CN108333046B - 一种测定膜材料力学性能的装置及采用该装置进行测定的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测定膜材料力学性能的装置及采用该装置进行测定的方法，该装置包括主体框架，周向设于主体框架上的夹持装置，设于主体框架上、位于夹持装置上端的加载装置，以及设于主体框架上、位于夹持装置下端的量测装置；测定方法包括采用夹持装置夹持膜材料，通过张拉装置施加张拉力，加载装置为膜材料施加荷载，最后通过量测装置及张拉装置测定结果。本发明的显著优点为该装置能够根据模拟的需要对膜材料表面施加均布力、非均布力，对膜材料施加不同大小的张拉力，从而测得膜材料竖向荷载与竖向位移的关系曲线、单双轴拉伸时的应力应变曲线，进而测得极限强度、弹性模量、泊松比等力学性能。

Description

一种测定膜材料力学性能的装置及采用该装置进行测定的 方法

技术领域

本发明属于材料力学性能检测领域，尤其涉及一种测定膜材料力学性能的装置及采用该装置进行测定的方法。

背景技术

膜材料一般由织物构成，是一种继钢材、混凝土、木材、玻璃之后新兴的建筑材料。膜材料具有质轻、高强、连接可靠等性能，使得其在建筑中得以广泛的使用。近年来，随着各类大跨空间结构的不断出现，膜材料也随之得以推广应用。伴随着科学技术的进步，各种新型的膜材料层出不穷，为了适应不同的气候条件，检测膜材料的仪器也层出不穷，例如UTM4000系列电子万能试验机等。但目前并没有一种仪器可以同时对膜材料在不同表面压力、张力下的位移膜体变形进行系统、全面的测定。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是提供一种测定膜材料力学性能的装置，该装置能够根据模拟的需要对膜材料表面施加均布力、冲击荷载或非均布力，膜材料竖向荷载与竖向位移的关系曲线、单双轴拉伸时的应力应变曲线。

本发明的第二目的是提供一种采用该测定装置进行测定的方法。

技术方案：本发明测定膜材料力学性能的装置，包括主体框架，周向设于主体框架上的夹持装置，设于主体框架上、位于夹持装置上端的加载装置，以及设于主体框架上、位于夹持装置下端的量测装置；所述主体框架上还设有为膜材料提供张拉力并测定大小的张拉装置。

进一步说，本发明的张拉装置包括动力装置，一端与动力装置相连、另一端与夹持装置相连的张拉构件及设于张拉构件上的拉力传感器。

再进一步说，主体框架的水平向上设有使得夹持装置移动的拉力滑轨。拉力滑轨上设有记录夹持装置位移的位移传感器。主体框架的竖向设有使得加载装置移动的加载滑轨。

更进一步说，本发明的夹持装置包括上夹板、下夹板、合力夹板、连接上夹板和下夹板的转动轴及设于转动轴两端的端头，所述合力夹板与张拉构件相连接。优选的，上夹板及下夹板采用凹凸槽咬合，以确保稳固夹持膜材料。

本发明的加载装置包括与加载滑轨连接的、上端开口的加载空间，该加载空间内设有若干用于放置加载材料的隔间。

本发明的量测装置从下至上依次包括底板、伸缩支撑架、仪器支架及量测仪器。

本发明采用上述装置进行测定的方法，包括如下步骤：首先采用夹持装置夹持膜材料，通过张拉装置施加张拉力、通过加载装置为膜材料施加荷载，最后通过量测装置及张拉装置测定结果。

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：该装置结构简单、操作方便、测量参数多、加载方式多样，能够对膜材料施加冲击荷载及不同大小的张拉力，测得冲击作用下或者对应张拉力作用下位移时程曲线；采用该装置进行测定时能够根据模拟的需要对膜材料表面施加均布、非均布力、对膜材料施加不同大小的张拉力，从而测得膜材料竖向荷载与竖向位移的关系曲线、单双轴拉伸时的应力应变曲线，进而测得极限强度、弹性模量、泊松比等力学性能。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明主体框架的结构示意图；

