷可以发现，网节在编织长度为10cm时断裂载荷大于编织长度为5 cm和15 cm的断裂载荷，为网节的抗拉强度的拐点，此时网节的拉伸性能较好。分析其原因可认为：T30j10试样在以30°角度编织时，钢丝受到剪力和扭矩的作用，降低了网节抗拉强度，同时两根钢丝之间存在的摩擦力，又提高了网节的抗拉强度。当网节长度大于5 cm时，随着网节长度的增加，网丝的摩擦力所提供的抗拉性大于钢丝所受的剪力和扭矩作用引起的破坏力，网节的抗拉强度增加，网节长度为10 cm时抗拉强度达到最大；当网节长度大于10 cm时，钢丝所受的剪力和扭矩作用引起的破坏力大于钢丝之间的摩擦力，导致了钢丝的抗拉强度的下降。

图4 网节编织长度与断裂载荷关系图Fig.4 Woven mesh length with breaking load diagram

此外由于钢丝材料的组织分布不是绝对均匀，因此网节编织长度越长，越容易产生应力集中，导致其抗拉强度下降，但网节和网孔结构越稳定。综合考虑，在防汛金属丝网的编织中，网节长度以10 cm左右为宜，既能保证网节的抗拉强度又能保持其结构稳定性，是理想的网节编织长度。

2.3 拉伸破坏模式

图5为部分网节试样经过拉伸试验的试样图。从图中可知，T50j10和T30j10的网节试样在断裂后，网节没有散开依然保持网节的稳定性；编织角度为T10j10的网节试样在其中一根网丝断裂之后散裂，网节结构完全被破坏。在防汛金属网兜编织中，网节的稳定性是防汛金属网兜的重要因素，编织角度的大小直接影响网节的稳定性，应选取合适的编织角度。

图5 拉伸试验后的试样图Fig.5 After tensile test sample figure

3 结论

1）二维编织技术具有低成本、高效率的优势，用二维编织技术制作防汛金属网可以为推广防汛金属网的应用奠定基础。

2）采用二维编织结构制作的网节具有很高的损伤容限，在防汛金属网设计中充分发挥了网节编织结构的优点。

3）网节编织角和编织长度对网节的抗拉强度影响明显，合理选择编织参数可以有效的提高网节的力学性能。

[1]黄理军,王 辉.合金钢网柔性块体在堤坝除险加固中的应用[J].湖南农业科学,2007(4):155-157.

[2]文定坤,骆万康,孙大明,等.扩张金属网力学性能试验方法及其成果的研究[J].重庆建筑大学学报,2004,26(5):30-34.

[3]杨朝坤.编织结构复合材料力学性能的测试与分析[J].玻璃钢/复合材料,2002(5):12-13.

[4]孙慧玉,吴长春.纺织结构复合材料力学性能的实验研究[J].实验力学,1997(3):335-340.

[5]石教建.金属网编织过程断经问题的研究[J].金属制品,2011(1):84-85.

[6]赵倩娟,焦亚男.二维编织包芯绳索的结构与拉伸性能[J].纺织学报,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

饶帅辉（1989-），男，江西抚州人，硕士研究生，研究方向：农业机械化.E-mail：mech163@163.com