自然环境老化ETFE薄膜单轴拉伸力学性能研究

ETFE薄膜在自然环境老化后的力学性能是ETFE结构长期使用性能评价的基础。选取在室外自然环境长期使用后的ETFE薄膜,开展了微观形貌表征和宏观力学性能试验,采用能量法确定了自然环境老化ETFE薄膜的屈服点及弹性模量,基于数理统计分析了材料力学参数标准值。研究结果表明,自然环境老化作用使ETFE薄膜材料表面微观形貌粗糙,截面褶皱纹理密集,晶粒尺寸增大了7.8%。老化ETFE薄膜破断强度下降显著,屈服应力及弹性模量降低较大,其标准值为11.73、703.2 MPa,降低了14.9%、13.5%。研究扩展了ETFE薄膜材料力学的研究范畴,可为准确评估ETFE结构长期使用性能提供重要的力学参数。

ETFE薄膜循环拉伸试验及徐变试验

分别在弹性阶段、屈服阶段和塑性流动阶段进行ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)薄膜循环拉伸试验,考察残余应变、应力松弛、加载和卸载中ETFE薄膜弹性的变化.在材料徐变试验中,采用了25,40和60℃的试验温度以及3,6和9 MPa的拉伸应力,试验时间为24 h.结果表明,常温且拉伸应力在6 MPa以下时材料的徐变量较小且徐变发生缓慢,40℃以上或拉伸应力达9 MPa时材料将产生明显徐变,且徐变呈持续发展趋势.

ETFE薄膜单向拉伸性能

对3种厚度的ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)薄膜沿MD及TD方向裁取的试样进行了单向拉伸试验,得到了相应的应力-应变拉伸曲线、抗拉强度及断裂延伸率.通过分析,给出了确定拉伸曲线上2个刚性转折点的方法,由此得到了对应于转折点的屈服应力和应变;给出了ETFE薄膜弹性模量的计算方法,并由拉伸曲线计算得到了切线弹性模量、割线弹性模量、第二和第三弹性模量;借助高精度数字照相方法,测定了ETFE薄膜的泊松比.结果表明,试验中采用的ETFE薄膜材料沿MD及TD方向的单向拉伸特性基本相同.

拉伸速度对ETFE薄膜力学性能的影响

对厚度为250μm的长条形ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)薄膜试样进行了6种定速(应变速率分别为10%/min,25%/min,50%/min,100%/min,200%/min,500%/min)单向拉伸试验,得到了相应的抗拉强度、断裂延伸率、屈服应力以及弹性模量等力学参数的变化规律.结果表明:ETFE薄膜的抗拉强度随拉伸速度的增加略有增加,而断裂延伸率随拉伸速度的增加略有减小;ETFE薄膜的屈服强度随拉伸速度的增加而有所增加,但第二屈服强度增加不大;ETFE薄膜的屈服应变随拉伸速度的增加略有增加,第二屈服应变则略有减少;ETFE薄膜的切线弹性模量以及第二弹性模量随拉伸速度的增加呈下降趋势,割线弹性模量和第三弹性模量则没有明显的变化.通过分析,给出了以应变速率对数为变量的线性拟合公式,可用于计算在不同应变速率下ETFE薄膜的相关力学参数.

ETFE薄膜单轴循环拉伸力学性能

对6组250μm厚乙烯-四氟乙烯(ethylene-tetrafluoroethylene,ETFE)薄膜进行了不同应力幅值单轴循环拉伸试验.利用自编MATLAB程序分析了试验所得应力-应变曲线,得到了循环弹性模量、屈服应力、棘轮应变以及滞回环面积等力学性能参数;分别建立了循环弹性模量、棘轮应变和滞回环面积与循环次数的关系式.试验和分析结果表明:随着循环次数的增加,循环弹性模量、棘轮应变和滞回环面积的变化率逐渐减小,分别近似稳定于13,14,14次循环.

ETFE薄膜单轴和双轴拉伸试验与分析

采用乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)薄膜哑铃形试件,进行单轴拉伸试验,得到了工程中常用的ETFE薄膜的力学参数(屈服强度、屈服应变、切线模量和割线模量);在考虑ETFE薄膜粘弹塑性效应特征的前提下,应用应变能等效的方法计算ETFE薄膜等效弹性模量,结果表明计算得到的等效弹性模量介于切线模量和割线弹性模量之间.研制了一种专用于ETFE薄膜双轴拉伸试验的装置,并进行了系列试验;基于正交异性薄膜理论推导出薄膜双向解耦的独立弹性常数计算列式.根据ETFE薄膜双轴拉伸应力-应变曲线,求得厚度为250μm的ETFE薄膜在双边应力比为1:1的工况下的耦合模量为1163 MPa;由正交异性理论计算得该薄膜的解耦模量为814.2 MPa,与单轴拉伸试验得到的等效弹性模量相近.

