薄膜材料雙軸力學(xué)性能研究

摘 要：歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，膜結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)，但其工程安全事故卻屢有發(fā)生，因此，對膜材料的進一步研究是十分必要的。為了進一步探索薄膜材料的性能，發(fā)揮其在工程中的應(yīng)用價值，本文首先總結(jié)薄膜材料雙軸力學(xué)性能研究的意義，然后通過膜材靜力與沖擊試驗分析薄膜材料雙軸力學(xué)性能，以期能夠為相關(guān)工作者提供參考。

關(guān)鍵詞：薄膜材料；雙軸力學(xué)性能；實驗分析文章編號：2095-4085（2024）06-0194-03

1 薄膜材料雙軸力學(xué)性能研究的意義

膜結(jié)構(gòu)作為一種輕質(zhì)低剛度結(jié)構(gòu)，在強風(fēng)、強降雪、冰雹等自然災(zāi)害中易發(fā)生災(zāi)害，對人民生命財產(chǎn)安全產(chǎn)生嚴重威脅。目前，國內(nèi)對膜結(jié)構(gòu)的研究剛剛起步，與國外相比有很大的差距，特別是針對膜結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)問題，更是鮮有報道。膜結(jié)構(gòu)是一種與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式相比較的結(jié)構(gòu)形式。

作為一種柔性材料，膜結(jié)構(gòu)的與拉應(yīng)力和其剛度有著十分密切的關(guān)系，如果初始與拉應(yīng)力足夠大那么膜結(jié)構(gòu)抵抗外部荷載的剛度也較大。膜結(jié)構(gòu)具有良好的抗風(fēng)壓和抗風(fēng)能力，在應(yīng)用中主要受風(fēng)、雪、冰雹等外部荷載的作用，進而導(dǎo)致膜面受力發(fā)生結(jié)構(gòu)變形，只有提高薄膜材料的抗彎性和抗外荷能力才能保證其高效使用。當外界載荷過大時，導(dǎo)致薄膜拉應(yīng)力超過薄膜材料所能承受的極限抗拉強度，薄膜材料可能發(fā)生變形，薄膜結(jié)構(gòu)失穩(wěn)甚至撕裂。同時，由于溫度的變化和外加荷載的作用，薄膜的受力狀態(tài)也會發(fā)生改變。當薄膜受到?jīng)_擊載荷作用時，薄膜結(jié)構(gòu)將呈現(xiàn)出隨機振動特性，從而引起薄膜的徐變與松弛。由于溫度、濕度等因素的影響，膜結(jié)構(gòu)的熱脹冷縮和應(yīng)力集中也是影響膜結(jié)構(gòu)性能的重要因素。因此，為進一步優(yōu)化建筑膜材結(jié)構(gòu)，減少工程事故發(fā)生風(fēng)險，掌握膜材受力狀態(tài)下的力學(xué)性能，對于膜材的力學(xué)性能研究顯得尤為重要。

2 膜材靜力與沖擊試驗

2.1 薄膜裁剪制作

2.1.1 膜材制作設(shè)備

PVC膜片熱合、PTFE膜片熱合、PVC膜材料便攜式焊槍、PTFE膜材料便攜式焊槍和高頻焊機是當前薄膜試驗材料制作常用的材料和設(shè)備設(shè)施。

相比焊槍和焊機，高頻焊機具的應(yīng)用有著諸多特點，比如有著十分廣泛的應(yīng)用范圍，加工后的試件壓邊平整，有著較高的工作效率，不過該設(shè)備使用成本相對較高。目前國內(nèi)使用的高頻焊機主要用于大型建筑膜結(jié)構(gòu)的焊接。高頻焊機廣泛應(yīng)用于建筑膜結(jié)構(gòu)、帳篷、遮陽蓬、停車棚等工程中。高頻焊機主要由高頻焊機、高頻電源、脈沖發(fā)生器、電極架、工作臺、冷卻、送絲、控制檢測等系統(tǒng)組成。高頻焊機的工作機理是在焊機上、下電極間產(chǎn)生高頻率變化的磁場，這種連續(xù)變化的磁場會引起薄膜內(nèi)分子間的摩擦發(fā)熱，再由機械加壓及模具配合，達到熔接效果。目前，國外已經(jīng)研制了多種型號的高頻焊機。膜結(jié)構(gòu)熔接機是一種高頻設(shè)備，在膜結(jié)構(gòu)領(lǐng)域有重要應(yīng)用價值，是膜結(jié)構(gòu)焊接的常用設(shè)備。

