CN102128786A - 高静水压力下浮力材料的体积收缩率测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高静水压力下浮力材料的体积收缩率测试方法，步骤如下：试验前的安装工作：根据被测浮力块的体积换算所需压载块的重量，将浮力块和压载块固定到试验工装上；贴应变片：在浮力块各表面的不同位置粘贴应变片，连接各应变片与水面监视器之间的电路；加压试验：将试验工装吊放入压力筒，安照预定的试验要求进行加压，通过水面监视器获取浮力块在不同压力条件下的一系列应变值；试验数据处理：根据获得的应变值，通过体积收缩率等于三倍应变值，换算得到浮力块在不同试验压力下的体积收缩率。本发明直接测得浮力材料块在不同压力条件下的应变值，进而换算得到浮力材料块在不同试验压力下的体积收缩率，可降低试验成本，提高试验精度。

Description

高静水压力下浮力材料的体积收缩率测试方法

技术领域

本发明涉及一种测试方法，具体涉及测试应用于深海潜水器(HOV、ROV、AUV、ARV)、拖体、水中兵器、悬浮于水中的浮缆和浮标，以及水下运动体等水下产品的浮力材料的体积收缩率的方法。

背景技术

在高静水压力条件下(水深≥6500米)浮力材料的浮力损失是由浮力材料的吸水率和体积收缩率两个因素引起的。

浮力材料的吸水率所引起的浮力损失可以计算得到。例如，国外著名的浮力材料生产商Emerson & Cuming所提供的浮力材料物理性能指标中提供一项与浮力损失有关的“吸水率”技术指标(如美国Emerson & Cuming公司产品DS-35的吸水率≤1％)。而由体积收缩率所引起的浮力损失需要专门的试验进行测定，如美国Emerson & Cuming是用小型专用压力筒测出浮力材料试样的体积收缩率，但是这种方法试验成本高，难以推广应用。因此在国外，对于大深度潜水器用浮力材料的体积收缩率还没有找到切实可行的进行定量测试的方法。

在国内，青岛海洋化工研究院已成功研制了“SBM-055-4000”型4000米水深固体浮力材料，其密度为0.57～0.58×103kg/m³。但是对于该浮力材料在高静水压力下的体积收缩率也没有控制指标。

由于浮力材料吸水率所引起的浮力损失只是浮力材料在高静水压力下的总浮力损失的一部分，若不能测得体积收缩率所引起的浮力损失，就无法精确得到浮力材料在高静水压力下的总浮力损失，将给浮力材料的应用带来困难。且浮力材料在高静水压力下的体积收缩率对浮力损失的影响较大，不能忽视，应进行定量测定。

申请人曾在申请号为200810022677.X的专利申请中公开了一种直接测出浮力材料的总浮力损失的方法。该方法虽然解决了测定总浮力损失的难题，但也跳过了对体积收缩率的定量测定。用该方法得到的总浮力损失减去吸水率虽然可以得出一个体积收缩率的值。但是该方法在计算浮力材料吸水率时，其中的最终质量是浮力材料经过压力试验，并从压力筒取出，放置在空气中进行称重得出的。由于浮力材料在空气中失去了高静水压力的作用，不可避免的有部分水从浮力材料内逸出和蒸发掉，使得浮力材料吸水率的实测值偏小，进而使得出的体积收缩率的值也不准确，测试精度不高。造成相关技术人员在对体积收缩率本身进行定量分析时产生困难。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足之处，从而提供一种高静水压力下浮力材料的体积收缩率测试方法，通过本发明方法可以测定浮力材料在高静水压力下的体积收缩率。

本发明的技术方案如下：

一种高静水压力下浮力材料的体积收缩率测试方法，包括以下步骤：

(1)试验前的安装工作：根据被测浮力块的体积换算所需压载块的重量，将浮力块和压载块固定到试验工装上；

(2)贴应变片：在浮力块各表面的不同位置粘贴应变片，连接各应变片与水面监视器之间的电路；

(3)加压试验：将试验工装吊放入压力筒，安照预定的试验要求进行加压，通过水面监视器获取浮力块在不同压力条件下的一系列应变值；

(4)试验数据处理：根据获得的应变值，通过体积收缩率等于三倍相应应变值这一公式，换算得到浮力块在不同试验压力下的体积收缩率。

其进一步的技术方案为：所述步骤(2)中应变片数量可选择在8～10片。

本发明的有益技术效果是：

由于本发明通过水面监视器直接测得浮力材料块在不同压力条件下的应变值，进而换算得到浮力材料块在不同试验压力下的体积收缩率，可降低试验成本，提高试验精度。此外，还能对浮力材料块的体积弹性模量等参数进行估算。