双轴拉伸下ETFE薄膜材料力学性能

对两种厚度的ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)薄膜进行了5组应力比的双轴拉伸试验,得到其应力-应变曲线.计算了ETFE薄膜的折算应力,检验了Mises屈服准则的适用性,得到了双轴拉伸情况下的弹性模量及泊松比,并与单轴拉伸数据进行了对比分析.结果表明:ETFE薄膜双向受力时符合Mises屈服准则;双轴弹性模量及泊松比与单轴数据接近.

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膜材泊松比对膜结构变形的影响分析

研究了ETFE膜材波松比对经纬向张力比处于1-0.5之间的三种膜结构变形的影响。首先根据正交异性弹性薄膜理论推导出ETFE膜材泊松比计算公式,利用自制双向张拉设备对ETFE膜材泊松比进行了测试。通过数值模拟对比分析了泊松比与弹性常数对经纬向张力比处于1-0.5之间膜结构充气变形的影响。分析表明经纬向张力比为1膜结构波松比的变化对结构变形影响较小,而弹性模量变化对结构变形影响明显。对于经纬向张力比处于1-0.5之间的充气管与飞艇外形的膜结构波松比变化对变形的影响大于弹性模量。针对张力比不同膜结构的泊松比合理取值给出建议。提出的膜材泊松比取值方法对膜结构工程设计有参考价值。

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。

ETFE薄膜材料

ETFE薄膜材料是一种新型的建筑膜材,具有透光率高、耐久性好、自洁性能优异等特点,在植物园、游泳馆、体育场等大跨度建筑中得到越来越多的应用。本文对ETFE薄膜材料性能作了简单的介绍,对材料特点作了描述,为ETFE薄膜建筑提供材料方面的基本信息。

框式ETFE膜结构幕墙的性能分析

ETFE材料重量轻、透光率高、自洁性好、具有阻燃性,是一种可用于建筑围护系统中的新型建筑薄膜材料。根据支撑结构的不同,ETFE幕墙可分为框式薄膜幕墙和点支式薄膜幕墙。运用ANSYS软件对5个框式幕墙模型进行找形和荷载分析,结果表明:幕墙受荷膜面最大应力与荷载值基本呈线性变化关系;跨度为2m的ETFE幕墙的可用高度可以达到100m。

有色ETFE薄膜光热性能试验研究

为满足建筑设计要求,有色ETFE薄膜被研制并应用于现代大型公共建筑。然而,作为一种新材料,有色ETFE薄膜的性能研究相对有限,特别是ETFE薄膜典型的光热性能特征。从实际工程应用出发,代表性地以成都农博园所采用的9种有色ETFE薄膜和1种无色透明ETFE薄膜为试验对象,对其透光性能和热工性能进行试验测试。首先使用紫外–可见–近红外分光光度计测量试验薄膜在太阳辐射波段内的透射率和反射率,通过对比有色ETFE薄膜与无色透明ETFE薄膜太阳辐射曲线的走势和波动,分析了有色ETFE薄膜与无色透明ETFE薄膜的透光性能和热辐射性能在太阳光波段内的变化,计算并获得了试验薄膜的可见光透过率和太阳辐射系数。采用激光散射法测试试验薄膜的热传导性能,计算得到室温条件下试验薄膜的导热系数和热阻。总结不同颜色ETFE薄膜的光热性能参数变化规律,并与无色透明ETFE薄膜进行比较,结果发现:1)在紫外光区,有色ETFE薄膜的透射率和反射率均处于较低水平(合计不超过30%),有色ETFE薄膜对紫外线的吸收能力强,实际使用中应注意有色ETFE薄膜的老化问题。2)有色ETFE薄膜的可见光透过率和太阳辐射透射系数均低于无色透明ETFE薄膜,导热系数略低于无色透明ETFE薄膜,太阳辐射吸收系数及相同厚度下的薄膜热阻均大于无色透明ETFE薄膜。3)影响有色ETFE薄膜可见光透过率、太阳辐射系数的主要因素是薄膜颜色的深浅,薄膜颜色越浅,其可见光透过率越大,太阳辐射透射系数越大,吸收系数越小;随着薄膜颜色加深,薄膜对太阳光的吸收能力逐渐增加,透射系数和反射系数相对处于较低水平。4)影响有色ETFE薄膜热阻的主要因素是薄膜厚度;相同厚度下,有色ETFE薄膜热阻高出无色透明ETFE薄膜7%~14%。研究结果表明,使用有色ETFE薄膜作为建筑围护结构,能增加围护结构对太阳辐射的反射和吸收作用,并在一定程度上阻挡热量传导,减少室内光照过度及夏季过热问题。

