CN102759482A

CN102759482A - Emas用特性泡沫材料力学性能测试方法

Info

Publication number: CN102759482A
Application number: CN2012102277541A
Authority: CN
Inventors: 史亚杰; 李敬; 曾亮; 孔祥骏; 姚红宇
Original assignee: China Academy of Civil Aviation Science and Technology
Current assignee: China Academy of Civil Aviation Science and Technology
Priority date: 2012-07-02
Filing date: 2012-07-02
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2032-07-02
Also published as: CN102759482B

Abstract

本发明公开了一种EMAS用特性泡沫材料力学性能测试方法，属于材料性能测量及材料工程及应用专业领域。本发明采用侵彻压缩试验方法，利用电子万能试验机以恒定的加载速度持续向下压缩一定面积的侵彻冲头，直至到达预定的压缩深度或规定的载荷值；在整个过程中，测量施加的压缩载荷及对应的压缩位移，确定压缩载荷与变形的关系。本发明提供的测试方法可避免传统压缩方法中材料随机脱落导致的误差，也克服了现有侵彻压缩法无法反应真实边条的缺陷，所得到的压缩应力－压缩应变曲线更接近真实的泡沫材料破坏过程中的力学特性，因此测试结果准确。

Description

EMAS用特性泡沫材料力学性能测试方法

技术领域

本发明涉及材料性能测量及材料工程及应用专业领域，特别涉及一类用于机场跑道特性材料拦阻系统的特性泡沫材料力学性能测试方法。

背景技术

国内外的统计数据均表明，在严重危害民航飞行安全的事故征候中，飞机冲出跑道位列首位。为此，国际民航组织即将在“国际标准与建议措施”中提高跑道端安全区长度的标准，以减少因为冲出跑道造成的重大飞行安全事故。但是，因为地理或者别的环境因素的制约，很多机场难以满足新的跑道端安全区长度要求，而通过在跑道端头铺设特性材料拦阻系统（Engineered MaterialArresting System，简称EMAS），将可以在不增加安全区长度的情况下，实现与新标准等效的安全保障。

目前，国际上比较成熟的跑道拦阻产品有美国联邦航空局（FAA）与ESCO公司开发的EMAS，该产品1996年5月首次在美国肯尼迪国际机场进行了实验性铺装，效果良好，铺设后曾7次成功拦阻了冲出跑道的飞机，现已铺设了50多套。

我国民航正在研发具有自主知识产权的过程EMAS系统，并已经成功研制出了具有良好吸能特性且强度合适的泡沫材料。但要针对具体机场的地理条件和运行机型设计出满足要求且性能可靠的EMAS系统，必须首先准确掌握泡沫拦阻材料的力学性能，即受机轮碾压时，能给飞机提供多大的拦阻力。考虑到EMAS系统的工作原理是依靠泡沫材料在飞机机轮碾压过程中溃缩吸能来使飞机减速停止的，传统的材料强度概念并不适用。美国发明专利US005789681A公开了一套专门的测试方法及其装置来解决这个问题，并提出了压缩梯度强度（Compressive Gradient Strength）的概念。但是该方法测试过程中无法准确反映机轮碾压泡沫材料时轮胎与泡沫材料之间的边界条件，其测试结果在进行EMAS系统设计计算时会带来一定的误差。

发明内容

本发明的目的是克服现有特性泡沫材料力学性能测试方法的不足，减少试验方法带来的误差，为机场跑道特性材料拦阻系统（EMAS）所用的特性泡沫材料提供方便实用的力学性能测试工具和方法。利用本工具可以为特性材料拦阻系统（EMAS）仿真计算测得准确可靠的特性泡沫材料力学性能。

本发明提供的EMAS用特性泡沫材料力学性能测试方法采用侵彻压缩试验方法，利用电子万能试验机以恒定的加载速度持续向下压缩一定面积的侵彻冲头，直至到达预定的压缩深度（不小于试件厚度的70%）或规定的载荷值（不大于试验机有效量程的90%）。在整个过程中，测量施加的压缩载荷及对应的压缩位移，确定压缩载荷与变形的关系。所述的测试方法具体通过如下步骤实现：