附图说明

图1是浮力材料块实体受压示意图。

图2是图1中A处单元体受压示意图。

图3是高静水压力下浮力材料的体积收缩率测试装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

一、公式的推导：

浮力材料是脆性材料，其内部材料是均匀的实体，则在外部大深度均布静水压力p的作用下，浮力材料块实体(见图1)内任意一点在任何方向取一单元体(见图2)，这个单元体总是受到三向等值压应力的作用，即它的三个主应力相等，都等于σ₁＝σ₂＝σ₃＝σ＝-p。设单元体A变形前、后的体积分别是V₀和V₁，则

V₀＝dxdydz

V₁＝(1+ε₁)dx×(1+ε₂)dy×(1+ε₃)dz

单元体A的体积应变为

$e=\frac{\mathrm{\ΔV}}{V_0}---\left(1\right)$

公式(1)中，e为体积收缩率，e＝ΔV/V₀；ΔV为体积变化量，ΔV＝V₁-V₀；V₀为初始体积；V₁为变形后的体积；ε₁、ε₂、ε₃分别为主应力σ₁、σ₂、σ₃方向上的主应变。

由于浮力材料是各向同性材料，在各向同性体中，应力主向与形变主向是重合的，单元体三个主应力相等，所以它的三个主应变也相等，即都等于ε₁＝ε₂＝ε₃＝ε＝-p(1-2μ)/E。

由于弹性应变数值是小量，公式(1)展开后只保留应变的一次幂，而略去应变的二次和三次项，得到

$e=\frac{\mathrm{\ΔV}}{V_0}={\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_3=3\mathrm{\ϵ}=-\frac{p}{K}---\left(2\right)$

公式(2)中，p为大深度均布静水压力；K为体积弹性模量，

E为杨氏弹性模量；μ为泊松比；“-”表示浮力材料受压缩。

由此可知，浮力材料在大深度均布静水压力作用下的体积收缩率e与均布静水压力p和体积弹性模量K有关，而与浮力材料块的形状和体积大小无关。因此可以进一步通过浮力材料块的体积收缩率e来对体积弹性模量K等参数进行估算。

二、应变值变化范围的估算

根据公式(2)可得浮力材料在任一方向的主应变为

$\mathrm{\ϵ}=-\frac{p}{3K}$

当p取0和极限深度工作压力(如p＝71MPa)时，分别计算其应变值

${\mathrm{\ϵ}}_1=-\frac{p}{3K}=0$

${\mathrm{\ϵ}}_2=-\frac{p}{3K}=-\frac{71\×{10}^6}{3\×2.7\×{10}^9}=-8.765\×{10}^{-3}=-8765\mathrm{\μ}$

Δε＝|ε₂-ε₁|＝8765μ

由此可知，应变值的变化Δε在应变测量仪的量程范围[0，20000μ]之内，其中1μ＝10^-6，是可测量的。

三、高静水压力下浮力材料的体积收缩率测试装置如图3所示，其中1是浮力块；2是应变片；3是压载块；4是压力筒；5是水面监视器。

本发明的测试方法实施过程如下：

(1)试验前的安装工作：根据所测量浮力块1的体积换算所需压载块3的重量。将浮力块1和压载块3固定到试验工装上。

(2)贴应变片：在浮力块1各表面的不同位置粘贴应变片2。为提高测量精度，应变片数量可选择在8～10片。连接应变片2与水面监视器5之间的电路。需要注意压力筒4内的线路，以保证水密条件。

(3)加压试验：将试验工装吊放入压力筒4，安照预定的试验要求进行加压，通过水面监视器5获取浮力块1在不同压力条件下的一系列应变值。

(4)试验数据处理：根据获得的应变变化值，通过上述推导的公式：e＝3ε换算得到浮力块在各试验压力下的体积收缩率。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种高静水压力下浮力材料的体积收缩率测试方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)试验前的安装工作：根据被测浮力块的体积换算所需压载块的重量，将浮力块和压载块固定到试验工装上；

(2)贴应变片：在浮力块各表面的不同位置粘贴应变片，连接各应变片与水面监视器之间的电路；

(3)加压试验：将试验工装吊放入压力筒，安照预定的试验要求进行加压，通过水面监视器获取浮力块在不同压力条件下的一系列应变值；

(4)试验数据处理：根据获得的应变值，通过体积收缩率等于三倍相应应变值这一公式，换算得到浮力块在不同试验压力下的体积收缩率。

2.根据权利要求1所述高静水压力下浮力材料的体积收缩率测试方法，其特征在于：所述步骤(2)中应变片数量可选择在8～10片。

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