CN108106951A - 一种测量薄膜张力与变形关系的测量平台及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种测量薄膜张力与变形关系的测量平台及测量方法，平台包括：基台、薄膜固定组件、拉伸调节组件和测量组件；基台的安装台面为矩形框结构，拉伸调节组件和测量组件均固定安装在所述矩形框结构上，薄膜固定组件安装在拉伸调节组件上，薄膜固定组件用于薄膜的固定，拉伸调节组件用于调整薄膜固定组件的位置，进而调节薄膜的变形，测量组件用于测量出薄膜固定组件的位移量和薄膜变形量，进而得到薄膜张力与变形之间的关系。基于该平台，还提出了该平台的具体测量方法。该平台可用于薄膜面内横向和纵向两个独立受载时的变形，还可以测量薄膜面内和面外方向独立受载时薄膜的变形量。

Description

一种测量薄膜张力与变形关系的测量平台及测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量薄膜材料所受张力与变形关系的测量平台及测量方法。

背景技术

高空大展弦比太阳能无人机的翼面多采用薄膜作为蒙皮，以轻质高强骨架为主要受力元件，薄膜蒙皮作为维稳外形元件。在此类无人机飞行时，因气动力和机体结构弹性变形的影响，翼面蒙皮受到面内张力和面外拉力的作用，会产生弹性变形。在此类无人机翼面结构装配时，通过对薄膜蒙皮施加面内预变形产生的预紧力来提高薄膜法向变形所需的载荷阈值，减小薄膜受到气动载荷时的面内面外拉压变形。利用此工艺方法来保证无人机在飞行时薄膜蒙皮的法向变形被控制在一定范围内。

因此，必须在无人机结构设计阶段，就须得知薄膜在面内张力与变形的关系及施加法向压力时薄膜张力与法向变形的关系。通过总体系统输入的翼面薄膜法向变形设计指标反推出装配所需的薄膜张力。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种测量薄膜张力与变形关系的测量平台及测量方法，能够测量薄膜面内、面外张力与变形关系。

本发明的技术解决方案是：

一种可测量薄膜张力与变形关系的测量平台，包括：基台、薄膜固定组件、拉伸调节组件和测量组件；

基台的安装台面为矩形框结构，拉伸调节组件和测量组件均固定安装在所述矩形框结构上，薄膜固定组件安装在拉伸调节组件上，薄膜固定组件用于薄膜的固定，拉伸调节组件用于调整薄膜固定组件的位置，进而调节薄膜的变形，测量组件用于测量出薄膜固定组件的位移量和薄膜变形量，进而得到薄膜张力与变形之间的关系。

所述拉伸调节组件包括滑轮组、固定角盒和滑轨；

滑轮组分别固定在所述矩形框结构的长边与短边的中部，用于给薄膜固定组件施加拉伸力，固定角盒分别固定在所述矩形框结构的长边与短边上，用于薄膜固定组件的限位，滑轨安装在所述矩形框结构上，用于薄膜固定组件的横向移动或纵向移动。

所述薄膜固定组件包括两个拉伸横杆和两个拉伸纵杆，薄膜粘接固定在两个拉伸横杆和两个拉伸纵杆上表面，拉伸横杆固定在所述矩形框结构长边的滑轨上，拉伸纵杆固定在所述矩形框结构短边的滑轨上，拉伸横杆在滑轮组施加的拉伸力作用下，沿所述矩形框结构的短边方向移动；拉伸纵杆在滑轮组施加的拉伸力作用下，沿所述矩形框结构的长边方向移动，进而将薄膜拉伸。

所述测量组件包括横向测量尺、安装横梁、法向测量尺和纵向测量尺；安装横梁的两端固定在所述矩形框结构的两个长边上，法向测量尺固定在安装横梁上，用于测量薄膜的法向变形量，横向测量尺固定在所述矩形框结构的长边中央，用于测量拉伸横杆的位移量，纵向测量尺固定在所述矩形框结构的短边中央，用于测量拉伸纵杆的位移量。

