CN107101927B - 一种用于浮空器囊体材料渗透性测试的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例公开了一种用于浮空器囊体材料渗透性测试的实验装置及方法，该装置将采用裁剪、焊接和折叠等模拟浮空器的加工工况制造的浮空器囊体组装成实验装置，通过工控机控制浮空器囊体内的气压，然后通过测量的不同时刻浮空器的净浮力计算出制造该浮空器囊体的材料的渗透量。该装置测试的浮空器囊体的制造过程模拟了浮空器囊体材料的实际加工过程，且实验过程中保持浮空器囊体内部的气压，模拟了真实使用过程中浮空器囊体材料承受的气压载荷，使得测量得到的净浮力的值接近浮空器真实使用过程中的净浮力，提高了实验得到的浮空器囊体材料的渗透量的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及材料渗透性技术领域，尤其是涉及一种用于浮空器囊体材料渗透性测试的实验装置及方法。
背景技术
为了适应试验过程中昼夜温差大、高辐射、高臭氧等复杂而又特殊的环境要求,浮空器囊体材料需要具备高强度、轻质、耐环境性好、抗撕裂性、低的气体渗透性、低蠕变和良好的加工工艺性等性能。浮空器的囊体材料主要包括承力层、阻气层、防老化层和粘接层等几个部分，通过对层压成分进行适宜的选取以达到良好的综合性能。其中阻气层材料是囊体材料中关键的技术,囊体材料的渗透性能直接决定了浮空器运行时间、氦气损失和成本。
氦气渗透率是表征囊体材料渗透性的重要指标，随着阻气层的发展，一些高性能阻隔材料及金属涂层的应用，在标准测试条件下(GB/T1038-2000)，囊体材料的氦气渗透率已经降到了1L/m2·d·atm以下，完全满足浮空器的指标要求。在浮空器囊体加工过程中，主要包括裁剪、焊接、折叠，存在对囊体材料的折叠和揉搓，以织物为基底的材料在揉搓时局部应力可能过大，造成局部微孔损伤，从而影响囊体材料的渗透率。同时，由于在实际应用中浮空器需要测试以及飞行中需要承受一定的内压，囊体在高压差载荷的作用下，囊体表面张力和应变比较大，原本致密的表层或涂层的间隙增大，可能导致囊体材料实际渗透率远大于标准测试值。
目前材料渗透性的压差法测试为选取圆形试样，在一个标准大气压的作用下进行测试，无法模拟材料的加工过程以及使用过程中浮空器的真实气压。因此在未能发现揉搓对囊体材料的影响规律、囊体材料渗透率与形变规律之前，囊体材料的标准测试渗透率只能作为参考，不能作为设计分析依据。
在实现本发明实施例的过程中，发明人发现现有的浮空器囊体材料的渗透性测试的实验装置和方法，由于无法模拟浮空器的加工工况(裁剪、焊接、折叠)，或者浮空器囊体气压载荷产生的应力，导致实验得到的浮空器囊体材料的渗透量不准确，无法作为设计浮空器的依据。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何解决现有的浮空器囊体材料的渗透性测试的实验装置和方法，由于无法模拟浮空器的加工工况(裁剪、焊接、折叠)，或者浮空器囊体气压载荷产生的应力，导致实验得到的浮空器囊体材料的渗透量不准确，无法作为设计浮空器的依据的问题。
针对以上技术问题，本发明的实施例提供了一种用于浮空器囊体材料渗透性测试的实验装置，包括由待测浮空器囊体材料加工而成的试件、锚泊部件、充排气部件、压差传感器、拉力传感器、储气部件和工控机；
其中，所述试件通过绳索固定在所述锚泊部件上，所述拉力传感器设置在所述绳索上，并与所述工控机连接；
所述储气部件连接所述充排气部件，所述充排气部件安装在所述试件上，并与所述工控机连接；
设置在所述试件上的压差口连接所述压差传感器，所述压差传感器连接所述工控机；
所述压差传感器将采集的所述试件内部和外部的压力差传输至所述工控机，所述工控机根据所述压力差控制所述充排气部件，使得所述试件内部的压力为预设压力；所述工控机根据所述拉力传感器测量的所述试件的净浮力计算所述待测浮空器囊体材料的渗透量。
可选地，还包括显示部件；
所述显示部件连接在所述工控机和所述拉力感应器之间，或者连接在所述工控机上，用于实时显示所述拉力感应器测量的净浮力。
