ETFE气枕与ETFE薄膜性能高温环境试验研究

根据中东阿布扎比高温、温差大的环境特点,设计了ETFE气枕性能高温环境试验系统,主要包括密封环境模拟室,776mm×776mm气枕模型,环境加热与ETFE气枕压力计算机自动控制系统,温度、位移数据采集系统.研制出试验系统,进行了40℃～80℃温度变化、6个周期18小时下气枕性能测试,然后利用气枕膜片制备试件,进行了ETFE薄膜厚度测试、ETFE薄膜和缝合节点拉伸试验.得到了相应的膜面矢高位移、试件破坏形态、应力应变曲线、极限强度和破断延伸率,对工程设计具有指导参考价值.     

ETFE气枕模型试验与有限元分析

通过2 m×2 m的ETFE气枕模型试验,进行了气枕形状测试、充气加压测试和气压一定的加载测试。通过在上下膜面画上一组刻线,测量膜面在充气过程中刻线长度的变化,进而求得膜面应力的变化。基于膜面应力和气枕矢高的试验测试值与几何非线性有限元分析结果比较,验证了ETFE气枕有限元模拟方法的正确性。研究表明：由于ETFE气枕充气过程中膜材伸展率较大,膜面粘贴应变传感器很难捕捉准确的膜面应力,采用膜面画刻线的方法可以用于测试ETFE充气结构的膜面应力;立体裁剪的ETFE气枕,充气成形过程中,膜面基本展开时零应力状态下,膜面角部区域已张紧,具有初始应力,因此,角部区域膜面应力测试时需给予初应力补偿;ETFE膜材热熔焊缝相当于膜材局部加强,顺焊缝及垂直焊缝的实测应力小于按均匀材料计算的应力,但对整体充气膜面应力的影响很小;膜面应力和气枕矢高的试验测试值与有限元分析值基本吻合。     

ETFE气枕式膜结构

随着ETFE(Ethylene Tetra Fluro Ethylene)膜材的成功研发,凭借其轻质、透光、隔热、抗腐、耐候、自洁等良好的性能而被广泛应用,大量的学者也对其开展研究。ETFE膜材为非织物类膜材,相比织物类膜材其单张膜的抗拉强度较低,常采用气枕的形式多张共同受力,并通过内压使其具有合适的刚度,由此产生的气枕式膜结构具有较好的力学性能和使用性能,逐渐得到广泛的发展并具有良好的前景。提炼出了ETFE气枕式膜结构相比于其它膜结构独有的可调节特性,在服役过程中通过内压改变对受力性能、透光率、隔热性能等的自动调节能力,并对ETFE气枕式膜结构的发展、性能、设计方法与施工技术进行研究与归纳,总结了国内外学者对ETFE气枕式膜结构的研究现状,对工程实践具有一定的指导意义。     

ETFE薄膜气枕模型试验研究

设计制作了2个不同矢跨比的ETFE薄膜气枕模型,进行了气枕形状测试、加压以及铺砂加压试验,得到了气枕形状坐标以及膜面随气压的变形量。对ETFE薄膜进行单向拉伸试验,测得材料的屈服强度、切线弹性模量和割线弹性模量。利用几何非线性有限元进行了数值分析,将数值结果与试验值进行了比较分析。结果表明:ETFE薄膜可按各向同性材料分析,数值计算结果与试验值吻合较好;在同样内压作用下,气枕矢高较高时膜面位移与膜面应力较小;ETFE薄膜采用割线弹性模量计算得到的膜面位移与试验值比较吻合,采用切线弹性模量计算得到的变形小于试验值。     

荷载作用下气枕式ETFE膜结构受力性能分析

对气枕式ETFE膜结构的受力性能进行了研究,分析了均布荷载作用下ETFE膜结构气枕的膜面位移和内力随荷载变化的规律,分别考察了气枕的初始内压、高跨比、薄膜厚度等参数对气枕位移、膜面应力的影响,给出了其参数变化影响规律.此外,对ETFE气枕的边缘构件进行了受力分析,分别给出了初始形态下和受荷状态下边缘构件的受力特点.通过分析,给出了设计建议.     

ETFE气枕力学性能试验研究及有限元分析

对1个乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）气枕足尺模型进行形态测试、加载测试及自振测试,研究了气枕的静力性能和动力特性。建立了ETFE气枕有限元模型,进行了形态、荷载及模态分析,验证了有限元分析方法的有效性。结果表明：气枕内压对外荷载较为敏感,荷载作用下内压变化幅度随初始内压增加而非线性减小;作用于气枕中部或单侧的荷载较对称荷载会引起更大的变形和内压变化;相同荷载作用下,气枕变形随初始内压增加而非线性减小;在试验内压范围内,测试气枕的基本自振频率位于6～10Hz之间,前两阶自振频率间隔较大,2～5阶自振频率分布更为密集,气枕各阶频率均随初始内压升高而非线性增加;在低阶模态中,气枕上、下层膜面呈对称振动;ETFE气枕为低阻尼结构,各阶模态阻尼比随初始内压增加而减小;形态、荷载及模态分析的有限元结果均与试验结果吻合良好,验证了共同作用有限元模型在ETFE气枕静、动力分析中的准确性和适用性。     

