[发明专利]一种大曲率索膜结构的设计方法

权利要求书

1.一种大曲率索膜结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）对大曲率索膜结构要使用的膜材进行性能分析，以确定要选择使用的膜材；性能分析包括膜材拉伸性能分析和膜材徐变性能分析；所述膜材拉伸性能分析包括进行单轴拉伸试验；所述膜材徐变性能分析包括进行常温徐变试验，温度为30-35℃；忽略材料的瞬时应变仅考虑材料的徐变应变，徐变应变为试验任意时刻材料的应变与初始应变的差值，即：

其中，ɛ_cr为徐变应变，L(t)与ɛ(t)为t时刻材料的位移与应变；L(t₀)与ɛ(t₀)为材料在初始时刻的位移与应变；L₀为夹具间长度，为80-120mm；

（2）采用ANSYS软件对大曲率索膜结构进行找形分析，选用SHELL41单元模拟索膜结构中的膜材；

（3）通过对不同厚度的膜材在风荷载作用下的应力进行分析，选取厚度合适的膜材；

（4）优化大曲率索膜结构中的加固索网；具体包括确定结构体系、索网布置方案的选定及优化、钢索直径选择；

（5）对大曲率索膜结构进行技术验证及五金件优化；具体包括索袋优化、索夹优化、铝夹具优化、索膜支座钢构优化、张拉转接件优化；技术验证及五金件优化主要通过在现场制作1:1实体模型实现；所述索袋优化为在膜材上对应纵向钢索的位置处设置索袋，弱化索袋及钢索的印迹，使膜面形态更加接近预期造型；所述索夹优化为使用万向索夹，使交叉的纵横向钢索可以独立转动，使钢索在张拉的过程中万向索夹根据钢索受力方向及线型自由调整角度；在万向索夹底部加入柔性硅胶垫；所述铝夹具优化为依据膜材的边缘线型将铝夹具拉弯，使铝夹具线型与膜材边缘线型吻合，呈现曲线边缘效果；所述索膜支座钢构优化为将多个安装支座加工成整体的模块，以模块安装代替大量散件安装，以模块定位代替多个散件定位，同时将焊缝连接设计为螺栓连接；所述张拉转接件优化是在钢索张拉端引入万向转接头，万向转接头与索膜支座钢构连接并垂直于索膜支座钢构螺栓孔处钢板面，钢索张拉端张紧螺栓与万向转接头连接；

（6）设计膜材的合适透光率，透光率范围为75%至90%；

（7）对选择的膜材进行加工，包括建模下料和裁剪热合；所述膜材采用以乙烯-四氟乙烯共聚物为主的膜材，包括以下重量份的组分：乙烯-四氟乙烯60-75，二氧化硅25-30、二氧化钛10-12、助交联剂3-5，偶联剂5-6、二硬脂酸锌3-4、过氧化氢第三丁基 5-8、二丁基酞酸酯5-10、N,N-二甲基甲酰胺2-4；其制备方法为按重量份称取各组分，先在70℃-80℃的温度条件下将乙烯-四氟乙烯和过氧化氢第三丁基加入到密炼机中混合均匀后，继续搅拌在80℃-90℃的温度条件下反应2-3h；然后将剩余组分加入其中，均匀搅拌1-1.5h；最后经螺杆挤出机在280-300℃的温度区间内挤出，得到以乙烯-四氟乙烯共聚物为主的膜材；

建模下料前对膜结构安装支座及支座钢构的安装螺栓孔位进行高精度的复测，并将复测结果建立三维模型，在模型的基础上开展双曲面膜结构的建模及绘制加工图；采用三维扫描仪复测索膜支座钢构安装螺栓孔位，已施工完的钢结构经三维扫描生成包含安装螺栓孔位的结构实体模型，将螺栓孔位空间位置作为膜结构边缘限制条件开展膜面的具体设计；膜面设计的具体步骤如下：

1）将复测结果与设计数据比对无误后进行展膜，即将空间曲面展开为平面图形；

2）确定横索与径索的长度以及万向索夹安装的点位；

3）膜面审核，确认无误后方可出图用于下料加工下料时需要考虑膜面热合的搭接尺寸；

裁剪热合时，根据下料图对膜材进行裁剪，采用全自动膜材裁剪机进行立体裁剪，按照空间展膜后的切割曲线一次裁剪完成；膜材裁剪前先对设备进行调试，使设备处于最佳状态，裁剪完成后由质检人员对膜材尺寸进行检验，检验合格的膜材方可进入热合工序；膜材热合前先将热合平台上的灰尘擦拭干净，热合作业人员依照加工顺序，确认膜材编号、扣件编号及转角编号、准备热合的裁剪片；确认膜材重叠方向及熔接宽度，热合宽度与理论设计值之间偏差不超过±1mm；热合平台依次设置有膜材牵拉机构、热压合台以及拉伸机构；膜材牵拉机构对裁剪后的膜材进行牵拉，所述热压合台用以将膜材牵拉机构牵拉的膜材进行热压合；所述热压合台包括平铺拉伸辊以及位于所述平铺拉伸辊上方的热压平台；所述热压平台能向下运动至平铺拉伸辊上；所述拉伸机构位于所述热压合台的后方，用以配合所述热压合台来调节膜材在经过所述热压合台之后的长度；所述热压合台以及拉伸机构通过传动机构相互配合。