CN110455488A - 膜结构的冰雹冲击荷载的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种膜结构的冰雹冲击荷载的测量装置及方法，涉及张拉膜结构技术领域。膜结构的冰雹冲击荷载的测量装置包括机架、张拉机构、冰雹发射机构以及信号采集机构；张拉机构安装于机架，张拉机构用于对待测膜结构进行张拉并形成具有稳定预张力的膜面；冰雹发射机构连接于机架，并置于膜面的上方位置，冰雹发射机构用于发射冰雹至膜面上；信号采集机构连接于机架，信号采集机构包括激光位移传感器，激光位移传感器置于膜面的下方位置。膜结构的冰雹冲击荷载的测量装置能够对膜结构在冰雹冲击荷载作用下的动力响应进行深入研究，为膜结构的抗冲击设计提供理论基础，膜结构的冰雹冲击荷载的测量方法方便快捷、适用范围广、精度高。

Description

膜结构的冰雹冲击荷载的测量装置及方法

技术领域

本申请涉及张拉膜结构技术领域，具体而言，涉及一种膜结构的冰雹冲击荷载的测量装置及方法。

背景技术

膜结构作为一种新型空间结构形式，代表着当今建筑技术与材料科学的发展水平，是艺术与技术的完美结合。膜结构凭借其优越的建筑特性、卓越的结构特性和适宜的经济性，被广泛地应用于大跨度空间结构中。工程实践表明膜结构建筑重量轻，施工速度快，跨越能力强，力学性能好，建筑造型丰富，具有适度透光性，外形简洁、轻盈舒展、富有动感，可折叠，具有拆装、运输方便和适宜工业化生产等优点。

随着膜结构的应用越来越广泛，发生在膜结构中的工程事故也越来越多。大量工程事故分析表明，冰雹等的冲击作用使膜结构产生了大幅振动，导致了较大松弛变形，使其膜内预张力大大降低。因此，实际工程中膜结构虽然都经过了严格的抗风设计，但仍有很多是在实际风速远小于设计失稳临界风速时就发生了破坏，说明冰雹等的冲击荷载对膜结构产生的不利影响不可忽视。目前国内唯一的关于膜结构设计的规程——《膜结构技术规程》(CECS 158:2015)规定：“膜结构设计应根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载，按承载力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载组合，并取各自的最不利效应组合进行设计”。但该规程未将冰雹产生的冲击动力荷载纳入荷载效应组合之内。

发明内容

本申请提供了一种膜结构的冰雹冲击荷载的测量装置及方法，能够对膜结构在冰雹冲击荷载作用下的动力响应进行深入研究，测量方便快捷、适用范围广、精度高，为膜结构的抗冲击设计提供理论基础，膜结构的冰雹冲击荷载的测量方法方便快捷、适用范围广、精度高。

第一方面，提供了一种膜结构的冰雹冲击荷载的测量装置，膜结构的冰雹冲击荷载的测量装置包括机架、张拉机构、冰雹发射机构以及信号采集机构；张拉机构安装于机架，张拉机构用于对待测膜结构进行张拉并形成具有稳定预张力的膜面；冰雹发射机构连接于机架，并置于膜面的上方位置，冰雹发射机构用于发射冰雹至膜面上；信号采集机构连接于机架，信号采集机构包括激光位移传感器，激光位移传感器置于膜面的下方位置。

上述技术方案，张拉机构用于对待测膜结构进行张拉并形成具有稳定预张力的膜面，从而模拟出待测膜结构实际使用时的受力状态；冰雹发射机构用于发射冰雹至膜面上，从而模拟出冰雹实际中冲击膜面的运动状态；激光位移传感器通过监测膜面在竖直方向上的位移状况，从而反映出冰雹刚接触膜面时的第一时刻和膜面在冰雹的冲击下达到最大位移时的第二时刻。膜结构的冰雹冲击荷载的测量装置只需测得待测膜结构受冰雹冲击的第一时刻和第二时刻的数据，则完成整个试验检测，从而能够算出冰雹对待测膜结构的冲击载荷大小，进而为对待测膜结构在冰雹冲击荷载作用下的动力响应进行深入研究打下基础。