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。

ETFE薄膜材料参数设计值研究

乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)薄膜结构设计方法与设计参数研究相对滞后,国内外均未正式发布相关设计规范。分别对厚度为80、100、200、250、300μm的ETFE薄膜共计307个试样进行单轴拉伸试验,得到第一屈服点、第二屈服点及抗拉极限点的应力、应变以及各弹性模量的统计值。根据ETFE薄膜的材性及其结构受力特性,确定了单层张拉式和气枕式结构的ETFE薄膜强度标准值,得到了ETFE薄膜的材性不定性统计参数和几何不定性统计参数。根据结构抗力不定性及荷载不定性统计参数,计算并确定了ETFE薄膜单层张拉式以及气枕式结构在风荷载、雪荷载组合时的材料抗力分项系数与强度设计值的建议值。给出了ETFE薄膜弹性模量和泊松比建议值。

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。

论采用新型建材的建筑工程造价的确定原则

在项目建设中,材料的选择直接影响着工程造价,尤其是新型建筑材料的投入往往会使工程造价大幅度增减。以降低项目的风险和控制项目的投资为目的,结合新型建筑材料的特点和建筑材料费用确定的一般方法,论述了建筑工程中应用新型建筑材料的工程造价原则,并以目前新型建材——ETFE膜材料及其典型应用工程为例进行了具体的说明,具有一定的理论和实用价值。

ETFE膜材的性能及在建筑工程中的应用

本文介绍了ETFE薄膜的材料性能,分析了ETFE气囊的工作原理,以及ETFE薄膜和气囊在建筑工程中的应用形式。此外，本文也对近年来采用EWE薄膜和气囊的几个著名工程作了简要的介绍。

乙烯-四氟乙烯共聚物薄膜单向拉伸性能及黏塑性本构模型

对厚度为250μm的长条形ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)薄膜试样进行了8种定速(拉伸速度由极慢的1mm/min到极快的500mm/min)单向拉伸试验,得到了相应的应力应变曲线、屈服强度、弹性模量等参数随拉伸速率的变化规律.结果表明:ETFE薄膜的屈服强度和屈服应变随拉伸速率的增加而增加;ETFE薄膜的切线、割线弹性模量,以及基于应变能和应变余能的等效弹性模量随拉伸速率的增加而增大,3种弹性模量之间的差值也随拉伸速率的增加而增大.对上述应力应变曲线进行分析,提出了ETFE膜材的黏塑性本构模型(Peirce模型),并在有限元分析软件ANSYS中进行了数值模拟,其结果与试验得出的应力应变曲线吻合较好.

柔性薄膜太阳能电池与乙烯-四氟乙烯薄膜复合材料电-热-力性能试验研究

为了研究不同乙烯-四氟乙烯(ethylene tetrafluoroethylene,ETFE)薄膜光伏一体化形式的电-热-力性能,在日照辐射强度为1000 W/m2的光照条件下,分别对ETFE衬底的柔性薄膜太阳能电池(S1试件)及双层ETFE覆膜的单条柔性薄膜太阳能电池试件(S2试件)进行单轴拉伸试验,得到了应力-应变曲线、温度及电压变化曲线并分析了电-热-力性能之间的相互作用现象。试验结果表明:S1试件的屈服应力为20.2 MPa,弹性模量为1110 MPa,开路电压存在明显的下降突变点,试件S1的破坏原因是膜材断裂;S2试件在试验过程中电池条出现滑移现象,屈服应力为6.6 MPa,弹性模量为715 MPa。当拉伸至应变为10%时,电压波动较大直至降为0 V,与试件S1相比,试件S2电-热-力性能之间的相互影响较为显著。