步骤1，根据测试需要选定压缩冲头和连杆尺寸，并螺纹连接的方式安装在电子万能试验机的移动横梁上；

步骤2，根据测试需要制作立方体结构的特性泡沫材料试验件，要求试验件长、宽尺寸不小于压缩冲头直径D的6倍；

步骤3，在试验件上选择一个面作为压缩面，并在压缩面上划出压缩冲头的两次冲压位置；两次冲压位置的直径均与压缩冲头直径相同，且两个冲压位置圆相外切，切点和两个圆心均位于压缩面的一条对角线上；

步骤4，启动并检查上述的实验用电子万能试验机设备，确保试验机工作正常；

步骤5，将试验件放置试件放置平台上，调整试验件位置，保证压缩冲头侧边正好与压缩面上的第一次冲压位置A重叠；

步骤6，设定试验机的加载速度范围为1mm～1000mm/min；

步骤7，进行压缩试验，压缩冲头压入压缩面，直至压缩到指定的压缩深度；

步骤8，保存测试结果并将压缩冲头提升至试验件压缩面之上；

步骤9，目视观察试验件是否有破损情况：如果有破损发生，直接跳到步骤10；如果未发生破损现象，移动试验件，使压缩冲头侧边与压缩面上划出的第二次冲压位置B重叠，使试验件已经压缩的压痕孔洞边缘与压缩冲头侧圆面边缘相切；

并重复步骤6～步骤8，实现对实验件的第二次冲压；

要求两次压缩冲压试验的压缩冲头和压缩速度均相同；

步骤10，将试验件移走，重复下一个试验件的测量或关闭试验机结束试验。

本发明的优点在于：

（1）本发明提供的测试方法能有效避免传统标准试验件压缩方法中材料随机脱落导致的试验误差，具有更高的试验可重复度；

（2）本发明提供的测试方法可以克服现有侵彻压缩法无法反映真实压缩边界条件边条的缺陷，提供了试验的准确性；

（3）本发明提供的测试方法可以准确模拟机轮碾压特性材料的压缩过程及其边条，所得到的工程压缩应力－应变曲线更接近真实的泡沫材料破坏过程中的力学特性，使用该结果可以方便、准确地进行EMAS拦阻特性仿真计算。

附图说明

图1为本发明提供的测试作用工具在测试设备上的安装示意图；

图2为本发明中采用的侵彻试验用冲头结构示意图；

图3为双孔试验冲头位置示意图；

图4为本发明测试结果示意图；

图5为实施例中的测试结果实例。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供一种EMAS用特性泡沫材料力学性能测试方法，所述的测试方法首先需要对现有的通用的高速电子万能试验机设备的冲压压头结构进行改进，具体如下：

本发明采用的测试工具是通过螺纹安装在通用的高速电子万能试验机移动横梁1上的一套特制的侵彻试验用连杆2和压缩冲头3，如图1中虚线框内的部分所示，连杆2通过螺纹连接方式固定在望能试验机的移动横梁1上，并且在连杆2下端螺纹连接压缩冲头3，压缩冲头3的下方为试件放置平台4上的试验件5，移动横梁1的上下运动实现压缩冲头3对试验件5表面的压痕，通过对压痕进行检测，实现对EMAS用特性泡沫材料力学性能测试

所述的高速电子万能试验机最大压缩速度不小于1m/min，移动横梁1的有效行程不小于1m，有效载荷量程不小于1吨。实施例中采用的万能试验机的型号为CSS-44100。

如图2所示，所述的连杆2为圆柱型结构，两端有螺纹结构，分别用于螺纹连接试验机移动横梁1和试验用压缩冲头3。所述的连杆2的d直径小于压缩冲头3的直径D，但大于连接移动横梁1的螺纹直径d’，优选的连杆2直径d尺寸为30mm至36mm；其长度h不小于试件高度，为适应不同试件可设计成可调节长度的连杆。

