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「辽源膜结构」膜布局的裁剪设计与加工制造

文章出处:润霖 人气:发表时间:2019-08-01 16:06

  「辽源膜结构」膜布局的裁剪设计与加工制造


        膜布局加工制造阶段的工作内容,包括裁剪设计的原则、裁剪方法、膜材的连接、裁剪下料图及加工图、膜面加工制造的工序与质量要求等。

 

  除找形外,膜布局设计的另一大特色是需要进行裁剪设计,即在实现找形、荷载分析和构件设计(含膜材、索、支承钢布局的设计等)并获批准后,要购买膜材质,进行裁剪设计,「白山膜结构」,加工制造膜面。



         本文将就膜布局加工制造阶段的工作内容,如裁剪设计的原则、裁剪方法、膜材连接方法与接缝设计、裁剪加工图、膜面制造工序与质量要求等,展开论述。

 

  一、 膜布局裁剪设计的目的及一般原则

 

  1. 裁剪设计的目的

 

  膜布局建成后的膜面是预应力作用下的空间曲面。裁剪设计(或者称裁剪分析)的目的是用无应力、平面状态并有幅宽限制的膜材(卷材)去制造膜面,使这个膜面在张拉后符合找形所得的形状和应力分布,且膜面接缝布置雅观,膜材用料节省。
 

  2. 裁剪设计的内容与步骤

 

  膜布局裁剪设计的内容与步骤以下:


(1)在找形获得的空间膜面上布置裁剪线,将空间膜面划分成若干个空间膜条;


(2)将空间膜条展开为平面膜片


;(3)释放预应力,对平面膜片进行应变补偿(即考虑预应力释放后膜材的弹性回缩);


(4)根据以上结果,加上膜片接缝处及边角处都放量,获得平面裁剪片;给出膜材的下料图及膜面的加工图。

 

  3. 裁剪线的布置原则

 

  裁剪线是指空间膜曲面上膜条与膜条之间的连接线,也就是裁剪片与裁剪片拼接时的接缝。裁剪线的布置应遵循如下原则:


(1)雅观,有良好的视觉效果;


(2)受力机能良好,通常将裁剪线布置成与膜材的经向一致,沿膜面主应力方向;


(3)便于加工,避免裁剪线过于集中,以便利边角处;


(4)节省,即节省膜材且使接缝总长度尽可能地短。

 

  通常,裁剪线的方向就是膜材的经向,即膜材的长度方向。习惯上,圆锥形(伞形)膜面的裁剪线按经向布置,马鞍形膜面的裁剪线沿平行于高点对角线的方向布置,拱支承形膜面的裁剪线多垂直于拱的跨度方向,而脊谷式膜面的裁剪线多平行于脊谷索布置;刚性边界的膜布局,裁剪线多平行于边界支承构件,如图1 所示。设计实际工程时,不要墨守陈规。适度地改变习惯做法,有时会收到意想不到的新奇效果。

 

  4. 裁剪的应变补偿

 

  膜材裁剪时的应变补偿值(预缩量)受很多因素影响,如膜材本身的双轴拉伸机能、徐变机能、膜面应力水平、裁剪片的形状及材质经纬方向、布局尺度及支承方式、膜面热合时的收缩情况、成型时的张拉难易程度等等。应变补偿常以补偿率的模式实施。严格说来,需根据膜材在特定应力比及应力水平下的双轴拉伸试验结果,结合上述诸因素概括确定应变补偿率。

 

  需要注意的是,膜材经、纬向的应变补偿率通常是不同的,且不同的应力分区也应接纳不同的补偿率。大体上来说,常用聚氯乙烯(PVC )涂层覆盖聚酯织物的应变补偿率在0.5% 至 0.8% ;而常用聚四氟乙烯(PTFE )涂层覆盖玻璃纤维膜材的应变补偿率经向为0.5% 至1.0% ,「长春膜结构」,纬向在1.0% 至3.0%之间。

 

  二、裁剪设计的方法

 

  膜布局的裁剪分析非常初是从量测物理模型开始的,即按一定比例制造一个所期望的布局曲面模型,用一定宽度的纸、布或其余柔性材质剪成相应的形状粘贴到模型上,经反复修改,直到完全覆盖整个模型。将每个粘贴条揭下按比例放大后,再考虑应变补偿,即可得膜材的下料图。

 

  对于简略、规则的可展曲面,可直接利用几何方法将其展开并获得下料图。而对于复杂曲面,需通过计算机方法确定。当前常用的裁剪方法有测地线裁剪法(Geodesic Line Method )及平面相交裁剪法等,现分别介绍以下。

 

  1. 测地线裁剪法

 

  测地线原是个大地测量学中的概念,又称短程线,其通常被理解为:经由曲面上两点并存在于曲面上的非常短的曲线。可展曲面上的测地线在曲面展开成平面后为直线;不可展曲面上的测地线在展开后接近直线。测地线裁剪法,就是以测地线来剖分空间膜面。求曲面上的测地线的问题,实际上是一个求曲面上两点间曲线长度之泛函极值的问题