图3为本发明夹持装置的结构示意图；

图4为本发明加载装置的结构示意图；

图5为本发明加载装置的活动接头的结构示意图；

图6为本发明量测装置不带量测仪器的结构示意图；

图7为本发明量测装置带量测仪器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

如图1及图2所示，本发明测定膜材料力学性能的装置，包括主体框架1，该主体框架1优选为十字型，水平周向设于主体框架1上的夹持装置2，设于主体框架1上、位于夹持装置2上端的加载装置3，该加载装置3可拆卸，设于主体框架1上、位于夹持装置2下端的量测装置4，周向设于主体框架1上、为膜材料四边提供张拉力并测定大小的张拉装置5。主体框架1四周沿水平方向设有使得夹持装置2移动的拉力滑轨9，该拉力滑轨9上还设有可沿该拉力滑轨9滑动的位移传感器10，该位移传感器10用于记录夹持装置2的位移。主体框架1四周沿竖直方向设有使得加载装置3移动的加载滑轨11。

其中，张拉装置5包括动力装置6，一端与动力装置6相连、另一端与夹持装置2相连的张拉构件7及设于该张拉构件7上的拉力传感器8。张拉构件7可为刚性构件(包括钢杆、铝杆或不锈钢杆等)，其杆件上具有一定的凹凸槽或者纹路，以便动力装置6通过齿轮组或者纹路加载，进行应变控制式或应力控制式试验。位移传感器10及拉力传感器8可为电子传感器或机械传感器，亦可为无线或有线。

如图3所示，夹持装置2包括用于夹持膜材料的上夹板12，下夹板13，固定上夹板12和下夹板13的转动轴15，设于转动轴15两端、限制转动轴15偏离拉力滑轨9的端头16及控制夹力大小的螺栓。该夹持装置2上还设有与张拉构件7相连接的合力夹板14，张拉构件7的集中力通过合力夹板14扩散为均布力施加在膜材料上。上夹板12及下夹板13采用凹凸槽咬合，能够确保稳固夹持膜材料。端头16与转动轴15采用螺纹式连接，端头16的内侧与拉力滑轨9的外侧相接触，且通过对膜材料施加张拉力后，旋紧端头16即可稳固夹持装置2，防止其在拉力滑轨9上移动。

如图4及图5所示，加载装置3包括与加载滑轨11连接的、上端开口的加载空间17(该加载空间17由四周及底端挡板组成)，该加载空间17内设有若干用于放置加载材料的隔间18，该隔间18通过内层隔板23相隔得到，内层隔板23间通过活动接头24相连接，能够防止其水平位移。加载材料可为砂、水袋、石子、钢珠或铅块等。

如图6及图7所示，量测装置4从下至上依次包括底板19、伸缩支撑架20、仪器支架21及量测仪器22。仪器支架21上还设有用于保护量测仪器22的钢板25，该钢板25上设有开孔26，其与量测仪器22相对应。伸缩支撑架20可为机械的升降台或电动升降台，调整仪器支架21的高度。量测仪器22可为电动的、机械的百分表或者千分表，且其底端为磁性结构，能够和仪器支架21连接定位，并可根据实验要求对量测仪器22的位置进行机动调整。