结合第一方面，在本申请的第一方面的第一种可能的实现方式中，机架为十字形张拉架，机架形成有四个间隔对称设置的安装端；四个张拉机构分别安装于四个安装端。

上述技术方案，机架采用十字形张拉架，能够更加准确地模拟待测膜结构在实际使用过程中的沿正交两方向上双轴受力的状态，使得测量结果更加准确。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，在本申请的第一方面的第二种可能的实现方式中，张拉机构包括夹持装置和电液推拉杆；夹持装置用于夹持待测膜结构，电液推拉杆安装于安装端；电液推拉杆用于驱动夹持装置移动，使得夹持装置对待测膜结构张拉并形成具有稳定预张力的膜面。

上述技术方案，夹持装置用于固定待测膜结构，电液推拉杆驱动夹持装置移动，四个电液推拉杆能够实时精确地控制膜面四个方向的张拉力大小，同时能够同步进行四个方向的张拉操作，进而可以最大程度地减小待测膜结构张拉过程中的受力不稳定。最终电液推拉杆停止后使得夹持装置对待测膜结构形成具有稳定预张力的膜面，保证测量的准确性。

结合第一方面的第二种可能的实现方式，在本申请的第一方面的第三种可能的实现方式中，夹持装置包括上夹板和下夹板；上夹板可拆卸地连接于下夹板，待测膜结构置于上夹板与下夹板之间；电液推拉杆连接于下夹板。

上述技术方案，上夹板与下夹板通过可拆卸连接的方式配合夹持待测膜结构，便于对待测膜结构进行固定。电液推拉杆连接下夹板，通过推拉下夹板即可对待测膜结构进行张拉。

结合第一方面，在本申请的第一方面的第四种可能的实现方式中，冰雹发射机构包括支架、冰雹发射器和空气压缩机；支架连接于机架，冰雹发射器连接于支架并置于机架的中心位置的正上方，空气压缩机连接于冰雹发射器。

上述技术方案，冰雹发射器使用空气压缩机产生的高压空气驱动冰雹弹丸，尽可能的减小加速过程中对冰雹的损伤。

结合第一方面的第四种可能的实现方式，在本申请的第一方面的第五种可能的实现方式中，冰雹发射器包括冰雹发射管，空气压缩机连接于冰雹发射管，冰雹发射管内安装有微型测速装置。

上述技术方案，在进行试验前，先通过微型测速装置检测冰雹的发射速度，从而对空气压缩机进行调节，最终设置好空气压缩机的输出气压，从而得到驱动冰雹发射器发射出能够模拟的冰雹实际冲击到膜结构上的速度。