所述基台的安装面为水平面。

法向测量尺的顶杆垂直向上，且该顶杆位于所述矩形框结构的中心位置，法向测量尺零位时顶杆的顶端面与所述两个拉伸横杆和两个拉伸纵杆的上表面平齐。

横向测量尺零位时横向测量尺的顶杆顶在拉伸横杆的侧端面上，纵向测量尺零位时纵向测量尺的顶杆顶在拉伸纵杆的侧端面上。

拉伸横杆和拉伸纵杆的一端均设置有45°倒角，另一端均设置有限位凸台，拉伸横杆和拉伸纵杆距离所述矩形框结构的中心位置最近时，相邻的拉伸横杆和拉伸纵杆通过45°倒角和限位凸台配合实现限位，此时，两个拉伸横杆和两个拉伸纵杆组成矩形，该矩形的中心与所述矩形框结构的中心重合，拉伸横杆和拉伸纵杆均处于拉伸杆零位。

一种基于可测量薄膜张力与变形关系的测量平台实现的测量方法，步骤如下：

(1)测量面内横向变形时，先将拉伸横杆和拉伸纵杆置于零位，横向测量尺和纵向测量尺也处于零位；

(2)利用固定角盒固定拉伸横杆和拉伸纵杆位置；

(3)将待测薄膜展开后，薄膜四边分别粘接在拉伸横杆和拉伸纵杆的上表面，保证薄膜没有褶皱；

(4)粘接面固化完成后，在与拉伸纵杆相连的滑轮组上分别加载质量块，释放拉伸纵杆一侧的固定角盒，拉伸纵杆在质量块重力作用下发生横向位移，直至与薄膜张力F平衡；

(5)从横向测量尺上读出位移数L3和L4，并计算两者之和L_横；

(6)更换其他质量块，重复步骤(10)-(11)，最终得到薄膜张力与纵向变形之间的关系F-L_横；

(7)测量面内纵向变形时，先将拉伸横杆和拉伸纵杆置于零位，横向测量尺和纵向测量尺也处于零位；

(8)利用固定角盒固定拉伸横杆和拉伸纵杆位置；

(9)将待测薄膜展开后，薄膜四边分别粘接在拉伸横杆和拉伸纵杆的上表面，保证薄膜没有褶皱；

(10)粘接面固化完成后，在与拉伸横杆相连的滑轮组上分别加载质量块，释放拉伸横杆一侧的固定角盒，拉伸横杆在质量块重力作用下发生纵向位移，直至与薄膜张力F平衡；

(11)从纵向测量尺上读出位移数L1和L2，并计算两者之和L_纵；

(12)更换其他质量块，重复步骤(10)-(11)，最终得到薄膜张力与横向变形之间的关系F-L_纵；

(13)测量面外法向变形时，先将拉伸横杆和拉伸纵杆置于零位，纵向测量尺也处于零位；

(14)重复步骤(2)-(4)；

(15)在薄膜中心处施加质量块产生法向压力F_压，薄膜产生法向变形，法向测量尺顶杆发生位移，直至法向压力F_压与薄膜张力F平衡，得出法向变形量L_法

(16)保持薄膜中心处的质量块不动，依次在与拉伸纵杆相连的滑轮组上添加质量块，法向位移逐渐减小，位移稳定后，依次记录下添加质量块平衡时的法向变形L_法；

(17)按照步骤(16)的方法改变滑轮组上的质量块，得到一系列数据点，进而得到法向压力为F_压时的薄膜张力F与法向变形之间的关系F-L_法。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、相较于拉伸试验机仅能够测量一维方向上的受载，本发明测量平台不仅可用于薄膜面内横向和纵向两个独立受载时的变形，还可以测量薄膜面内和面外方向独立受载时薄膜的变形量。