所述的压缩冲头3为圆柱体结构，压缩冲头厚度H尺寸范围为10～15mm，压缩冲头3两端面为平面，其中一个端面通过螺纹与连杆2固结，另一个端面为试验压缩面。压缩冲头3直径D应在合适的范围内，太小则会导致侧面摩擦影响比例提高，太大则会使压缩过程中试件破裂导致试验失败。优选的压缩冲头3直径D尺寸范围为40mm至60mm。

上述压缩冲头3和连杆2等部件的加工过程中，直径D尺寸公差不超过0.1mm，其余公差不过超0.5mm。

基于上述的连杆2和压缩冲头3，本发明提供的EMAS用特性泡沫材料力学性能测试方法采用电子万能试验机，试验方法的具体步骤如下：

步骤1，根据测试需要选定相应尺寸的压缩冲头3和连杆2，并螺纹连接的方式安装在电子万能试验机的移动横梁1上。除非要进行压缩冲头3直径D对试验结果影响分析，通常选择直径D为50mm的压缩冲压，并选用长度合适的连杆进行连接。

步骤2，根据测试需要制作立方体结构的特性泡沫材料试验件5，要求试验件5长、宽尺寸不小于压缩冲头3直径（D）的5~8倍，优选的试验件5长、宽为300mm～450mm，试验件5高度由实际应用材料的厚度决定。

步骤3，在实验件5上选择一个面作为压缩面：

进行试验件5外观和尺寸检查，并进行编号和记录。如果试验件5为正立方体，则任意选择一个面作为压缩面；如果试验件高度与长、宽尺寸不同，则选择高度方向的面为压缩面。然后，在选定的压缩面上划出如图3所示的两次试验中压缩冲头3的压缩位置（第一次冲压位置A和第二次冲压位置B），以方便试验时正确摆放试验件5。要求图3中所示两个圆的直径与冲头直径相同，且两个圆位置相外切，切点和两个圆心均位于压缩面的一条对角线上。

步骤5，将试验件5放置试件放置平台4上，调整试验件5位置，保证压缩冲头3侧边正好与图3所示的在试验件5表面划出的第一次冲压位置A重叠。

步骤6，根据试验件5规格、加载速度及试验编号等信息进行试验参数和试验信息的设置，具体参考所选用电子万能试验机的测试软件设置方式。其中加载速度范围为1mm～1000mm/min，除非专门进行加载速度对试验结果的影响分析，通常使用500mm/min的加载速度，既保证试验的速度，又可获得更接近于实际应用的试验结果。

步骤7，根据所用试验机操作要求进行压缩试验（可通过执行批处理试验文件完成），并观察试验过程，直至压缩到指定的压缩深度（不小于试验件高度h的70%）或限定的载荷（不大于试验机有效量程的90%）。

步骤8，保存测试结果并将压缩冲头3提升至试验件5压缩面之上。

步骤9，目视观察试验件5是否有破裂情况。如果有宏观裂纹发生，直接跳到步骤10；如果未发生破裂现象，移动试验件，使压缩冲头侧边与压缩面上划出的如图3所示第二次冲压位置B重叠，使试验件5已经压缩的压痕孔洞边缘与压缩冲头侧圆面边缘相切。并重复步骤6～步骤7。要求两次压缩试验的压缩冲头和压缩速度均相同。

步骤10，将试验件移走，重复下一个试验件5的测量或关闭试验机结束试验。

由于本发明所测得的结果无法用严格的传统应力、应变的概念，故引用工程压缩应力、工程压缩应变的概念来描述测试载荷和变形情况。本发明所述工程压缩应力：指侵彻试验中施加的压缩载荷与冲头端面面积的比值。本发明所述工程压缩应变：指冲头压入深度与试验件总高度的比值。同时将本发明所测得到的工程压缩应力-应变曲线上，应变0.1处的工程压缩应力值，称为名义压溃强度。