结合第一方面的第五种可能的实现方式，在本申请的第一方面的第六种可能的实现方式中，信号采集机构还包括信号处理模块，信号处理模块电性连接于激光位移传感器。

上述技术方案，信号处理模块用于读取激光位移传感器测得的待测膜结构受冰雹冲击的第一时刻和第二时刻的数据，并进行分析计算得出冰雹冲击膜面的作用时间。

结合第一方面的第三种可能的实现方式，在本申请的第一方面的第七种可能的实现方式中，机架形成有固定架，固定架位于安装端的下方位置，激光位移传感器连接于固定架。

上述技术方案，固定架位于安装端的中心下方位置，用于安装激光位移传感器。

结合第一方面的第五种可能的实现方式，在本申请的第一方面的第八种可能的实现方式中，微型测速装置为速度传感器。

上述技术方案，通过速度传感器来检测冰雹发射的速度。

第二方面，提供了一种膜结构的冰雹冲击荷载的测量方法，膜结构的冰雹冲击荷载的测量方法包括以下步骤：

将待测膜结构进行裁剪固定到第一方面或第一方面的任意一种可能的实现方式中的膜结构的冰雹冲击荷载的测量装置上；

通过张拉机构对待测膜结构进行张拉并形成具有稳定预张力的膜面；

通过冰雹发射机构以V速度发射冰雹至膜面上，

其中V由经验公式计算得出，ρ为冰雹密度，取ρ＝0.9×10³kg/m³，d为冰雹的直径，g为重力加速度，ρ_a为20℃时空气的密度；

C_D为阻曳系数，对于光滑圆球形冰雹，

当0.5cm≤d≤5cm时，C_D＝0.41d^0.185；当5cm≤d≤7.5cm时，C_D＝0.575-0.0208(d-4)²；当6.4cm≤d≤16cm时，C_D＝0.109d^0.253；

通过信号采集机构获取冰雹接触膜面的第一时刻t₁和膜面在冰雹的冲击下达到最大位移时的第二时刻t₂，从而得出冰雹冲击膜面的作用时间τ＝t₂-t₁；

将作用时间τ＝t₂-t₁和代入测量冲击荷载公式从而得出冰雹对膜结构的冲击荷载F。

上述技术方案，只需通过信号采集机构获取冰雹接触膜面的第一时刻t₁和膜面在冰雹的冲击下达到最大位移时的第二时刻t₂，得出冰雹冲击膜面的作用时间τ＝t₂-t₁后，将作用时间τ＝t₂-t₁和由经验公式算出的冰雹速度发射V代入测量冲击荷载公式就能够得出冰雹对膜结构的冲击荷载F，所需测量的参数少且易测得，整个测量过程方便便捷，并且精度高，可针对不同大小的冰雹进行测试。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请一个可选实施例中膜结构的冰雹冲击荷载的测量装置的结构示意图；

图2为本申请一个可选实施例中机架的结构示意图；

图3为本申请一个可选实施例中张拉机构的结构示意图；

图4为本申请一个可选实施例中机架与张拉机构配合的结构示意图；

图5为膜结构冲击荷载测量的理论计算模型示意图。

图标：10-膜结构的冰雹冲击荷载的测量装置；20-待测膜结构；100-机架；110-安装端；112-安装板；114-安装柱；120-固定架；200-张拉机构；210-上夹板；220-下夹板；230-电液推拉杆；240-连接孔；300-冰雹发射机构；310-支架；320-冰雹发射器；330-空气压缩机；400-信号采集机构；410-激光位移传感器；420-信号处理模块。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本申请的一个可选实施例提供了一种膜结构的冰雹冲击荷载的测量装置10，膜结构的冰雹冲击荷载的测量装置10能够精确模拟测量出膜结构在冰雹冲击下的冲击荷载，进而基于冲击荷载对膜结构在实际冰雹冲击荷载作用下的动力响应进行深入研究。

请参考图1-图4，图1示出了本申请一个可选实施例提供的膜结构的冰雹冲击荷载的测量装置10的具体结构，图2示出了本申请一个可选实施例提供的机架100的具体结构，图3示出了本申请一个可选实施例提供的张拉机构200的具体结构，图4示出了本申请一个可选实施例提供的机架100与张拉机构200配合的具体结构。

如图1所示，膜结构的冰雹冲击荷载的测量装置10包括机架100、四个张拉机构200、冰雹发射机构300和信号采集机构400。

由于膜结构在实际使用过程中的受力状态为双轴受力状态，且是沿正交两方向上受力，因此为更接近实际情况，在本申请实施例中，机架100采用十字形张拉架。需要说明的是，本申请实施例并不限定机架100的具体形式，在其他一些可选实施例中，机架100也可以采用圆形形状的张拉架或者方形形状的张拉架。

请同时参考图2，十字形张拉架采用50×50mm方钢管焊接制成，整体上包括水平支撑(图中未标出)、竖向支撑(图中未标出)与斜撑(图中未标出)三部分。机架100水平支撑的上端形成有四个间隔90°对称设置的安装端110，四个安装端110组成十字形张拉架的四个张拉方向。安装端110包括两个间隔设置的第一边架(图中未标出)和连接在两个第一边架之间的第二边架(图中未标出)，其中第二边架上间隔设置有两个安装柱114，并且相对设置的两个第二边架上的两个安装柱114基于机架100的中心对称设置。在四个安装端110围成的中心位置的底端，机架100水平支撑形成固定架120。

