基本信息
- 项目名称：
- 膜材预张力无损检测系统的研发
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本项目为解决现有仪器因存在自重大，造价高，操作繁琐所造成的膜材预张力定量检测困难这一难题，切实确保了我国膜结构工程的精确度和安全性。项目涉及理论分析、数学建模、实验研究、仪器研制等多个方面，交叉融合了结构工程、机械工程、信息工程等多个学科，具有精密度高，体积小巧，人机交互友好等优势，有良好的市场前景和推广价值。
- 详细介绍：
- 以鸟巢，水立方为代表的膜结构建筑物在我国应用越来越广泛，膜材预张力作为维持其结构稳定性与安全性的重要因素，其检测显得至关重要。现有检测仪器因存在自重大，造价高，操作繁琐的问题尚未得到广泛推广。我国依旧采用手拍膜布的方式凭感觉进行检测，造成检测结果极不准确，使得膜结构在风雪等荷载作用下极易破坏。 鉴于此，为了帮助膜结构的精细化施工、施工成型和膜材使用阶段的检测，为防止膜结构灾变，确保我国各类膜结构工程的精确度和安全性，为制订相应的膜结构测试标准提供理论依据。本项目组开发了一套人机交互界面友好，精密度高，体积小巧的膜材预张力检测系统。 相比国内外同等产品，其优势之处在于： 在测量方法上，采用位移测试法，相比同等产品使用拉伸测试法和应变测试法，避免了对膜材表面造成的破坏，适用于施工现场测量及膜结构的日常维护，与法国法拉利公司的振动测试法相比，无需预先标定膜材与预张力的关系曲线图，通过联立方程式求解的方法，消除了膜材厚度和弹性模量对测量结果的影响，测量过程更加方便简捷，结果更加精准。 在造价方面，本项目在保证同等精度的前提下，通过多次试验，对仪器的构件在组合上进行了改良，自主研发了抽真空装置，进一步降低了造价，将成本控制在3万元左右。相比世界上同类检测仪器几十万的高昂价格，我们的仪器价格是十分合理，易于向推广市场，被大多数中小型普通建筑单位所接受。 在功能上，我们的仪器针对现有膜结构验收规范中定量测定的膜材初始预张力值困难以及检测部门对于膜材预张力没有有效检测手段的问题，以单片机为核心，利用接触式位移传感器和压力传感器，融合了结构工程，机械工程，控制工程等多个学科，在同行业中技术领先，适用于建筑织物的检测，具有很好的市场前景。解决了我国在膜材预张力定量测定困难的问题，具有广阔的市场前景和较高的经济效益。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的 解决现有仪器因自重大，造价高，操作繁琐所导致的膜材预张力定量检测困难这一难题，可确保我国膜结构工程的施工精度和安全性。 基本思路 建筑膜结构是通过对膜布施加预张力而张拉成型的，因此，只要给已张拉成型的膜布施加一外荷载作用，使该区域膜表面产生微小的面外变形，然后用接触式位移传感器测量这一微小变形，并利用不同外荷载下多次测量的变形值，输入到特定的方程组中，联立求解即可得到膜材的预张力值。 创新点 1）可进行远程监控； 2）特制单向自闭式阀门，提升装置的封闭性； 3）测量方法先进，操作简便，体积小巧，便于携带，造价低。 技术关键 1）微小变形的测量方法； 2）研究排除外力干扰的方法； 3）消除弹性模量和膜材厚度的影响； 4）研制良好的抽真空装置。 主要技术指标 1）测量箱体净重：3.0kg 2）外形尺寸: 480×120×150（单位：mm） 3）测量精度：8% 4）电机功率：320w 5）压力传感器量程：-50KPa-0Pa 6）压力传感器测量精度：0.2%FS 7）接触位移传感器测量精度：10um以下
科学性、先进性
- 欧美、日本等国家研究膜张力计较早，但多数只停留在理论研究阶段，只有较少公司研发了实物产品，如日本鹿岛公司和法国法拉利公司各自研发了膜张力计，但普遍存在测量误差大、操作繁琐、适用范围窄、价格高等缺点，使得这些产品没有得到推广。 鉴于现有的测量设备存在的问题，本系统采用新的研发思路，具有以下技术特点：1）实现了一次按键即可显示预张力值，方便快捷，人机交互界面友好。2）通过理论公式联立方程组进行计算，消除了弹性模量和膜材厚度影响，无需预先标定膜材位移与预张力关系曲线，适用于各类膜材。3）开发了远程监控系统，远程无线操作，解决了膜结构因某些区域因表面曲率过大而检测困难的问题，大大减少了检测时操作者站在膜面上产生的二次受力对检测造成的影响。 参考文献： [1]蓝天，膜结构在中国的发展及其在中国的应用前景，工程力学增刊[J].1996:292-298. [2]邓长根，一种简便实用的膜张力测量装置，钢结构与建筑业[J].2002,2(4):50-53.