 

  用测地线概念作膜布局裁剪分析的问题之以是复杂,是由于膜布局几何外形的新奇多变。通过找形分析,所获得的是膜面上一些离散点的空间坐标,而不是空间曲面的方程,因而也就无法获得曲面上两点间曲线长度的泛函的显式。通常接纳分段线性化的方法来处理这一问题,即用求极值确定测地线上的若干点,再用线性插值的方法求中心点,「膜结构车棚」,从而求得测地线。

 

  对于一些呈球面特征的曲面或曲面区域,两端点(极点)间的测地线有无数条,即测地线并不唯一,这样就很难控制膜条的非常大宽度。文献[1] 提出了在两端点间再指定一个中心点的准测地线(Semi-Geodesic Line )方法并已经用于膜布局设计软件 EASY 中。


  测地线裁剪法的好处是接缝非常短、用料较省,但裁剪线的分布及材质经、纬方向的考虑不易把握。实际应用中,在将由两条测地线及边界围成的空间膜条展开成平面时,需指定其中的一条测地线为直线。

 

  2. 平面相交裁剪法


      平面相交裁剪法是用一组平面(通常用竖向平面)去截找形所获得的曲面,将膜面分成一个个的 “香蕉状”的膜条,以平面与空间曲面的交线作为裁剪线。平面相交裁剪法常用于对称膜面的裁剪,所获得的裁剪线比较整齐、雅观。

 

  3. 膜材的连接方法

 

  膜材的连接方法膜材的连接方法有机械连接、缝纫连接、热合连接等。机械连接简称夹接,是在两个膜片的边缘埋绳,并在其重叠位置用机械夹板将膜片连接在一起,机械连接常用于大中型布局膜面与膜面的现场拼接。缝纫连接是用缝纫机将膜片缝在一起。接纳缝纫连接时,需要注意选择缝纫用线的强度和耐久性。缝纫连接通常用于无防水要求的网状膜材布局中,或者是与热合连接同时应用在PVC 涂覆聚酯织物的边角处理上。

 

  热合连接又称焊接,是通过让膜材接触加热物体、或通过高频电磁波、或向膜材吹热空气等手法,使膜材得到相应的热量从而使织物上的涂层熔融,然后施加压力并冷却使膜片结合在一起。热合连接是非常常用的膜材连接方法。对PVC 膜材质,多用高频焊接,局部修补可用热风焊接;PTFE 及乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE) 膜材则接纳接触加热物体的高温热合方法。接缝可所以搭接,也可所以接纳“背贴条”的拼接,PTFE 膜材焊接时,需要在两层PTFE 膜材间放置氟化乙丙烯(FEP)薄膜条。有关的热合设备,

 

  4. 裁剪加工图及特殊部位的经验处理

 

  1、 裁剪加工图

 

  裁剪加工图包括膜片下料图、膜材排版图、膜面加工图三方面。膜片下料图是指考虑了应变补偿后的平面膜片图,亦即各裁剪片的平面坐标及经线方向;膜材排版图是指各裁剪片在特定幅宽膜材上的排列图,在考虑了边角放量及经纬方向后,排列尽可能紧凑以节约膜材;膜面加工图就是各裁剪片的拼装图。在加工图上,除了注明各裁剪片及接缝位置外,还需给出接缝及边角处理方式和放量、接缝方向、补强位置及局限、膜材型号及规格、接缝检测要求、包装时折叠的顺序及方向标识要求等等,如接纳自动放样及自动下料,膜片下料图以数据文件模式提供。

 

  2、特殊部位的经验处理

 

  (1)边角处理放量在膜片与膜片的连接处,因接缝需要放量;在柔性边界的膜布局中,为便利穿钢索,常将膜边放出一定的余量做成索套(cable cuff), 俗称“裤子”;在膜结点板处以及刚性边界膜布局的边界处,常接纳“绳边”(rope edge),也需在裁剪基准线外加上适当余量以便利埋绳。图8 和图9 是典型的边角处理方式及放量情况。挖弧及补强层在膜角点,一般用膜节点板并通过连接配件连接膜面与支承布局。节点板处的膜面要作“挖弧”处理;膜角处及锥形膜面的顶部等应力比较集中,常用两层或三层膜热合在一起,即作“补强层”处理
 

  (2) 特殊部位应变补偿率的调整

 

  如前所述,尽管影响膜材裁剪应变补偿值的因素许多,但实用上大多接纳百分率补偿法;计算程序一般也用输入的详细百分率对膜材的经纬向进行预缩。因为膜面上可能存在不同的应力分区,且各分区及各部位在安装时的张拉难易程度不一,对特定部位,需对其应变补偿率作出调整。

 