需要说明的是，本申请实施例中，描述位置关系的“上端”等词语是基于说明书附图中的位置关系来决定的，后文不再赘述。

请继续参考图3和图4，张拉机构200包括夹持装置和直式电液推拉杆230。电液推拉杆230是一种集机、电、液为一体的液压驱动机械装置，适用于需要往复推拉直线运动的场所。它由执行机构(油缸)、控制机构(液压控制阀组)和动力源(油泵电机等)组成，通过电源控制电动机正反转驱动双向液压泵正反输出压力油，经液压控制阀送至油缸，实现活塞杆的往复运动。夹持机构包括上夹板210和下夹板220。四个张拉机构200分别安装于四个安装端110(请参考图1所示)。

下夹板220呈凸状，包括长板(图中未标出)和短板(图中未标出)两部分一体成型制成，长板的大小与上夹板210大小相同，并且长板的长度等于安装端110的两个第一边架之间的距离。长板与上夹板210均开设有两个连接孔240，两个连接孔240设置在长板以及上夹板210的两端，使得上夹板210盖在长板上时，四个连接孔240两两对应连通，安装时，通过连接件穿过位于同一位置上的两个连接孔240来实现上夹板210与下夹板220的可拆卸连接。使用时，待测膜结构20(请参考图1所示)按照机架100的上端形状裁剪成十字形，其四个远离中心位置的边分别置于四个长边上，然后通过四个上夹板210分别固定。上夹板210与下夹板220通过可拆卸连接的方式配合夹持待测膜结构20，便于对待测膜结构20进行固定。

需要说明的是，连接孔240可以设置为螺纹孔，对应的，连接件可以是配有螺母的螺柱，将螺柱穿过位于同一位置上的两个连接孔240后拧紧螺母实现上夹板210与下夹板220连接。

下夹板220的短板上的中心位置开设有螺纹孔，电液推拉杆230的活塞杆通过螺栓连接于螺纹孔，电液推拉杆230的另一端通过安装板112安装在两个安装柱114上。安装板112的中部为契合电液推拉杆230的另一端圆周面的弧形状，安装板112的两端为水平状，安装板112的两端开设有安装孔。将电液推拉杆230的另一端放置在安装端110的两个安装柱114之间，再将安装板112卡在电液推拉杆230之上，使得两个安装孔连接在安装柱114上，其中安装孔可以是螺纹孔，安装柱114可以是螺栓柱。

电液推拉杆230的活塞杆的往复运动带动夹持装置往复运动，通过推拉下夹板220即可带动夹持装置对待测膜结构20进行张拉，从而达到控制待测膜结构20张拉力的效果。将四个电液推拉杆230的电源线并联，并设置总电源开关，通过总电源开关操控四个电液推拉杆230。四个电液推拉杆230在四个方向上同时进行张拉操作，通过设置相同的电动机转速来实现同步同作用力的张拉，当电液推拉杆230处于活塞杆稳定不动的状态时，待测膜结构20能够形成稳定预张力的膜面，从而模拟出待测膜结构20实际使用时的受力情形。四个电液推拉杆230可以实时精确地控制膜面四个方向的张拉力大小，同时能够同步进行四个方向的张拉操作，进而可以最大程度地减小待测膜结构20张拉过程中的受力不稳定，保证测量的准确性。

请继续参考图1所示，冰雹发射机构300包括支架310、冰雹发射器320和空气压缩机330，冰雹发射器320包括冰雹发射管(图中未画出)。支架310呈L形，支架310竖直立放在水平面上并连接于机架100的竖向支撑，使得支架310的折弯段的远端位于待测膜结构20中心位置的上方。冰雹发射器320连接于支架310的折弯段的远端，并使得冰雹发射管的管口指向待测膜结构20膜面的中心。其中冰雹发射管可以根据适配不同直径大小的冰雹来进行更换。冰雹发射器320通过气压管与空气压缩机330连接，通过空气压缩机330气瓶输出的气压大小，来调节冰雹发射的速度。

