薄膜材料双轴力学性能研究

摘 要：历经几十年的发展，膜结构已被广泛应用于建筑行业，但其工程安全事故却屡有发生，因此，对膜材料的进一步研究是十分必要的。为了进一步探索薄膜材料的性能，发挥其在工程中的应用价值，本文首先总结薄膜材料双轴力学性能研究的意义，然后通过膜材静力与冲击试验分析薄膜材料双轴力学性能，以期能够为相关工作者提供参考。

关键词：薄膜材料；双轴力学性能；实验分析文章编号：2095-4085（2024）06-0194-03

1 薄膜材料双轴力学性能研究的意义

膜结构作为一种轻质低刚度结构，在强风、强降雪、冰雹等自然灾害中易发生灾害，对人民生命财产安全产生严重威胁。目前，国内对膜结构的研究刚刚起步，与国外相比有很大的差距，特别是针对膜结构的抗风问题，更是鲜有报道。膜结构是一种与传统结构形式相比较的结构形式。

作为一种柔性材料，膜结构的与拉应力和其刚度有着十分密切的关系，如果初始与拉应力足够大那么膜结构抵抗外部荷载的刚度也较大。膜结构具有良好的抗风压和抗风能力，在应用中主要受风、雪、冰雹等外部荷载的作用，进而导致膜面受力发生结构变形，只有提高薄膜材料的抗弯性和抗外荷能力才能保证其高效使用。当外界载荷过大时，导致薄膜拉应力超过薄膜材料所能承受的极限抗拉强度，薄膜材料可能发生变形，薄膜结构失稳甚至撕裂。同时，由于温度的变化和外加荷载的作用，薄膜的受力状态也会发生改变。当薄膜受到冲击载荷作用时，薄膜结构将呈现出随机振动特性，从而引起薄膜的徐变与松弛。由于温度、湿度等因素的影响，膜结构的热胀冷缩和应力集中也是影响膜结构性能的重要因素。因此，为进一步优化建筑膜材结构，减少工程事故发生风险，掌握膜材受力状态下的力学性能，对于膜材的力学性能研究显得尤为重要。

2 膜材静力与冲击试验

2.1 薄膜裁剪制作

2.1.1 膜材制作设备

PVC膜片热合、PTFE膜片热合、PVC膜材料便携式焊枪、PTFE膜材料便携式焊枪和高频焊机是当前薄膜试验材料制作常用的材料和设备设施。

相比焊枪和焊机，高频焊机具的应用有着诸多特点，比如有着十分广泛的应用范围，加工后的试件压边平整，有着较高的工作效率，不过该设备使用成本相对较高。目前国内使用的高频焊机主要用于大型建筑膜结构的焊接。高频焊机广泛应用于建筑膜结构、帐篷、遮阳蓬、停车棚等工程中。高频焊机主要由高频焊机、高频电源、脉冲发生器、电极架、工作台、冷却、送丝、控制检测等系统组成。高频焊机的工作机理是在焊机上、下电极间产生高频率变化的磁场，这种连续变化的磁场会引起薄膜内分子间的摩擦发热，再由机械加压及模具配合，达到熔接效果。目前，国外已经研制了多种型号的高频焊机。膜结构熔接机是一种高频设备，在膜结构领域有重要应用价值，是膜结构焊接的常用设备。

2.1.2 膜材的裁剪制作

本实验采用手工裁剪方式制作膜材，检测人员通过排料、放样画线、试件码、划线检查及实际裁切制作一定规格的膜材。在排料过程中，裁剪人员按裁切图上画出的裁切片，根据薄膜材料卷的长宽合理地排列，达到最佳效果。放样绘图完成后要做划线记号并粘贴胶带。放样画线时，按图放样，划线后还要做自检、互检。在自检过程中，应注意检查尺寸段间的相互关系。画线检查的主要内容是对已标定的样件再检查一遍，其主要目的是检验样件的精度及标注的正确性。画样板时，先按尺寸要求画出等长的试块图，再在样板上画出所需的线框图或线段。在最终裁断试样前，必须反复检查，以确定其精度。切割时要确保尺寸精度和外观质量。采用 PVC手提式焊枪及高频焊接设备对剪切试样进行压边烧结，对经检查合格的试件进行编号。

工作人员进一步加工经过热合压好边的试件。在此次试验中，采用螺栓连接试验试件和夹板。工作人员用打孔工具在试件指定位置进行打孔，为达到保护效果，加工人员可以选择塑料砧板等较好的塑料制品作为打孔冲子、冲子保护垫。