ETFE气枕力学性能试验研究及有限元分析

对1个乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)气枕足尺模型进行形态测试、加载测试及自振测试,研究了气枕的静力性能和动力特性.建立了ETFE气枕有限元模型,进行了形态、荷载及模态分析,验证了有限元分析方法的有效性.结果表明:气枕内压对外荷载较为敏感,荷载作用下内压变化幅度随初始内压增加而非线性减小;作用于气枕中部或单侧的荷载较对称荷载会引起更大的变形和内压变化;相同荷载作用下,气枕变形随初始内压增加而非线性减小;在试验内压范围内,测试气枕的基本自振频率位于6 ～ 10 Hz之间,前两阶自振频率间隔较大,2～5阶自振频率分布更为密集,气枕各阶频率均随初始内压升高而非线性增加;在低阶模态中,气枕上、下层膜面呈对称振动;ETFE气枕为低阻尼结构,各阶模态阻尼比随初始内压增加而减小;形态、荷载及模态分析的有限元结果均与试验结果吻合良好,验证了共同作用有限元模型在ETFE气枕静、动力分析中的准确性和适用性.     

圆形ETFE气枕粘塑性成形过程分析

设计制作了圆形ETFE气枕模型,进行气枕粘塑性成形试验,得到气枕膜面高度与内压的实时变化曲线。基于Perzyna的粘塑性本构方程,对ETFE薄膜进行单向拉伸试验,得到材料拉伸曲线及屈服强度,通过MATLAB拟合得到Perzyna本构方程参数,利用有限元软件进行了数值分析,并与试验结果进行比较。结果表明:ETFE气枕粘塑性成形过程试验结果与数值分析结果吻合良好,运用Perzyna粘塑性本构方程以及非线性材料模型可以准确、有效地完成ETFE粘塑性成形过程分析。     

ETFE膜结构在广州南站的应用

ETFE这种新型建筑材料质量轻、强度大,可以适应各种建筑造型,并且有着良好的热工性能和声学效果。在广州南站中央通廊的采光屋顶设计中就采用了ETFE气枕,形成了良好的空间效果,创造出了交通建筑全新的代表空间。并在节点的设计上,结合地方特点形成了良好的排水组织。     

三角形ETFE双层气枕足尺试验研究

对边长为3.74m的三角形ETFE双层气枕进行充气和膜面堆载试验,利用激光位移计对上下层8个测点的膜面高度进行实时测量,并与数值模拟结果对比分析.研究了三角形ETFE双层气枕的成形过程及风、雪荷载作用下的力学性能,验证了基于单轴拉伸试验所得材料力学参数的正确性和利用非线性有限单元法进行ETFE气枕分析的适用性.研究表明:(1)内压或外荷载作用下,三角形ETFE气枕膜面变形对称性较好,膜面高度随着内压、外荷载的增大呈线性增加或减小规律;(2)在风、雪荷载作用下,三角形ETFE气枕内接圆区域膜面应力较大且分布均匀,角部是低应力区,容易形成垂直于对角线的褶皱;(3)在风、雪荷载作用下,膜面应力小于ETFE第一屈服强度,气枕处于线弹性工作状态,三角形ETFE气枕具有较好的抵抗外部荷载作用的能力.     

ETFE foil spring cushion structure and its analytical method

The traditional Ethylene Tetra Fluoro Ethylene (ETFE) foil cushion is in the form of air cushion, whose structural stiffness is offered by the inner air pressure. Because the air supply and control systems are needed, air cushion structures cost extra energy and need much maintenance. In order to overcome the shortcomings of air cushion, the ETFE foil spring cushion that uses a spring to take the place of air pressure is developed in this paper. At first, the analytical method for shape finding analysis and stress analysis of the spring cushion is described in the paper. A numerical example is shown by means of the software package ANSYS and the suggested method so as to verify the validity of the method. Then, a model experiment on the ETFE foil spring cushion is carried out. In the loading test, the compression of spring is recorded and the experimental results are compared with the analytical results. At the end of the paper, an experimental hall using both ETFE foil air cushion units and spring cushion units as its roof structure is introduced. Through the construction and daily use of the experimental hall, the spring cushion system shows advantages such as easier construction, needing no air supply and control equipments, no running energy and little maintenance compared with the air cushion system.     