冰雹发射管内安装有微型测速装置(图中未画出)，微型测速装置为速度传感器。速度传感器电性连接于控制处理器，以实现数据的传输或交互，可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。控制处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力；控制处理器也可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessor，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。通过速度传感器来检测冰雹的发射速度，并通过空气压缩机330的气压调节来改变冰雹的发射速度，最终设定出能够模拟冰雹在实际中冲击膜结构时的末速度，使得冰雹以此末速度大小从冰雹发射器320发射后冲击在膜面上。由于冰雹发射器320距离膜面的距离较短，冰雹冲击接触膜面的瞬时速度大小视为与从冰雹发射器320发射时的速度大小一致。

冰雹发射器320使用空气压缩机330产生的高压空气驱动冰雹弹丸，尽可能的减小加速过程中对冰雹的损伤。在进行试验前，先通过微型测速装置检测冰雹的发射速度，从而对空气压缩机330进行调节，最终设置好空气压缩机330的输出气压，从而得到驱动冰雹发射器320发射出能够模拟的冰雹实际冲击到膜结构上的速度。

请继续参考图1所示，信号采集机构400包括激光位移传感器410和信号处理模块420。激光位移传感器410连接于固定架120，使得激光传感器位于膜面的正下方，激光位移传感器410电性连接于信号处理模块420，以实现数据的传输与交互，可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。在本申请中，信号处理模块420为计算机。需要说明的是，本申请实施例并不限定信号处理模块420的具体形式，在其他一些可选实施例中，信号处理模块420可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力，信号处理模块420也可以是其他通用处理器，包括网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。激光位移传感器410能够根据膜面在竖直方向上的位移变化来表征冰雹冲击膜面过程的时刻，从而能够反映出冰雹刚接触膜面时的第一时刻和膜面在冰雹的冲击下达到最大位移时的第二时刻。信号处理模块420用于读取激光位移传感器410测得的待测膜结构20受冰雹冲击的第一时刻和第二时刻的数据，并进行分析计算得出冰雹冲击膜面的作用时间，同时进行下一步冲击荷载的计算(详见后文描述)。

膜结构的冰雹冲击荷载的测量装置10只需测得待测膜结构20受冰雹冲击的第一时刻和第二时刻的数据，则完成整个试验检测，从而能够算出冰雹对待测膜结构20的冲击载荷大小，进而为对待测膜结构20在冰雹冲击荷载作用下的动力响应进行深入研究打下基础。

本申请另一个实施例提供了一种膜结构的冰雹冲击荷载的测量方法，膜结构的冰雹冲击荷载的测量方法使用上一个实施例中提供的膜结构的冰雹冲击荷载的测量装置10，模拟实际中不同大小的冰雹对膜结构冲击作用，得出冰雹对膜结构的冲击荷载，所需测量的参数少且易测得，整个测量过程方便便捷，并且精度高。

请参考图5所示，图5为膜结构冲击荷载测量的理论计算模型示意图。基于薄膜大挠度理论，设：四边固支的正交异性矩形薄膜结构的x方向边长为a，y方向的边长为b，x方向初始拉力为N_ox，y方向初始拉力为N_oy，冲击荷载为一垂直于膜面入射的冰雹(图中以一小球表示)，其质量为M，冰雹冲击膜面的末速度为V，冰雹与膜面接触冲击时间为τ。则由动量守恒定理可得：