2.1.2 膜材的裁剪制作

本實驗采用手工裁剪方式制作膜材，檢測人員通過排料、放樣畫線、試件碼、劃線檢查及實際裁切制作一定規(guī)格的膜材。在排料過程中，裁剪人員按裁切圖上畫出的裁切片，根據(jù)薄膜材料卷的長寬合理地排列，達到最佳效果。放樣繪圖完成后要做劃線記號并粘貼膠帶。放樣畫線時，按圖放樣，劃線后還要做自檢、互檢。在自檢過程中，應(yīng)注意檢查尺寸段間的相互關(guān)系。畫線檢查的主要內(nèi)容是對已標定的樣件再檢查一遍，其主要目的是檢驗樣件的精度及標注的正確性。畫樣板時，先按尺寸要求畫出等長的試塊圖，再在樣板上畫出所需的線框圖或線段。在最終裁斷試樣前，必須反復(fù)檢查，以確定其精度。切割時要確保尺寸精度和外觀質(zhì)量。采用 PVC手提式焊槍及高頻焊接設(shè)備對剪切試樣進行壓邊燒結(jié)，對經(jīng)檢查合格的試件進行編號。

工作人員進一步加工經(jīng)過熱合壓好邊的試件。在此次試驗中，采用螺栓連接試驗試件和夾板。工作人員用打孔工具在試件指定位置進行打孔，為達到保護效果，加工人員可以選擇塑料砧板等較好的塑料制品作為打孔沖子、沖子保護墊。

2.2 雙軸試驗實施

為了順利地完成薄膜材料的雙軸試驗，實驗人員按照如下步驟進行操作：

（1）利用螺栓穿過上夾板和下夾板對已切割樣品的四個端面進行固定，并將樣品固定于支撐裝置的首層以確保樣品放置平整。

（2）通過鋼絲繩與緊繩器橫向連接，使試樣x向一端與支撐裝置固定，另一端夾板通過鋼絲繩與手動絞盤S型拉力傳感器相連，手動絞盤通過螺栓與支撐裝置末端固定。

（3）通過鋼絲繩和緊繩器，將試驗件在y方向的一端夾板與支撐裝置進行水平連接。同時，用鋼絲繩將試樣的另一端夾板與S型拉力傳感器在手動絞盤上進行水平連接，并在支撐裝置的端部固定手動絞盤。

（4）固定試件，并將三腳架穩(wěn)定地安裝于試件下放，試驗人員調(diào)整三腳架托盤中的激光位移傳感器，同時調(diào)整托盤高度，最終保證激光位移傳感器能精確測量試樣所產(chǎn)生的位移并保證能滿足試樣位移要求。

（5）利用螺栓將夾板充分固定后借助緊繩器移動試件，確保試件按照操作規(guī)范設(shè)置于支撐裝置上，試驗人員分別對x、y方向上的絞盤進行旋轉(zhuǎn)從而確保兩個方向的預(yù)張力保持一致。

（6）通過緊繩器調(diào)整最終張拉好的試件，確保其能夠在支撐裝置的中心位置。

（7）將激光位移傳感器開啟，做好激光位移傳感器水平位置的合理調(diào)整，確保激光能夠和張緊后的試件測點位置對準。

（8）通過預(yù)試驗明確測試設(shè)備、試件受力情況能夠滿足試驗要求，如果可以滿足試驗要求，那么可以按照上述步驟正式進行試驗檢測。預(yù)實驗所得的數(shù)據(jù)可以不保存。

（9）通過預(yù)實驗將試驗流程確定，然后開始正式試驗。正式試驗中按照從小到大進行五級施壓的方式施加與張力，在某一級有著穩(wěn)定的張力后，利用傳感器采集并整理相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，之后借助沙袋進行施壓，逐層增加沙袋，檢測人員對每次加壓后的數(shù)據(jù)進行細致地檢查記錄，在得到準確數(shù)據(jù)后可以卸掉均布荷載。

