CN101865754B - 一种复合材料层合板气密性检测方法 - Google Patents

Abstract

一种复合材料层合板气密性检测方法，属于气密性检测仪器领域，解决现有复合材料压力容器的气密性检测方法是对成品压力容器进行高压气密测试，存在测试成本高，检测过程繁琐，检测周期长的问题。装置包括第一半模、第二半模、第一气密性阀门、第二气密性阀门、第一气压检测计和第二气压检测计，第一半模与第二半模端面密封，第一半模上安装有第一气压检测计，第二半模上安装有第二气压检测计，第一半模的入气口通过导管与第一气密性阀门的一端连通，第一气密性阀门的另一端通过导管与高压气源连通，第二半模的出气口通过导管与第二气密性阀门的一端连通。渗透率

本发明实现了低成本、短周期的检测复合材料层合板气密性，用于复合材料层合板的气密性检测。

Description

一种复合材料层合板气密性检测方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料层合板气密性检测方法，属于气密性检测仪器领域。

背景技术

复合材料压力容器是航天飞行器贮存液体或气体燃料的重要设备。对于复合材料压力容器而言，其性能受加工工艺影响较大。压力容器在使用过程中，由于受到各种外界载荷的共同作用，复合材料易发生破裂，容器强度将明显降低。为了测量样品性能，检验设计的可靠性，应该模拟压力容器在实际应用中可能遇到的种种情况，对样品进行性能测试。在压力容器的各种性能指标中，气密性是评价其性能最重要的指标之一，它决定了压力容器的极限承载能力。目前国际通用的压力容器气密性检测标准是水压试验和压力容器爆破试验。

根据GB9251《气瓶水压试验方法》和GB6058-85《纤维缠绕压力容器制备和内压试验方法》的规定，水压试验是在容器完成纤维碳纤维增强层缠绕后，对容器逐一进行逐级加载水压试验，每隔10MPa进行一次应变采集。加压时保持上升速率不变，试验上限压力为1.5倍工作压力，保压一定时间后，通过外测法，测量容器变形率。

根据GB15385-1994《气瓶水压爆破试验方法》和美国DOT标准，压力容器爆破试验指的是通过高压泵向密封压力容器内部注水并逐级以相同升压速率加载，直到压力容器破坏。

目前对复合材料压力容器的气密性检测方法是对成品压力容器进行高压气密测试，测试成本高，检测过程繁琐，周期长。

发明内容

本发明的目的是解决现有复合材料压力容器的气密性检测方法是对成品压力容器进行高压气密测试，存在测试成本高，检测过程繁琐，检测周期长的问题，提供了一种复合材料层合板气密性检测方法。

本发明是通过下述方案予以实现的：一种复合材料层合板气密性检测方法，它基于一种复合材料层合板气密性检测装置实现，该装置包括第一半模(1)、第二半模(2)、第一气密性阀门(3)、第二气密性阀门(4)、第一气压检测计(5)和第二气压检测计(6)，第一半模(1)与第二半模(2)端面密封，第一半模(1)的内腔与第一气压检测计(5)连通，第二半模(2)的内腔与第二气压检测计(6)连通，第一半模(1)的入气口通过导管与第一气密性阀门(3)的一端连通，第一气密性阀门(3)的另一端通过导管与高压气源连通，第二半模(2)的出气口通过导管与第二气密性阀门(4)的一端连通，

通过测量渗透气体体积来计算层合板气体渗透率

的过程如下：

首先，计算第二半模与待测试件之间形成的密封腔中气体体积变化率V_r：

$V_r=\frac{P_{2}V}{P_{0}t}$

其中，P₂为第二半模与待测试件之间形成的密封腔中气压值，单位：Pa；P₀为环境大气压，单位：Pa；V为第二半模与待测试件之间形成的密封腔的体积，单位：m³；t为渗透时间，单位：s；

之后，通过第二半模与待测试件之间形成的密封腔中气体体积变化率V_r，采用理想气体状态方程计算气体分子扩张速率GTR：

$\mathrm{GTR}=\frac{P_0\·V_r}{\mathrm{ART}}$

其中，A为待测试件的渗透面积，单位：m²；R为通用气体常数，R＝8.3143×10³LPa/mol·K；T为环境温度，单位：K。

最后，将P定义为气体分子扩张速率和试样厚度方向上两侧压力差之间的比值，则P为：

$P=\frac{\mathrm{GTR}}{P_1-P_2}$

其中，P₁为第一半模与待测试件之间形成的密封腔中气压值，单位：Pa；

那么，待测试件的渗透率

为：

$\stackrel{\‾}{P}=\mathrm{Ph}$

其中，h为待测试件的厚度，单位：m。

本发明提供了一种复合材料层合板气密性检测装置，采用本发明所述的装置检测待测试件气密性时，将待测试件水平放置在第一半模与第二半模所形成的密封腔内，待测试件将所述密封腔一分为二，打开第一气密性阀门，关闭第二气密性阀门，开启高压气源，并输出载荷气体，当第一半模与待测试件所形成的密封腔内的气压达到一定值时，关闭第一气密性阀门，经过一段时间渗透后，分别读取第一气压检测计和第二气压检测计所显示的气压值并计算当前复合材料层合板待测试件的气体渗透率。