获奖情况及鉴定结果
- 2011年4月获*****学校“挑战杯”课外学术科技作品竞赛科技发明类作品二等奖； 2011年5月10日获中华人民共和国知识产权局发明专利受理通知书； 2011年5月28日获第十二届“挑战杯”中国大学生课外学术科技作品竞赛**赛区科技发明类作品二等奖； 2011年6月20日获教育部科技查新工作站科技查新报告。
作品所处阶段
- 实验室阶段，在**省**市**景观膜实业发展有限公司试用。
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 1实物 2现场演示 3录像 4图片 5图纸 6磁盘
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明 将测量盒扣置于膜面待测区域上,按下工作键，系统将自动采集相应数据，通过单片机处理后，预张力值直接在显示屏上读取。 技术特点及优势 1）可进行远程监控；2）特制单向自闭式阀门，提升装置封闭性；3）测量方法先进，操作简便，体积小巧，便于携带，造价低。 适用范围 适用于膜材预张力的检测和日常维修、工程灾害检测。 推广前景的技术性说明 本仪器具有体积小巧、价格低、精度高、人机交互界面友好等特点，切实有效地解决膜材预张力现场定量测定的难题。 市场分析和经济效益预测 在国内，每年新建膜结构工程不下千项，既有工程超过万项，但研发膜材预张力测量仪器的单位不超过三家，现有产品测量精度不高或价格昂贵，无法满足施工与日常维护检修的要求。本项目研发检测系统实现了方便、快捷、准确的测量，可进行膜结构的检测与监测，具有广阔的市场前景。
同类课题研究水平概述
- 对安装完毕后的膜结构进行膜材预张力值的测定属于无损检测的范畴，国内和国外都有相关领域的机构和人员对此进行了研究，其测量原理大致可分为为拉伸法、应变测试法、位移测量法、振动频率法和波速测试法、激光测量法和摄影测量法七类。 （1）国外课题研究水平 对膜材张力测量方法的研究，国外许多发达国家要早于国内，但其研究多数只停留在理论阶段，只有极少公司提出了膜材预张力值测定方法并开发出相应的测量装置和仪器。如日本鹿岛公司和法国法拉利公司相继开发了膜张力计。 日本鹿岛公司采用的是位移法，其测量精度较高，可测膜材的经纬预张力，但是因其自重大，不便携带，且针对不同种类的膜材需预先标定膜材与位移的关系曲线，工作量大，操作繁杂，使测量装置一直停留在实验室阶段，无法在施工现场进行定量检测。 法国法拉利公司的膜张力计采用的是振动测试法，仪器体积小，操作简单，主要是通过膜材的振动频率来推算膜张力，无需破坏膜材就可以相对容易地进行测量，但因其难以设定边界条件，且难以做到分别测量经纬双向的膜张力，不具有很强的现实推广意义。 （2）国内课题研究水平 国内较早研究膜材张力测量方法的是同济大学的张其林教授，其运用的测量方法基本原理与日本鹿岛公司基本一致，但优势在于无需标定膜材与位移的关系曲线，可直接进行测量。张教授研发的成果在实验室得到的结果较好，但仪器自重较大，不便携带，使其在建筑业一直没有得到广泛应用。