其中f(t)为冰雹冲击矢量，v为冰雹速度矢量，则冰雹在与膜面接触的时间τ内对膜面的冲击力为F(τ)：

假设冰雹为球体，则M＝ρπd³/6，其中ρ为冰雹密度，d为冰雹直径，则得出冲击力为：

已知冲击力后，只要已知冰雹与膜面的接触面积A，即可求出冲击荷载F：

根据试验经验可知，冰雹与膜面的接触范围为接触面球冠的四分之一高度，因此A＝πdh，其中接触面球冠的高度h＝d/4。

整理以上各式，可得测量冲击荷载F的公式为：

式(1)中的V由下式(2)计算：

式(2)为经验公式，其表征了冰雹阻力系数的半经验关系和末速度的近似公式，式(2)中：

V为冰雹末速度(m/s)；ρ为冰雹密度，取ρ＝0.9×10³kg/m³；d为冰雹的直径(m)，可针对不同直径大小的冰雹进行试验；g为重力加速度，取g＝9.8m/s²；ρ_a为常温下(20℃时)空气的密度，取ρ_a＝1.205kg/m³；

C_D为阻曳系数，对于光滑圆球形冰雹，

当0.5cm≤d≤5cm时，C_D＝0.41d^0.185(d为冰雹的直径(cm))；当5cm≤d≤7.5cm时，C_D＝0.575-0.0208(d-4)²(d为冰雹的直径(cm))；当6.4cm≤d≤16cm时，C_D＝0.109d^0.253(d为冰雹的直径(cm))。

由以上分析可知，在某一直径尺寸冰雹冲击待测膜结构20(请参考图1所示)的试验中，只需通过信号采集机构400(请参考图1所示)获取冰雹接触膜面的第一时刻t₁和膜面在冰雹的冲击下达到最大位移时的第二时刻t₂，得出冰雹冲击膜面的作用时间τ＝t₂-t₁后，将作用时间τ＝t₂-t₁和由经验公式算出的冰雹速度发射V代入测量冲击荷载公式就能够得出冰雹对膜结构的冲击荷载F。因此，结合图1-图4，膜结构的冰雹冲击荷载的测量方法包括以下步骤：

将待测膜结构20进行裁剪固定到上一个实施例提供的膜结构的冰雹冲击荷载的测量装置10上；

通过张拉机构200对待测膜结构20进行张拉并形成具有稳定预张力的膜面；

打开空气压缩机330电源开关，启动空气压缩机330开始加压至所需的气压等级，然后启动冰雹发射器320开关，通过冰雹发射机构300以V速度发射冰雹至膜面上，其中V由经验公式计算得出；

通过信号采集机构400中的激光位移传感器410获取冰雹接触膜面的第一时刻t₁和膜面在冰雹的冲击下达到最大位移时的第二时刻t₂，从而由信号处理模块420计算得出冰雹冲击膜面的作用时间τ＝t₂-t₁；

将作用时间τ＝t₂-t₁和代入测量冲击荷载公式(该步骤通过信号处理模块420自动进行)，从而得出冰雹对膜结构的冲击荷载F。

需要说明的是，在进行上述膜结构的冰雹冲击荷载的测量方法之前，需要进行以下试验测量前的准备工作：

1.将四个直式电液推拉杆230分别安装在机架100的安装端110上，并将其与下夹板220连接，将四个直式电液推拉杆230电源线并联，设置总电源开关，并调试电液推拉杆230的液压系统。

2.打开电液推拉杆230的液压系统总电源开关，调节张拉力到设计等级，同时启动四个直式电液推拉杆230的电机开始张拉待测膜结构20，待测膜结构20的膜面张拉到位后将直式电液推拉杆230锁定，从而保持膜面张力保持不变。

3.将激光位移传感器410安装在固定架120上并对准测点。

4.使用导线将激光位移传感器410与信号处理模块420相连，对激光位移传感器410进行归零，并对激光位移传感器410进行调试。

5.安装冰雹发射器320及支架310，使冰雹发射管对准膜面中心，并由经验公式计算得出冰雹的发射速度V。

6.安装气压管连接空气压缩机330与冰雹发射器320，根据冰雹的发射速度V，调试空气压缩机330与冰雹发射器320，得到能够发射该速度的空气压缩机330气压等级。

7.在冰雹发射之前，先打开信号处理模块420，启动相应的传感器软件，开始监测膜面位移数据。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种膜结构的冰雹冲击荷载的测量装置，其特征在于，包括：