通过测量渗透气体体积来计算层合板气体渗透率

的过程如下：

首先，计算第二半模与待测试件之间形成的密封腔中气体体积变化率V_r：

$V_r=\frac{P_{2}V}{P_{0}t}$

其中，P₂为第二半模与待测试件之间形成的密封腔中气压值(单位：Pa)；P₀为环境大气压(单位：Pa)；V为第二半模与待测试件之间形成的密封腔的体积(单位：m³)；t为渗透时间(单位：s)。

之后，通过第二半模与待测试件之间形成的密封腔中气体体积变化率V_r，采用理想气体状态方程计算气体分子扩张速率GTR(Gas transmission rate)：

$\mathrm{GTR}=\frac{P_0\·V_r}{\mathrm{ART}}$

其中，A为待测试件的渗透面积(单位：m²)；R为通用气体常数(R＝8.3143×10³LPa/mol·K)；T为环境温度(单位：K)。

最后，将P定义为气体分子扩张速率和试样厚度方向上两侧压力差之间的比值，则P为：

$P=\frac{\mathrm{GTR}}{P_1-P_2}$

其中，P₁为第一半模与待测试件之间形成的密封腔中气压值(单位：Pa)。

那么，待测试件的渗透率

为：

$\stackrel{\‾}{P}=\mathrm{Ph}$

其中，h为待测试件的厚度(单位：m)。

本发明所述的高压气源输出的载荷气体为干燥清洁的压缩气体，所述的载荷气体为O₂或N₂。

本发明所述的第一半模与待测试件所形成的密封腔内的气压所达到的一定值为6MPa、8MPa、10MPa或12MPa。

本发明所述的第一气压检测计用于检测第一半模与待测试件之间形成的密封腔中气压值；所述的第二气压检测计用于检测第二半模与待测试件之间形成的密封腔中气压值。

现有技术中，采用水压试验或是压力容器爆破试验，测量一次需要一周左右，而且会对试验对象造成一定的影响，试验成本高。而采用本发明所述的装置进行测量，仅需要3-4天就可以完成，对实验对象无任何性能影响，大大减低试验成本。

本发明所述的一种复合材料层合板气密性检测装置结构设计简单，能在材料制备阶段实现对材料性能的测试，测试过程简单。

附图说明

图1是具体实施方式一中所述的一种复合材料层合板气密性检测装置的结构示意图；图2是第一半模的剖面图；图3是第二半模的剖面图；图4是第一半模的与第二半模配合的端面上设置有第一密封圈的连接示意图；图5是第二半模的与第一半模配合的端面上设置有第二密封圈及第三密封圈的连接示意图；图6是具体实施方式六中所述的一种复合材料层合板气密性检测装置的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1具体说明本实施方式。一种复合材料层合板气密性检测装置，它包括第一半模1、第二半模2、第一气密性阀门3、第二气密性阀门4、第一气压检测计5和第二气压检测计6，第一半模1与第二半模2端面密封，第一半模1的内腔与第一气压检测计5连通，第二半模2的内腔与第二气压检测计6连通，第一半模1的入气口通过导管与第一气密性阀门3的一端连通，第一气密性阀门3的另一端通过导管与高压气源连通，第二半模2的出气口通过导管与第二气密性阀门4的一端连通。

本实施方式提供了一种复合材料层合板气密性检测装置，采用本实施方式所述的装置检测待测试件气密性时，将待测试件水平放置在第一半模1与第二半模2所形成的密封腔内，待测试件将所述密封腔一分为二，打开第一气密性阀门3，关闭第二气密性阀门4，开启高压气源，并输出载荷气体，当第一半模1与待测试件所形成的密封腔内的气压达到一定值时，关闭第一气密性阀门3，经过一段时间渗透后，分别读取第一气压检测计5和第二气压检测计6所显示的气压值并计算当前复合材料层合板待测试件的气体渗透率。