2、本发明测量平台相较于拉伸试验机，不需要制作复杂夹具，结构简单，便于操作。

3、薄膜与拉伸横杆，拉伸纵杆的连接采用粘接的形式，可以保证薄膜面内受载均匀。

附图说明

图1为本发明测量平台的结构示意图；

图2为本发明测量薄膜变形前，拉伸横杆，拉伸纵杆的零位示意图；

图3为图2的A-A剖视图；

图4为图2的B-B剖视图；

图5为本发明测量薄膜面内变形实施效果示意图；

图6为F-L_横关系曲线；

图7为F-L_法关系曲线。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明提出了一种可测量薄膜张力与变形关系的测量平台，包括：基台1、薄膜固定组件、拉伸调节组件和测量组件；

基台1的安装台面为矩形框结构，拉伸调节组件和测量组件均固定安装在所述矩形框结构上，薄膜固定组件安装在拉伸调节组件上，薄膜固定组件用于薄膜的固定，拉伸调节组件用于调整薄膜固定组件的位置，进而调节薄膜的变形，测量组件用于测量出薄膜固定组件的位移量和薄膜变形量，进而得到薄膜张力与变形之间的关系。

拉伸调节组件包括滑轮组6、固定角盒7和滑轨8；滑轮组6分别固定在所述矩形框结构的长边与短边的中部，用于给薄膜固定组件施加拉伸力，固定角盒7分别固定在所述矩形框结构的长边与短边上，用于薄膜固定组件的限位，滑轨8安装在所述矩形框结构上，用于薄膜固定组件的横向移动或纵向移动。

如图3、4所示，薄膜固定组件包括两个拉伸横杆2和两个拉伸纵杆10，薄膜粘接固定在两个拉伸横杆2和两个拉伸纵杆10上表面，拉伸横杆2固定在所述矩形框结构长边的滑轨8上，拉伸纵杆10固定在所述矩形框结构短边的滑轨8上，拉伸横杆2在滑轮组6施加的拉伸力作用下，沿所述矩形框结构的短边方向移动；拉伸纵杆10在滑轮组6施加的拉伸力作用下，沿所述矩形框结构的长边方向移动，进而将薄膜拉伸，如图5所示。

测量组件包括横向测量尺3、安装横梁4、法向测量尺5和纵向测量尺9；安装横梁4的两端固定在所述矩形框结构的两个长边上，法向测量尺5固定在安装横梁4上，用于测量薄膜的法向变形量，横向测量尺3固定在所述矩形框结构的长边中央，用于测量拉伸横杆2的位移量，纵向测量尺9固定在所述矩形框结构的短边中央，用于测量拉伸纵杆10的位移量。

基台1的安装面为水平面。法向测量尺5的顶杆垂直向上，且该顶杆位于所述矩形框结构的中心位置，法向测量尺零位时顶杆的顶端面与所述两个拉伸横杆2和两个拉伸纵杆10的上表面平齐。横向测量尺零位时横向测量尺3的顶杆顶在拉伸横杆2的侧端面上，纵向测量尺零位时纵向测量尺9的顶杆顶在拉伸纵杆10的侧端面上。

如图2所示，拉伸横杆2和拉伸纵杆10的一端均设置有45°倒角，另一端均设置有限位凹台，拉伸横杆2和拉伸纵杆10距离所述矩形框结构的中心位置最近时，相邻的拉伸横杆2和拉伸纵杆10通过45°倒角和限位凹台配合实现限位，此时，两个拉伸横杆2和两个拉伸纵杆10组成矩形，该矩形的中心与所述矩形框结构的中心重合，拉伸横杆2和拉伸纵杆10均处于拉伸杆零位。