机架；

张拉机构，所述张拉机构安装于所述机架，所述张拉机构用于对待测膜结构进行张拉并形成具有稳定预张力的膜面；

冰雹发射机构，所述冰雹发射机构连接于所述机架，并置于所述膜面的上方位置，所述冰雹发射机构用于发射冰雹至所述膜面上；以及

信号采集机构，所述信号采集机构连接于所述机架，所述信号采集机构包括激光位移传感器，所述激光位移传感器置于所述膜面的下方位置。

2.根据权利要求1所述的膜结构的冰雹冲击荷载的测量装置，其特征在于：

所述机架为十字形张拉架，所述机架形成有四个间隔对称设置的安装端；

四个所述张拉机构分别安装于四个所述安装端。

3.根据权利要求2所述的膜结构的冰雹冲击荷载的测量装置，其特征在于：

所述张拉机构包括夹持装置和电液推拉杆；

所述夹持装置用于夹持所述待测膜结构，所述电液推拉杆安装于所述安装端；

所述电液推拉杆用于驱动所述夹持装置移动，使得所述夹持装置对所述待测膜结构张拉并形成具有稳定预张力的膜面。

4.根据权利要求3所述的膜结构的冰雹冲击荷载的测量装置，其特征在于：

所述夹持装置包括上夹板和下夹板；

所述上夹板可拆卸地连接于所述下夹板，所述待测膜结构置于所述上夹板与所述下夹板之间；

所述电液推拉杆连接于所述下夹板。

5.根据权利要求1所述的膜结构的冰雹冲击荷载的测量装置，其特征在于：

所述冰雹发射机构包括支架、冰雹发射器和空气压缩机；

所述支架连接于所述机架，所述冰雹发射器连接于所述支架并置于所述机架的中心位置的正上方，所述空气压缩机连接于所述冰雹发射器。

6.根据权利要求5所述的膜结构的冰雹冲击荷载的测量装置，其特征在于：

所述冰雹发射器包括冰雹发射管，所述空气压缩机连接于所述冰雹发射管，所述冰雹发射管内安装有微型测速装置。

7.根据权利要求6所述的膜结构的冰雹冲击荷载的测量装置，其特征在于：

所述信号采集机构还包括信号处理模块，所述信号处理模块电性连接于所述激光位移传感器。

8.根据权利要求4所述的膜结构的冰雹冲击荷载的测量装置，其特征在于：

所述机架形成有固定架，所述固定架位于所述安装端的中心下方位置，所述激光位移传感器连接于所述固定架。

9.根据权利要求6所述的膜结构的冰雹冲击荷载的测量装置，其特征在于：

所述微型测速装置为速度传感器。

10.一种膜结构的冰雹冲击荷载的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

将待测膜结构进行裁剪固定到权利要求1-9所述的膜结构的冰雹冲击荷载的测量装置上；

通过所述张拉机构对所述待测膜结构进行张拉并形成具有稳定预张力的膜面；

通过所述冰雹发射机构以V速度发射冰雹至所述膜面上，

其中V由经验公式计算得出，ρ为冰雹密度，取ρ＝0.9×10³kg/m³，d为冰雹的直径，g为重力加速度，ρ_a为20℃时空气的密度；

C_D为阻曳系数，对于光滑圆球形冰雹，

当0.5cm≤d≤5cm时，C_D＝0.41d^0.185；当5cm≤d≤7.5cm时，C_D＝0.575-0.0208(d-4)²；当6.4cm≤d≤16cm时，C_D＝0.109d^0.253；

通过所述信号采集机构获取所述冰雹接触所述膜面的第一时刻t1和所述膜面在所述冰雹的冲击下达到最大位移时的第二时刻t₂，从而得出冰雹冲击所述膜面的作用时间τ＝t₂-t₁；

将作用时间τ＝t₂-t₁和代入测量冲击荷载公式从而得出冰雹对膜结构的冲击荷载F。