  对于外形为圆锥形的膜布局,在帽圈处常用圆钢板或圆环与膜面相连,安装时通常也是先将膜面固定在钢板或圆环上再顶升,因而帽圈处膜的环向应变补偿值几乎为零。同样,靠近边索处的膜在沿索的方向很难张拉,应变补偿率也需作出调整。在刚性边界的膜布局中,中心部位的膜比较容易张拉,而靠近边界处的膜张拉就比较困难,边角处的应变补偿率也宜作出适当的调整。

 

  (3) 便利安装及考虑防水或雅观的一些构造

 

  考虑到安装的便利,除了将膜面进行必要的分块之外,还可以在膜面上特定部位焊接一些“搭扣”(lifting tape ),以便利吊装及张拉,在张拉实现后再将其剪去。 第一道接缝处为便利吊装而焊接的连续搭扣即为一例。出于防水或雅观的考虑,也可在膜面适当部位焊接一些用于覆盖用的膜片,通常,膜面的加工制造包含如下工序:



(1)准备工作,包括技术准备、场地及设备准备、膜材质进场检测等;


(2)放样、排版与下料;


(3)热合试验;


(4)热合加工;


(5)边角处理;


(6)清洗、包装。

 

   膜面加工的技术准备及场地要求膜面加工的技术准备工作,主要是阅读、领会设计图纸(包括布局外形图及膜面下料、加工,查看相关数据文件;如为人工下料,需对制造人员进行技术交底。加工厂地需平整、无尘,温度、湿度适宜;加工设备保养良好

 

  膜材的进场检测主要包括表面检查和物理机能检测两方面。表面检查主要是检查膜面色泽是否一致、有无斑点、小孔等,一般通过目测结合专用灯箱进行,参见图3及图4。待用膜材的品牌与型号应与设计图纸一致,并为同一批号(不同批号的膜材色泽会有差异);要求无直径2 mm 以上的油污、瑕疵,无直径1 mm 以上的针孔,色泽均匀一致。

 

  物理机能检测主要是检测厚度、重量、抗拉强度及撕裂强度等,检测结果应不低于膜材机能表所列指标。因为各国的检测方法不一致,检测结果也会有出入。膜材进场时可对各项技术指标进行抽检,并检查膜材出厂时的材质检测报告和质量保证书。当抽检数据与出厂检测报告出入较大时,应通知膜材供应商并取样送权威检测机构检测、鉴定。

 

  3、放样、排版与下料

 

  放样有自动放样与手工放样之分,取决于加工场商的设备情况。自动放样是将包含各膜片X、Y 坐标的数据文件输入电脑,经排版、优化后打印在膜布上或直接由电脑控制的切割机将膜布裁剪成片。当接纳手工放样时,通常要先做出1:1 的纸样,再将纸样放置在膜布上排版,非常后划线、下料,参见图5至图8。手工放样、下料的精度应控制在+/-2 mm 以内。
 

  4、热合试验与焊接加工
 

  在正式进行焊接加工前,需进行热合试验以便为热合加工提供参数依据。试验样条的抗拉强度应不低于其母材强度的80%。在焊接加工过程中,也需定时试验并记录结果,以便随着环境温、湿度的变化及加工部位的不同,随时修正相关技术参数。
 

  正式加工时,先将膜片在接缝处对齐,检查膜材的正反面及接缝顺序是否正确;洁净待焊区域;如为PVC 膜材拼接接缝放置“背贴条”,如为PTFE 膜材需在接缝处两层膜片间放置EFP 条;根据热合试验所获得的参数进行加工。非常后根据设计图纸对边角进行诸如埋绳、焊接穿钢索的“裤子”(cable cuff)及补强处理。
 

  热合时宜接纳张拉焊接(tension weld),即要对待焊区域的膜材施加一定的预张力,以减小因热合造成的膜材收缩、改善张拉成型后焊缝处的应力状态。
 

  5、包装
 

  设计者需根据施工现场及安装设备等情况,确定膜面的展开方向及折叠包装的顺序,加工好的膜面在两面清洗后,按指定要求进行折叠包装。为防止在膜外观留下明显折痕,PTFE 成品膜在折叠时应衬入圆纸筒,ETFE 成品膜不能折叠,需放置在专用保护容器中。软质包装袋上应标识好展开方向,再加木箱包装以便利运输。
 

  6、附件的设计与加工
 

  与裁剪关系密切的附件设计主要包括用于膜角的膜节点板设计、连接件选用及边索长度的确定等等。膜节点板的设计主要涉及模式、大小、角度、连接孔及安装孔的位置及大小、板厚、膜与节点板的连接方式以及边索与结节板的连接设计等内容。设计时,根据膜面形状及膜角处的应力大小确定其底子几何参数,验算抗拉强度、局部承压及焊缝长度等等,并由此计算连接件及边索长度。膜节点板应简洁、角度准确、传力顺畅。膜节点板常用钢板制造、热镀锌处理或以不锈钢材质



 

此文关键字:膜结构,张拉膜,膜结构车棚,膜结构景观

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