此外，拉力滑轨9与主体框架1可靠连接，其间隔的大小与转动轴15的长度及端头16的尺寸相匹配；加载滑轨11与加载装置3的加载空间17的尺寸相匹配。

采用本发明的测定膜材料力学性能的装置不仅能够进行膜材料的竖向加载试验，且能够进行膜材料单、双轴拉伸试验、自振特性试验，测定的参数多样化。

实施例1

采用本发明测定膜材料力学性能的装置进行膜材料竖向加载试验的方法包括如下步骤：

(1)将膜材料裁剪成仪器所需要的尺寸，根据研究目的确定加载方案；

(2)将膜材料的4边分别采用夹持装置2的上夹板12和下夹板13夹好，通过螺栓调节夹力大小；

(3)滑动位移传感器10，将其端头贴紧合力夹板14，确定初始位移；

(4)启动动力装置6，根据设计要求，对膜结构施加预张力；

(5)通过伸缩支撑架20调整仪器支架21的高度，使量测仪器22测量端均与膜材料充分接触；

(6)将加载装置3沿着竖向加载滑轨11滑动至膜材料表面，抽掉加载空间17的底端挡板，检查活动接头24和内层隔板23是否下滑且与膜材料表面接触；

(7)根据设计要求，通过向加载装置3的隔间18内添加砂、铅块或铁珠等材料施加荷载；

(8)根据量测装置4及加载装置3的结果，结合隔间18内添加的重物质量，能够测得膜材料竖向荷载与薄膜竖向位移的关系曲线。

实施例2

采用本发明的测定膜材料力学性能的装置进行膜材料单轴拉伸试验的方法包括如下步骤：

(1)将膜材料裁剪成仪器所需要的尺寸，根据研究目的确定加载方案；

(2)将膜材料的2条边沿同一方向分别采用夹持装置2的上夹板12和下夹板13夹好，通过螺栓调节夹力大小；

(3)滑动位移传感器10，将其端头贴紧合力夹板14，确定初始位移；

(4)启动动力装置6，根据设计要求，以一定速率进行两端张拉，直至膜材料被拉破；

(5)根据位移传感器10及拉力传感器8结果，测定膜材料的应力应变曲线，进而通过该曲线测得膜材料的极限强度及弹性模量。

该测定方法在试验过程无需加载装置3及量测装置4。

实施例3

采用本发明的测定膜材料力学性能的装置进行膜材料双轴拉伸试验的方法包括如下步骤：

(1)将膜材料裁剪成仪器所需要的尺寸，根据研究目的确定加载方案；

(2)将膜材料的4条边分别采用夹持装置2的上夹板12和下夹板13夹好，通过螺栓调节夹力大小；

(3)滑动位移传感器10，将其端头贴紧合力夹板14，确定初始位移；

(4)启动动力装置6，根据设计要求，对膜材料的水平X和Y两方向施加不同比例大小的张拉力；

(5)根据位移传感器10及拉力传感器8结果，测定膜材料的应力应变曲线，进而结合应变残差平方和最小原理，测得膜材料的弹性模量和泊松比。

其中，水平X和Y方向荷载比分别可为1：1、1:2、2:1、1:0、0:1，亦可根据试验需求自定。

实施例4

采用本发明测定膜材料力学性能的装置进行膜材料自振特性试验的方法包括如下步骤：

(1)将膜材料裁剪成仪器所需要的尺寸，根据研究目的确定试验方案；

(2)将膜材料的4边分别采用夹持装置2的上夹板12和下夹板13夹好，通过螺栓调节夹力大小；

(3)启动动力装置6，根据设计要求，对膜结构施加预张力；

(4)拆卸加载装置3，在主体框架1上、膜材料的上方设置非接触式激光位移传感器，在薄膜竖向某高度处施加冲击荷载(可用仿真枪射出玻璃弹珠)；

(5)在薄膜表面选取特征点采用非接触式激光位移传感器测量出位移，输出数据，测得不同预张力时的位移时程曲线。

通过上述实施例可知，采用本发明的装置可测得结构简单、操作方便、加载方式多样，测量参数多。

Claims (6)

1.一种测定膜材料力学性能的装置，其特征在于：该装置包括主体框架(1)，周向设于主体框架(1)上的夹持装置(2)，设于主体框架(1)上、位于夹持装置(2)上端的加载装置(3)，以及设于主体框架(1)上、位于夹持装置(2)下端的量测装置(4)；所述主体框架(1)上还设有为膜材料提供张拉力并测定大小的张拉装置(5)；其中，所述夹持装置(2)包括上夹板(12)、下夹板(13)、合力夹板(14)、连接上夹板(12)和下夹板(13)的转动轴(15)及设于转动轴(15)两端的端头(16)，上夹板(12)及下夹板(13)采用凹凸槽咬合，所述合力夹板(14)与张拉构件(7)相连接；所述加载装置(3)包括与加载滑轨(11)连接的、上端开口的加载空间(17)，该加载空间(17)内设有若干用于放置加载材料的隔间(18)；所述量测装置(4)从下至上依次包括底板(19)、伸缩支撑架(20)、仪器支架(21)及量测仪器(22)。

2.根据权利要求1所述的测定膜材料力学性能的装置，其特征在于：所述张拉装置(5)包括动力装置(6)，一端与动力装置(6)相连、另一端与夹持装置(2)相连的张拉构件(7)及设于该张拉构件(7)上的拉力传感器(8)。

3.根据权利要求1所述的测定膜材料力学性能的装置，其特征在于：所述主体框架(1)的水平向上设有使得夹持装置(2)移动的拉力滑轨(9)。

4.根据权利要求3所述的测定膜材料力学性能的装置，其特征在于：所述拉力滑轨(9)上设有记录夹持装置(2)位移的位移传感器(10)。

5.根据权利要求1所述的测定膜材料力学性能的装置，其特征在于：所述主体框架(1)的竖向设有使得加载装置(3)移动的加载滑轨(11)。

6.采用权利要求1所述的测定膜材料力学性能的装置进行测定的方法，包括如下步骤：首先采用夹持装置(2)夹持膜材料，通过张拉装置(5)施加张拉力、通过加载装置(3)为膜材料施加荷载，最后通过量测装置(4)及张拉装置(5)测定结果。

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