ETFE气枕平面充气成形过程的非线性结构性能分析

对基于平面裁切的乙烯-四氟乙烯（ethylene-tetrafluoroethylene,ETFE）气枕进行充气成形试验,利用激光位移计测量气枕矢高,基于三维摄影测量得到的形状,分析了气枕膜面应力分布。采用Peirce模型模拟ETFE膜材的材料力学非线性并进行相同充气过程的数值模拟,对比分析数值模拟与实测的气枕矢高和应力分布。结果表明：Peirce模型仅在反映ETFE两个屈服点之间的应力-应变关系上有所偏差;气枕充气完成后矢高约为172mm,气枕膜面应力最大值集中于气枕中心与各边中点的连线区域;不同内压下的气枕矢高,膜面应力、应变的数值模拟结果与实测结果相对误差均在10%以内。此外,Peirce 模型数值模拟结果表明,内压为2kPa时气枕膜面出现塑性应变;膜面总应变与塑性应变最大值集中于气枕中心与各边中点连线区域。     

双弹簧支撑ETFE枕式膜结构性能研究

利用压缩弹簧代替充气形成无需充气设备的ETFE薄膜结构,采用数值分析与模型试验方法对双弹簧支撑ETFE枕式膜结构的可行性及结构性能进行研究。数值分析结果表明：膜面形状由膜面初始应力和弹簧弹力之比决定;弹簧刚度对膜面应力影响较小,增大弹簧刚度可减小膜面位移但使荷载作用下弹簧弹力的变化增大;膜面矢跨比对膜面应力影响不大,但减小矢跨比使膜面变形增大。模型试验结果表明：膜面成形可通过调整弹簧弹力完成,方法简便可靠,膜面成形精度较高;加载试验中弹簧支撑系统工作可靠,可以较好地追随并张紧膜面;支撑点处膜面应力集中不明显,试验结果与数值分析结果吻合较好。     

ETFE气囊膜形态、结构特性与材料性能试验

进行了聚偏四氟乙烯(ETFE)薄膜单向拉伸和反复荷载试验,分析了应力-应变曲线、滞回环曲线特征;根据受约束条件的力密度法找形分析方法,建立了充气膜设计分析理论,并介绍了EasyVol充气膜分析方法;通过数值算例分析,研究了ETFE气囊膜基本形态(菱形、六边形、矩形、圆形)、矢高、气压、初应力等对找形分析的影响及相互作用;进行了气囊膜在风压、风升作用下的荷载特性分析以及结构特性参数分析。该研究对ETFE气囊膜设计具有重要参考价值。     

ETFE气枕力学性能分析及其蒙皮效应研究

利用ANSYS软件对ETFE气枕结构进行找形分析,考虑预应力和内压两个控制因素,给出了三角形、四边形和六边形气枕的找形结果,并推导了四边形和圆形气枕找形的解析式。编制了计算气枕体积的MATLAB程序,并与ANSYS软件联合应用,计算了矩形气枕结构在7种荷载工况下的变形和膜面的应力分布。通过参数分析,得到了膜面应力和矢高、膜厚、矢跨比之间的关系,提出了气枕合理的膜厚、矢跨比,并给出了不同跨度气枕充压建议值,最后对ETFE气枕结构的蒙皮效应进行了研究。研究结果表明：膜面初始预应力宜介于5~8MPa;ETFE膜厚可根据气枕跨度选择单层0.2 mm或双层0.4 mm,矢跨比0.1左右,成形后膜面最大、最小应力分别位于中心区、角点区;ETFE气枕充压的初始内压介于250~1 150 MPa,充压值随跨度增大而减小;初始内压500 Pa常用尺寸（4 m×5 m矩形）的气枕,可抵抗大小与内压相当的正负风压、均布和半跨雪荷载和偶然集中荷载,但在超载工况下,需对气枕充气加压方可继续工作;ETFE气枕具有明显的蒙皮效应。     

ETFE薄膜结构积水试验与数值分析

膜结构是一种柔性结构,膜面容易发生雨水积留。针对ETFE(四氟乙烯)薄膜结构,利用ANSYS软件通过迭代计算分析了正方形平面膜面和正方形气枕膜面的积水极限承载力,考察不同跨度及矢跨比时的积水进展情况。计算结果显示,厚度为250μm的单层正方形平面膜面,跨度3m时就会发生积水破坏。对于气枕膜面,是否发生积水破坏由跨度与矢跨比决定。由两层厚度为250μm的ETFE薄膜叠合的正方形边界气枕膜面,当跨度达到5m时将发生积水破坏,跨度为4m、矢跨比达到1/8及以上时也将发生积水破坏。设计制作了3种矢跨比的ETFE薄膜气枕膜面,进行了积水承载试验,将试验结果与数值分析结果进行了对比。     

ETFE气枕式膜结构——以空气作为建筑材料的结构

通过介绍20世纪人类在充气式膜结构领域的探索,该文详细分析了ETFE气枕式膜结构这一新型充气式膜结构形式在结构体系方面的诸多优势,并且从生态可持续性领域论述了该结构体系对建设集约型社会所具有的重要意义。     

高性能ETFE膜气枕成套技术在国家游泳中心的应用

介绍了国家游泳中心ETFE充气膜结构系统的设计,高性能膜气枕的加工制作和安装施工,系统的电子监控和工程技术、施工质量的验收标准;指出这一成套技术已达国际先进水平,它的成功实践带动了该系统在我国的应用和发展.     

ETFE薄膜的材料性能及其工程应用综述

就ETFE薄膜的材料性能、在膜结构工程中的应用形式、ETFE气垫的工作原理、膜材连接方法、典型工程等进行综述