通过测量渗透气体体积来计算层合板气体渗透率

的过程如下：

首先，计算第二半模2与待测试件之间形成的密封腔中气体体积变化率V_r：

$V_r=\frac{P_{2}V}{P_{0}t}$

其中，P₂为第二半模2与待测试件之间形成的密封腔中气压值(单位：Pa)；P₀为环境大气压(单位：Pa)；V为第二半模2与待测试件之间形成的密封腔的体积(单位：m³)；t为渗透时间(单位：s)。

之后，通过第二半模2与待测试件之间形成的密封腔中气体体积变化率V_r，采用理想气体状态方程计算气体分子扩张速率GTR(Gas transmission rate)：

$\mathrm{GTR}=\frac{P_0\·V_r}{\mathrm{ART}}$

其中，A为待测试件的渗透面积(单位：m²)；R为通用气体常数(R＝8.3143×10³L Pa/mol□K)；T为环境温度(单位：K)。

最后，将P定义为气体分子扩张速率和试样厚度方向上两侧压力差之间的比值，则P为：

$P=\frac{\mathrm{GTR}}{P_1-P_2}$

其中，P₁为第一半模1与待测试件之间形成的密封腔中气压值(单位：Pa)。

那么，待测试件的渗透率

为：

$\stackrel{\‾}{P}=\mathrm{Ph}$

其中，h为待测试件的厚度(单位：m)。

本实施方式所述的高压气源输出的载荷气体为干燥清洁的压缩气体，所述的载荷气体为O₂或N₂。

本实施方式所述的第一半模1与待测试件所形成的密封腔内的气压所达到的一定值为6MPa、8MPa、10MPa或12MPa。

本实施方式所述的第一气压检测计5用于检测第一半模1与待测试件之间形成的密封腔中气压值；所述的第二气压检测计6用于检测第二半模2与待测试件之间形成的密封腔中气压值。

现有技术中，采用水压试验或是压力容器爆破试验，测量一次需要一周左右，而且会对试验对象造成一定的影响，试验成本高。而采用本实施方式所述的装置进行测量，仅需要3-4天就可以完成，对实验对象无任何性能影响，大大减低试验成本。

本方式所述的一种复合材料层合板气密性检测装置结构设计简单，能在材料制备阶段实现对材料性能的测试，测试过程简单。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的一种复合材料层合板气密性检测装置的区别在于，所述的第一半模1由第一带孔圆盘11、第一短管12、第一法兰13构成，第一带孔圆盘11与第一短管12的一个端面连接为一体，第一短管12的另一个端面与第一法兰13的一个端面连接为一体；所述的第二半模2由第二带孔圆盘21、第二短管22、第二法兰23构成，第二带孔圆盘21与第二短管22的一个端面连接为一体，第二短管22的另一个端面与第二法兰23的一个端面连接为一体；第一法兰13与第二法兰23连接。

本实施方式所述的第一带孔圆盘11与第一短管12的一个端面焊接为一体，所述的第一短管12的另一个端面与第一法兰13的一个端面焊接为一体。

本实施方式所述的第一法兰13与第二法兰23通过螺栓或其他技术手段使其紧固。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二所述的一种复合材料层合板气密性检测装置的区别在于，它还包括第一密封垫圈71，所述第一半模1的与第二半模2配合的端面上设置有第一密封圈71。

本实施方式所述的第一密封垫圈71的外直径为35mm，厚度为3.5mm。

测试时，待测试件水平放置于第一半模1与第二半模2所形成的密封腔内，采用本实施方式所述的第一密封垫圈71使得待测试件与第一半模1的密封效果更好，防止由于待测试件与第一半模1之间存在缝隙而导致的载荷气体的泄露。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三所述的一种复合材料层合板气密性检测装置的区别在于，它还包括第二密封垫圈72及第三密封垫圈73，所述第二半模2的与第一半模1配合的端面上同心设置有第二密封垫圈72及第三密封垫圈73。

本实施方式所述的第二密封垫圈72的外直径为35mm，厚度为3.5mm；采用本实施方式所述的第二密封垫圈72使得待测试件与第二半模2的密封效果更好，防止由于待测试件与第二半模2之间存在缝隙而导致的载荷气体的泄露。

本实施方式所述的第三密封垫圈73的外直径为55mm，厚度为3.5mm；本实施方式所述的第三密封垫圈73的应用使得第一半模1与第二半模2的配合更紧密。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四所述的一种复合材料层合板气密性检测装置的区别在于，所述的第一气压检测计5及第二气压检测计6为机械式气压检测计或数字式气压检测计。

采用本实施方式所述的机械式气压检测计或数字式气压检测计能够清楚准确的读取该气压检测计所处的密封腔内的气压的变化。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一、二、三或五所述的一种复合材料层合板气密性检测装置的区别在于，它还包括检漏仪8，第二气密性阀门4的另一端通过导管与检漏仪8连通。