（10）第二塊、第三塊試件按照和上述步驟相同的方式進行測定。

（11）試驗人員在測定薄膜材料的均布荷載數(shù)據(jù)后進行絞盤轉(zhuǎn)動并施加下一級的預(yù)張力，做好相關(guān)數(shù)據(jù)信息的采集整理，以此方式逐步施加其他級預(yù)張力均布荷載。

（12）完成試驗后，關(guān)閉電源并釋放預(yù)張力。

在該試驗中，檢測人員需要按照五級逐步進行荷載的施加，荷載主要為10kg的沙袋，按照從小到大、三層分別施加壓力的方式進行操作。每次完成預(yù)張力施加后工作人員都要及時施加均布荷載。試驗人員在采集到相關(guān)數(shù)據(jù)信息后還要對檢測結(jié)果進行細致地分析和討論，繪制曲線圖，直觀地觀察薄膜材料的雙軸力學(xué)性能。

3 試驗結(jié)果分析與討論

3.1 整理后的數(shù)據(jù)及分析

實驗人員布置了A、B、C、D四個雙軸試驗的試件測點，不過沒有采集全C、D兩點的激光位移位所以選取A、B兩點的采集結(jié)果進行分析。

如圖1所示為位移與預(yù)張力的關(guān)系曲線。從圖1可以看出，在保證膜材尺寸和厚度不變的前提下，預(yù)張力大小的增大會導(dǎo)致張拉膜的膜面位移逐漸減小。

在保持膜材尺寸和厚度不變的前提下，均布荷載大小會影響張拉膜的膜面位移，當均布荷載增大，張拉膜的位移也隨之增大。

均布荷載、預(yù)張力等多種因素會影響膜材的位移。在不考慮彈性模量和膜材邊長的前提下，假設(shè)

k2=qσ0

擬合后得到擬合結(jié)果如圖4所示，擬合公式如式（1）。

ωmax=0.008 34lnqσ0+0.090（1）

σ0為薄膜的預(yù)應(yīng)力，σ0=N/h，其中N為預(yù)張力，h為膜材厚度。

即表示膜面中心點位移與均布荷載、預(yù)張力之間的關(guān)系。

通過擬合結(jié)果可知，調(diào)整后擬合結(jié)果誤差降低。

3.2 結(jié)論

試驗人員通過薄膜材料雙軸力學(xué)性能分析發(fā)現(xiàn)，在不計算薄膜尺寸、彈性模量并且荷載均布的前提下，如果相對張力很小，那么薄膜的豎向位移會隨著薄膜均布荷載增加而逐漸呈現(xiàn)出線性增加的現(xiàn)象，隨著張力增大位移-均布荷載曲線的斜率會呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。

4 結(jié)語

薄膜材料隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進步得到了非?？焖俚陌l(fā)展，當前在航空航天、機械設(shè)備、電工電子等多個行業(yè)都開始使用薄膜材料。目前常用的膜結(jié)構(gòu)形式有預(yù)應(yīng)力膜結(jié)構(gòu)與張拉膜結(jié)構(gòu)。張拉膜結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)柔軟、重量輕、造型美觀等優(yōu)點，非常適用于大跨空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計，被廣泛應(yīng)用于大型建筑結(jié)構(gòu)中。由于薄膜材料較薄，剛性好，因此，當受到較大的外力作用時，薄膜不易變形或損壞。薄膜材料是一種柔性材料，具有較低的剛度，只有在施加合適的預(yù)拉力時，才能有效的抵抗外界載荷。當膜結(jié)構(gòu)受到較大外力作用時，膜面將產(chǎn)生較大的撓度及內(nèi)力，因此，應(yīng)通過合理的設(shè)計計算，保證膜面張拉力能滿足使用要求。為了進一步發(fā)揮薄膜材料的應(yīng)用價值，拓寬薄膜材料的應(yīng)用范圍，將薄膜應(yīng)用中發(fā)生問題的概率降低，相關(guān)工作者應(yīng)不斷創(chuàng)新優(yōu)化，提高薄膜材料的力學(xué)性能，發(fā)揮該材料的應(yīng)用價值。

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