2.2 双轴试验实施

为了顺利地完成薄膜材料的双轴试验，实验人员按照如下步骤进行操作：

（1）利用螺栓穿过上夹板和下夹板对已切割样品的四个端面进行固定，并将样品固定于支撑装置的首层以确保样品放置平整。

（2）通过钢丝绳与紧绳器横向连接，使试样x向一端与支撑装置固定，另一端夹板通过钢丝绳与手动绞盘S型拉力传感器相连，手动绞盘通过螺栓与支撑装置末端固定。

（3）通过钢丝绳和紧绳器，将试验件在y方向的一端夹板与支撑装置进行水平连接。同时，用钢丝绳将试样的另一端夹板与S型拉力传感器在手动绞盘上进行水平连接，并在支撑装置的端部固定手动绞盘。

（4）固定试件，并将三脚架稳定地安装于试件下放，试验人员调整三脚架托盘中的激光位移传感器，同时调整托盘高度，最终保证激光位移传感器能精确测量试样所产生的位移并保证能满足试样位移要求。

（5）利用螺栓将夹板充分固定后借助紧绳器移动试件，确保试件按照操作规范设置于支撑装置上，试验人员分别对x、y方向上的绞盘进行旋转从而确保两个方向的预张力保持一致。

（6）通过紧绳器调整最终张拉好的试件，确保其能够在支撑装置的中心位置。

（7）将激光位移传感器开启，做好激光位移传感器水平位置的合理调整，确保激光能够和张紧后的试件测点位置对准。

（8）通过预试验明确测试设备、试件受力情况能够满足试验要求，如果可以满足试验要求，那么可以按照上述步骤正式进行试验检测。预实验所得的数据可以不保存。

（9）通过预实验将试验流程确定，然后开始正式试验。正式试验中按照从小到大进行五级施压的方式施加与张力，在某一级有着稳定的张力后，利用传感器采集并整理相关试验数据，之后借助沙袋进行施压，逐层增加沙袋，检测人员对每次加压后的数据进行细致地检查记录，在得到准确数据后可以卸掉均布荷载。

（10）第二块、第三块试件按照和上述步骤相同的方式进行测定。

（11）试验人员在测定薄膜材料的均布荷载数据后进行绞盘转动并施加下一级的预张力，做好相关数据信息的采集整理，以此方式逐步施加其他级预张力均布荷载。

（12）完成试验后，关闭电源并释放预张力。

在该试验中，检测人员需要按照五级逐步进行荷载的施加，荷载主要为10kg的沙袋，按照从小到大、三层分别施加压力的方式进行操作。每次完成预张力施加后工作人员都要及时施加均布荷载。试验人员在采集到相关数据信息后还要对检测结果进行细致地分析和讨论，绘制曲线图，直观地观察薄膜材料的双轴力学性能。

3 试验结果分析与讨论

3.1 整理后的数据及分析

实验人员布置了A、B、C、D四个双轴试验的试件测点，不过没有采集全C、D两点的激光位移位所以选取A、B两点的采集结果进行分析。

如图1所示为位移与预张力的关系曲线。从图1可以看出，在保证膜材尺寸和厚度不变的前提下，预张力大小的增大会导致张拉膜的膜面位移逐渐减小。

在保持膜材尺寸和厚度不变的前提下，均布荷载大小会影响张拉膜的膜面位移，当均布荷载增大，张拉膜的位移也随之增大。

均布荷载、预张力等多种因素会影响膜材的位移。在不考虑弹性模量和膜材边长的前提下，假设

k2=qσ0

拟合后得到拟合结果如图4所示，拟合公式如式（1）。

ωmax=0.008 34lnqσ0+0.090（1）

σ0为薄膜的预应力，σ0=N/h，其中N为预张力，h为膜材厚度。

即表示膜面中心点位移与均布荷载、预张力之间的关系。

通过拟合结果可知，调整后拟合结果误差降低。

3.2 结论

试验人员通过薄膜材料双轴力学性能分析发现，在不计算薄膜尺寸、弹性模量并且荷载均布的前提下，如果相对张力很小，那么薄膜的竖向位移会随着薄膜均布荷载增加而逐渐呈现出线性增加的现象，随着张力增大位移-均布荷载曲线的斜率会呈现出逐渐减小的趋势。

4 结语

薄膜材料随着现代科学技术的进步得到了非常快速的发展，当前在航空航天、机械设备、电工电子等多个行业都开始使用薄膜材料。目前常用的膜结构形式有预应力膜结构与张拉膜结构。张拉膜结构具有结构柔软、重量轻、造型美观等优点，非常适用于大跨空间结构的设计，被广泛应用于大型建筑结构中。由于薄膜材料较薄，刚性好，因此，当受到较大的外力作用时，薄膜不易变形或损坏。薄膜材料是一种柔性材料，具有较低的刚度，只有在施加合适的预拉力时，才能有效的抵抗外界载荷。当膜结构受到较大外力作用时，膜面将产生较大的挠度及内力，因此，应通过合理的设计计算，保证膜面张拉力能满足使用要求。为了进一步发挥薄膜材料的应用价值，拓宽薄膜材料的应用范围，将薄膜应用中发生问题的概率降低，相关工作者应不断创新优化，提高薄膜材料的力学性能，发挥该材料的应用价值。

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