可选地，还包括设置在所述试件上的拉袢，所述绳索一端固定在所述拉袢上，另一端固定在所述拉力传感器上，所述拉力传感器固定在所述锚泊部件上。
可选地，所述拉袢分布在所述试件的表面，且每一拉袢和所述拉力传感器之间的绳索长度相等。
可选地，所述锚泊部件的质量大于所述试件的净浮力的最大值。
可选地，所述储气部件中的气体的密度小于空气的密度。
第二方面，本发明的实施例提供了一种基于以上所述的实验装置的实验方法，包括：
获取通过裁剪、焊接和折叠的工艺，加工成预设形状的所述试件的表面积、所述压差传感器测量的所述压力差；
根据所述压力差，控制所述充排气部件，使得所述试件内的压力为所述预设压力；
获取所述拉力传感器测量的所述净浮力，以及测量得到的每一所述净浮力对应的时间点；
根据所述表面积、不同时间点测量得到的净浮力计算所述待测浮空器囊体材料的渗透量。
可选地，所述根据所述表面积、不同时间点测量得到的净浮力计算所述待测浮空器囊体材料的渗透量，包括：
根据所述表面积、不同时间点测量得到的净浮力，通过公式计算所述待测浮空器囊体材料的渗透量；
其中，a为所述待测浮空器囊体材料的渗透量，ρ0为所述试件外部的环境中气体的密度，ρ1为所述试件内部的气体的密度，S为所述试件的表面积，F1为t1时刻测量得到的净浮力，F2为t2时刻测量得到的净浮力。
本发明的实施例提供了一种用于浮空器囊体材料渗透性测试的实验装置及方法，该装置将采用裁剪、焊接和折叠等模拟浮空器的加工工况制造的浮空器囊体组装成实验装置，通过工控机控制浮空器囊体内的气压，然后通过测量的不同时刻浮空器的净浮力计算出制造该浮空器囊体的材料的渗透量。该装置测试的浮空器囊体的制造过程模拟了浮空器囊体材料的实际加工过程，且实验过程中保持浮空器囊体内部的气压，模拟了真实使用过程中浮空器囊体材料承受的气压载荷，使得测量得到的净浮力的值接近浮空器真实使用过程中的净浮力，提高了实验得到的浮空器囊体材料的渗透量的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一个实施例提供的用于浮空器囊体材料渗透性测试的实验装置的结构示意图；
图2是本发明另一个实施例提供的基于上述的实验装置的实验方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本实施例提供的用于浮空器囊体材料渗透性测试的实验装置的结构示意图。参见图1，该实验装置包括由待测浮空器囊体材料加工而成的试件101、锚泊部件102、充排气部件103、压差传感器104、拉力传感器105、储气部件106和工控机107；
其中，所述试件101通过绳索108固定在所述锚泊部件102上，所述拉力传感器105设置在所述绳索108上，并与所述工控机107连接；
所述储气部件106连接所述充排气部件103，所述充排气部件103安装在所述试件101上，并与所述工控机107连接；
设置在所述试件101上的压差口110连接所述压差传感器104，所述压差传感器104连接所述工控机107；
所述压差传感器104将采集的所述试件内部和外部的压力差传输至所述工控机107，所述工控机107根据所述压力差控制所述充排气部件103，使得所述试件内部的压力为预设压力；所述工控机107根据所述拉力传感器105测量的所述试件101的净浮力计算所述待测浮空器囊体材料的渗透量。
其中，拉力传感器设置在绳索上，目的是为了测量绳索的拉力，因为绳索的拉力即为该浮空器囊体收到的净浮力。本实施例不对拉力传感器具体的安装位置进行限制，只要能够测量绳索108对试件101的拉力值即可。拉力传感器105和工控机107之间存在信号的传输，其可以是通过信号传输线连接，进而传输测量的净浮力，也可以是通过无线信号进行连接(例如，通过无线网络将测量的净浮力传输至工控机或者通过蓝牙将测量的净浮力传输至工控机)，本实施例不做具体限制。