基于上述测量平台，本发明还提出了一种可测量薄膜张力与变形关系的测量方法，包括步骤如下：

(1)测量面内横向变形时，先将拉伸横杆2和拉伸纵杆10置于零位，横向测量尺3和纵向测量尺9也处于零位；

(2)固定角盒7固定拉伸横杆2和拉伸纵杆10位置；

(3)将待测薄膜展开后，薄膜四边分别粘接在拉伸横杆2和拉伸纵杆10的上表面，保证薄膜没有褶皱；

(4)粘接面固化完成后，在与拉伸横杆2相连的滑轮组6上分别加载质量块，释放拉伸横杆2一侧的固定角盒，拉伸横杆2在质量块重力作用下发生位移，直至与薄膜张力F平衡；

(5)从横向测量尺上读出位移示数L1和L2，并计算两者之和L_横；

(6)更换其他质量块，重复步骤(4)-(5)，最终得到薄膜张力与横向变形之间的关系F-L_横，薄膜原始尺寸是固定的，变形与拉伸横杆的位移是线性关系，在直角坐标系中，以张力F为横轴，位移代替变形可以得到F-L_横关系曲线；

(7)测量面内纵向变形时，先将拉伸横杆2和拉伸纵杆10置于零位，横向测量尺3和纵向测量尺9也处于零位；

(8)固定角盒7固定拉伸横杆2和拉伸纵杆10位置；

(9)将待测薄膜展开后，薄膜四边分别粘接在拉伸横杆2和拉伸纵杆10的上表面，保证薄膜没有褶皱；

(10)粘接面固化完成后，在与拉伸纵杆10相连的滑轮组6上分别加载质量块，释放拉伸纵杆(10)一侧的固定角盒，拉伸纵杆(10)在质量块重力作用下发生位移，直至与薄膜张力F平衡；

(11)从纵向测量尺上读出位移示数L3和L4，并计算两者之和L_纵；

(12)更换其他质量块，重复步骤(10)-(11)，最终得到薄膜张力与纵向变形之间的关系F-L_纵，参考F-L_横关系曲线的制出方法可以得到F-L_纵关系曲线；

(13)测量面外法向变形时，先将拉伸横杆2和拉伸纵杆10置于零位，纵向测量尺9也处于零位；

(14)重复步骤(2)-(4)；

(15)在薄膜中心处施加质量块产生法向压力F_压，薄膜产生法向变形，法向测量尺顶杆发生位移，直至法向压力F_压与薄膜张力F平衡，得出法向变形量L_法；

(16)保持薄膜中心处的质量块不动，依次在与拉伸纵杆10相连的滑轮组6上添加质量块，法向位移逐渐减小，位移稳定后，依次记录下添加质量块平衡时的法向变形；

(17)按照步骤(16)的方法改变滑轮组6上的质量块质量，得到一系列数据点，进而得到法向压力为F_压时的薄膜张力F与法向变形之间的关系F-L_法，参考F-L_横关系曲线的制出方法可以得到法向压力F_压时的F-L_纵关系曲线；

薄膜张力F通过如下公式计算：F＝m*g，其中，m为质量块质量，g为重力常数。

本实验平台及方法是通过滑轮组件上施加的不同重量来控制薄膜的面内张力，等薄膜张力和质量块重力平衡以后，利用位移测量尺来得出薄膜的形变。

实施例：

按照如下步骤进行张力与变性关系的测量。

1、测量面内横向变形时，先将拉伸横杆2和拉伸纵杆10置于零位，横向测量尺3和纵向测量尺9也处于零位；

2、利用固定角盒7固定拉伸横杆2和拉伸纵杆10位置；

3、将待测薄膜11展开后，薄膜四边分别粘接在拉伸横杆2和拉伸纵杆10的上表面，保证薄膜没有褶皱；

4、粘接面固化完成后，在与拉伸纵杆10相连的滑轮组6上分别加载50g质量块，释放拉伸纵杆10一侧的固定角盒，拉伸纵杆10在质量块重力作用下发生横向位移，直至与薄膜张力F平衡；

5、从横向测量尺3上读出位移数L3和L4，并计算两者之和L_横；

6、依次更换成100g，200g，500g的质量块，重复步骤10-11，得到的数据如下；

7、得出如图6所示F-L_横关系曲线；

8、测量面外法向变形时，先将拉伸横杆2和拉伸纵杆10置于零位，纵向测量尺9也处于零位；

9、重复步骤2-4；

10、在薄膜11中心处施加50g质量块产生法向压力F_压，薄膜产生法向变形，法向测量尺顶杆发生位移，直至法向压力F_压与薄膜张力F平衡，得出法向变形量L_法；

11、保持薄膜中心处的质量块不动，依次在与拉伸纵杆10相连的滑轮组6上添加质量块，使质量分别为50g，100g，150g，200g，250g，300g法向位移逐渐减小，位移稳定后，依次记录下添加质量块平衡后的法向变形；