采用本实施方式所述的装置检测待测试件气密性时，将待测试件水平放置在第一半模1与第二半模2所形成的密封腔内，待测试件将所述密封腔一分为二，打开第一气密性阀门3，打开第二气密性阀门4，开启高压气源，并输出载荷气体，当第一半模1与待测试件所形成的密封腔内的气压达到一定值时，关闭第一气密性阀门3，经过一段时间渗透后，利用检漏仪8进行气体渗漏情况测量。

本实施方式所述的检漏仪8用于显示检测到渗漏和测量渗漏量数据。

本实施方式所述的检漏仪8为氦检漏仪，因此要求，高压气源输出的载荷气体中混入氦气。

Claims (7)

1.一种复合材料层合板气密性检测方法，它基于一种复合材料层合板气密性检测装置实现，该装置包括第一半模（1）、第二半模（2）、第一气密性阀门（3）、第二气密性阀门（4）、第一气压检测计（5）和第二气压检测计（6），第一半模（1）与第二半模（2）端面密封，第一半模（1）的内腔与第一气压检测计（5）连通，第二半模（2）的内腔与第二气压检测计（6）连通，第一半模（1）的入气口通过导管与第一气密性阀门（3）的一端连通，第一气密性阀门（3）的另一端通过导管与高压气源连通，第二半模（2）的出气口通过导管与第二气密性阀门（4）的一端连通，其特征是：

通过测量渗透气体体积来计算层合板气体渗透率

的过程如下：

首先，计算第二半模与待测试件之间形成的密封腔中气体体积变化率V_r：

$V_r=\frac{P_{2}V}{P_{0}t}$

其中，P₂为第二半模与待测试件之间形成的密封腔中气压值，单位：Pa；P₀为环境大气压，单位：Pa；V为第二半模与待测试件之间形成的密封腔的体积，单位：m³；t为渗透时间，单位：s；

之后，通过第二半模与待测试件之间形成的密封腔中气体体积变化率V_r，采用理想气体状态方程计算气体分子扩张速率GTR：

$\mathrm{GTR}=\frac{P_0\·V_r}{\mathrm{ART}}$

其中，A为待测试件的渗透面积，单位：m²；R为通用气体常数，R=8.3143×10³LPa/mol·K；T为环境温度，单位：K；

最后，将P定义为气体分子扩张速率和试样厚度方向上两侧压力差之间的比值，则P为：

$P=\frac{\mathrm{GTR}}{P_1-P_2}$

其中，P₁为第一半模与待测试件之间形成的密封腔中气压值，单位：Pa；

那么，待测试件的渗透率

为：

$\stackrel{\‾}{P}=\mathrm{Ph}$

其中，h为待测试件的厚度，单位：m。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料层合板气密性检测方法，其特征在于：所述的第一半模（1）由第一带孔圆盘（11）、第一短管（12）、第一法兰（13）构成，第一带孔圆盘（11）与第一短管（12）的一个端面连接为一体，第一短管（12）的另一个端面与第一法兰（13）的一个端面连接为一体；所述的第二半模（2）由第二带孔圆盘（21）、第二短管（22）、第二法兰（23）构成，第二带孔圆盘（21）与第二短管（22）的一个端面连接为一体，第二短管（22）的另一个端面与第二法兰（23）的一个端面连接为一体；第一法兰（13）与第二法兰（23）连接。

3.根据权利要求2所述的一种复合材料层合板气密性检测方法，其特征在于：所述装置还包括第一密封垫圈（71），所述第一半模（1）的与第二半模（2）配合的端面上设置有第一密封垫圈（71）。

4.根据权利要求2或3所述的一种复合材料层合板气密性检测方法，其特征在于：所述装置还包括第二密封垫圈（72）及第三密封垫圈（73），所述第二半模（1）的与第一半模（2）配合的端面上同心设置有第二密封垫圈（72）及第三密封垫圈（73）。

5.根据权利要求4所述的一种复合材料层合板气密性检测方法，其特征在于：所述的第一气压检测计（5）及第二气压检测计（6）为机械式气压检测计或数字式气压检测计。

6.根据权利要求1、2或3所述的一种复合材料层合板气密性检测方法，其特征在于：所述装置还包括检漏仪（8），第二气密性阀门（4）的另一端通过导管与检漏仪（8）连通。

7.根据权利要求5所述的一种复合材料层合板气密性检测方法，其特征在于：所述装置还包括检漏仪（8），第二气密性阀门（4）的另一端通过导管与检漏仪（8）连通。

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