根据第二次压缩测试所得的压缩载荷和压缩位移结果，利用工程压缩应力和工程压缩应变的定义，可求得该试验件的“双孔侵彻试验”工程压缩应力和压缩应变，并绘制压缩应力-压缩应变曲线，如图4所示。（注：第一次压缩测试所得结果为“单孔”侵彻试验法测试结果）

本发明同时给出了用于EMAS系统的特性泡沫材料力学性能及其分散度要求：

A．工程应力-应变曲线压溃段曲线对应的应变范围不小于0.6；

B．名义压溃强度分散度不大于±20%；

C．应变0.7处的上限不大于名义压溃强度值的1.8倍，下限不小于名义压溃强度的0.85倍；

若满足上述的要求，则说明该泡沫材料既有良好的溃缩吸能特性（可压缩率大于60%），又具备良好的性能一致性和稳定性。从而保证在实际应用中能为飞机提供可预测的，可靠的拦阻力，保证EMAS系统按照预定的方式安全拦停飞机。

下面通过一个应用实例进行说明：

材料名义压溃强度0.4MPa，压缩冲头3直径D=50mm，试验件5规格为400mm×400mm×330mm，压缩速度为500mm/min，压缩深度为297mm（试件高度的90%）。

按照本发明提供的测试方法进行压缩试验，测试结果曲线如图5所示。为了说明本发明测试结果与美国专利US005789681A所述测试结果的差异，图5同时给出了单孔（美国专利US005789681A）和双孔（本发明）结果曲线。

从测试结果中可以看出，美国专利US005789681A所述方法的测试结果曲线明显高于本发明所述方法的测试结果，其将会导致过高估计泡沫材料的吸能能力，使得设计的EMAS系统偏于冒险。而采用本发明提供的测试方法得到的测试结果曲线与实际的EMAS系统的特性泡沫材料力学性能及其分散度更接近，因此本发明可以更准确可靠的对EMAS系统的特性泡沫材料力学性能进行检测，保证在EMAS系统的特性泡沫材料的应用过程中使用更加可靠。

Claims

1.EMAS用特性泡沫材料力学性能测试方法，其特征在于：

步骤2，根据测试需要制作立方体结构的特性泡沫材料试验件，要求试验件长、宽尺寸不小于压缩冲头直径D的5~8倍；

步骤6，设定试验机的加载速度，所述加载速度在范围为1mm～1000mm/min选取；

步骤7，进行压缩试验，压缩冲头压入压缩面，直至压缩到指定的压缩深度或限定载荷；

并重复步骤6～步骤8，实现对试验件的第二次冲压；

要求两次压缩冲压试验的压缩冲头和压缩速度均相同；

2.根据权利要求1所述的EMAS用特性泡沫材料力学性能测试方法，其特征在于：压缩冲头3直径D为50mm。

3.根据权利要求1所述的EMAS用特性泡沫材料力学性能测试方法，其特征在于：试验件长、宽为300mm～450mm，试验件高度由实际应用材料的厚度决定。

4.根据权利要求1所述的EMAS用特性泡沫材料力学性能测试方法，其特征在于：试验用加载速度为500mm/min。

5.根据权利要求1所述的EMAS用特性泡沫材料力学性能测试方法，其特征在于：所述的压缩深度不小于试验件高度h的70%。

6.根据权利要求1所述的EMAS用特性泡沫材料力学性能测试方法，其特征在于：所述的连杆为圆柱型结构，两端有螺纹结构，分别用于螺纹连接试验机移动横梁和试验用压缩冲头；所述的连杆的d直径小于压缩冲头的直径D，但大于连接移动横梁的螺纹直径；所述的压缩冲头为圆柱体结构，压缩冲头两端面为平面，其中一个端面通过螺纹与连杆固结，另一个端面为试验压缩面。

7.根据权利要求1所述的EMAS用特性泡沫材料力学性能测试方法，其特征在于：所述的压缩冲头厚度H尺寸范围为10～15mm，压缩冲头3直径D尺寸范围为40mm至60mm；连杆直径d尺寸为30mm至36mm；其长度h不小于试件高度。