12、按照步骤11的方法改变滑轮组6上的质量块质量，得到一系列数据点，得到的数据如下

13、得出如图7所示F-L_法关系曲线。

通过图表可以得知，如果在法向压力为0.49N的条件下，要求翼面薄膜蒙皮的最大法向位移在10mm以内，应将利用装配等措施控制薄膜的张力大于0.0008N/mm的范围。

Claims (10)

1.一种测量薄膜张力与变形关系的测量平台，其特征在于包括：基台(1)、薄膜固定组件、拉伸调节组件和测量组件；

基台(1)的安装台面为矩形框结构，拉伸调节组件和测量组件均固定安装在所述矩形框结构上，薄膜固定组件安装在拉伸调节组件上，薄膜固定组件用于薄膜的固定，拉伸调节组件用于调整薄膜固定组件的位置，进而调节薄膜的变形，测量组件用于测量出薄膜固定组件的位移量和薄膜变形量，进而得到薄膜张力与变形之间的关系。

2.根据权利要求1所述的一种测量薄膜张力与变形关系的测量平台，其特征在于：所述拉伸调节组件包括滑轮组(6)、固定角盒(7)和滑轨(8)；滑轮组(6)分别固定在所述矩形框结构的长边与短边的中部，用于给薄膜固定组件施加拉伸力，固定角盒(7)分别固定在所述矩形框结构的长边与短边上，用于薄膜固定组件的限位，滑轨(8)安装在所述矩形框结构上，用于薄膜固定组件的横向移动或纵向移动。

3.根据权利要求2所述的一种测量薄膜张力与变形关系的测量平台，其特征在于：所述薄膜固定组件包括两个拉伸横杆(2)和两个拉伸纵杆(10)，薄膜(11)粘接固定在两个拉伸横杆(2)和两个拉伸纵杆(10)上表面，拉伸横杆(2)固定在所述矩形框结构长边的滑轨(8)上，拉伸纵杆(10)固定在所述矩形框结构短边的滑轨(8)上，拉伸横杆(2)在滑轮组(6)施加的拉伸力作用下，沿所述矩形框结构的短边方向移动；拉伸纵杆(10)在滑轮组(6)施加的拉伸力作用下，沿所述矩形框结构的长边方向移动，进而将薄膜拉伸。

4.根据权利要求3所述的一种测量薄膜张力与变形关系的测量平台，其特征在于：所述测量组件包括横向测量尺(3)、安装横梁(4)、法向测量尺(5)和纵向测量尺(9)；安装横梁(4)的两端固定在所述矩形框结构的两个短边上，法向测量尺(5)固定在安装横梁(4)上，用于测量薄膜(11)的法向变形量，纵向测量尺(9)固定在所述矩形框结构的长边中央，用于测量拉伸横杆(2)的纵向位移量，横向测量尺(3)固定在所述矩形框结构的短边中央，用于测量拉伸纵杆(10)的横向位移量。

5.根据权利要求1所述的一种测量薄膜张力与变形关系的测量平台，其特征在于：所述基台(1)的安装面为水平面。

6.根据权利要求4所述的一种测量薄膜张力与变形关系的测量平台，其特征在于：法向测量尺(5)的顶杆垂直向上，且该顶杆位于所述矩形框结构的中心位置，法向测量尺零位时顶杆的顶端面与所述两个拉伸横杆(2)和两个拉伸纵杆(10)的上表面平齐。

7.根据权利要求4所述的一种测量薄膜张力与变形关系的测量平台，其特征在于：横向测量尺零位时横向测量尺(3)的顶杆顶在拉伸纵杆(10)的侧端面上，纵向测量尺零位时纵向测量尺(9)的顶杆顶在拉伸横杆(2)的侧端面上。

8.根据权利要求4所述的一种测量薄膜张力与变形关系的测量平台，其特征在于：拉伸横杆(2)和拉伸纵杆(10)的一端均设置有45°倒角，另一端均设置有限位凸台，拉伸横杆(2)和拉伸纵杆(10)距离所述矩形框结构的中心位置最近时，相邻的拉伸横杆(2)和拉伸纵杆(10)通过45°倒角和限位凸台配合实现限位，此时，两个拉伸横杆(2)和两个拉伸纵杆(10)组成矩形，该矩形的中心与所述矩形框结构的中心重合，拉伸横杆(2)和拉伸纵杆(10)均处于拉伸杆零位。

9.一种基于权利要求1～8中任一项所述测量薄膜张力与变形关系的测量平台实现的测量方法，其特征在于步骤如下：

(1)测量面内横向变形时，先将拉伸横杆(2)和拉伸纵杆(10)置于零位，横向测量尺(3)和纵向测量尺(9)也处于零位；

(2)利用固定角盒(7)固定拉伸横杆(2)和拉伸纵杆(10)位置；

(3)将待测薄膜(11)展开后，薄膜四边分别粘接在拉伸横杆(2)和拉伸纵杆(10)的上表面，保证薄膜没有褶皱；

(4)粘接面固化完成后，在与拉伸纵杆(10)相连的滑轮组(6)上分别加载质量块，释放拉伸纵杆(10)一侧的固定角盒，拉伸纵杆(10)在质量块重力作用下发生横向位移，直至与薄膜张力F平衡；

(5)从横向测量尺(3)上读出位移数L3和L4，并计算两者之和L_横；

(6)更换其他质量块，重复步骤(10)-(11)，最终得到薄膜张力与纵向变形之间的关系F-L_横；

(7)测量面内纵向变形时，先将拉伸横杆(2)和拉伸纵杆(10)置于零位，横向测量尺(3)和纵向测量尺(9)也处于零位；

(8)利用固定角盒(7)固定拉伸横杆(2)和拉伸纵杆(10)位置；

(9)将待测薄膜(11)展开后，薄膜四边分别粘接在拉伸横杆(2)和拉伸纵杆(10)的上表面，保证薄膜没有褶皱；

(10)粘接面固化完成后，在与拉伸横杆(2)相连的滑轮组(6)上分别加载质量块，释放拉伸横杆(2)一侧的固定角盒，拉伸横杆(2)在质量块重力作用下发生纵向位移，直至与薄膜张力F平衡；

(11)从纵向测量尺(9)上读出位移数L1和L2，并计算两者之和L_纵；

(12)更换其他质量块，重复步骤(10)-(11)，最终得到薄膜张力与横向变形之间的关系F-L_纵；

(13)测量面外法向变形时，先将拉伸横杆(2)和拉伸纵杆(10)置于零位，纵向测量尺(9)也处于零位；

(14)重复步骤(2)-(4)；

(15)在薄膜(11)中心处施加质量块产生法向压力F_压，薄膜产生法向变形，法向测量尺顶杆发生位移，直至法向压力F_压与薄膜张力F平衡，得出法向变形量L_法；

(16)保持薄膜中心处的质量块不动，依次在与拉伸纵杆(10)相连的滑轮组(6)上添加质量块，法向位移逐渐减小，位移稳定后，依次记录下添加质量块平衡时的法向变形；

(17)按照步骤(16)的方法改变滑轮组(6)上的质量块质量，得到一系列数据点，进而得到法向压力为F_压时的薄膜张力F与法向变形之间的关系F-L_法。

10.一种测量薄膜张力与变形关系的测量方法，其特征在于：薄膜张力F通过如下公式计算：F＝m*g/L，其中，m为滑轮组(6)上的质量块质量，g为重力常数，L为待测薄膜变形方向上的长度；法向压力F_法为薄膜中心处的质量块重力。