另一方面，压差口110作为压力差数据采集的位置，其和压差传感器之间的连接为电路连接，例如，将压差口受压产生的机械变形转变为电信号，传输至压差传感器104，压差传感器104根据该电信号计算出试件101的内部和外部的压力差，并将该压力差传输至工控机107，工控机根据该压力差和当前试件101外部的空气压力，即可计算出试件101内部的压力。同样的，压差传感器104和工控机107之间存在信号的传输，其可以是通过信号传输线连接，进而传输测量的压力差，也可以是通过无线信号进行连接(例如，通过无线网络将测量的压力差传输至工控机或者通过蓝牙将测量的压力差传输至工控机)，本实施例不做具体限制。
再者，工控机107通过充排气部件103控制试件101内部的气压，充排气部件103可以是电子阀门，工控机根据压力差和预设压力，控制电子阀门对试件101进行充气或者放气。例如，工控机107根据压力差和当前试件101外部的气压，计算出当前试件101内部的气压，在根据预设的试件101内部需要达到的预设压力，调节充排气部件103对试件101内部进行充气或者放气，使得试件101内部的气压为预设压力。
储气部件106可以是一存储气体的气罐或者其它存储气体的设备，储气部件106和充排气部件103(例如，可以是充排气阀)通过管道连接，以通过管道将气体充入试件101内部，或者通过管道将试件101内部的气体放出，存储在储气部件106内。
本实施例提供了一种用于浮空器囊体材料渗透性测试的实验装置将采用裁剪、焊接和折叠等模拟浮空器的加工工况制造的浮空器囊体组装成实验装置，通过工控机控制浮空器囊体内的气压，然后通过测量的不同时刻浮空器的净浮力计算出制造该浮空器囊体的材料的渗透量。该装置测试的浮空器囊体的制造过程模拟了浮空器囊体材料的实际加工过程，且实验过程中保持浮空器囊体内部的气压，模拟了真实使用过程中浮空器囊体材料承受的气压载荷，使得测量得到的净浮力的值接近浮空器真实使用过程中的净浮力，提高了实验得到的浮空器囊体材料的渗透量的准确性。
更进一步地，在上述实施例的基础上，还包括显示部件；
所述显示部件连接在所述工控机和所述拉力感应器之间，或者连接在所述工控机上，用于实时显示所述拉力感应器测量的净浮力。
显示部件为一个显示器，能够实时显示拉力感应器105测量的净浮力，无论显示部件连接在所述工控机和所述拉力感应器之间，还是连接在所述工控机上，其和其它部件之间的连接可以是通过信号传输线连接，也可以是通过无线信号进行连接，本实施例不做具体限制。
更进一步地，在上述各个实施例的基础上，如图1所示，还包括设置在所述试件101上的拉袢109，所述绳索108一端固定在所述拉袢109上，另一端固定在所述拉力传感器105上，所述拉力传感器105固定在所述锚泊部件102上。
拉袢109的设置方便了将绳索108固定在试件101上。
更进一步地，在上述各个实施例的基础上，所述拉袢109分布在所述试件的表面，且每一拉袢109和所述拉力传感器之间的绳索长度相等。
也就是说，当试件101漂浮在环境中时，拉袢109距离地面的高度相等。拉袢109的这种设置方式保证了每一根绳索上的受力是均匀的，增加了绳索的使用寿命。
更进一步地，在上述各个实施例的基础上，所述锚泊部件102的质量大于所述试件101的净浮力的最大值。
更进一步地，在上述各个实施例的基础上，所述储气部件106中的气体的密度小于空气的密度。
作为一种更为具体的实施例，浮空器囊体材料试件101表面安装有充排气部件(充/排气阀)和压差口，所述浮空器囊体材料试件101表面预留有四个拉袢109，每个拉袢109连接一段绳子，所述绳子、所述压差口均与所述拉力传感器连接，所述拉力传感器通过绳子连接在浮空器囊体材料试件下端，并将数据记录。
试件101的内部具有一定的容积，为充气结构。
试件101的形状为圆球形或其他形状，只要能够能够准确计算该性状的表面积即可，本实施例不对试件101的具体形状做限制。
试件101的尺寸可以根据需要进行设计，本实施例不对试件101的具体尺寸做限制。
试件101由待测浮空器囊体材料加工而成，加工过程包括放料、裁剪、焊接和折叠等。
所述锚泊部件，包括下述的任一种形式：锚泊车，地锚，载重大于浮空器囊体材料试件101对应的最大净浮力的重物。
所述工控机107，与压差传感器连接，用于通过所述充排气部件103控制所述浮空器囊体材料试件101内部的压力使其保持在预设压力。同时，压差传感器记录浮空器囊体材料试件内部与外部试验环境的压力差，拉力传感器记录各时间点对应的浮空器囊体材料试件的净浮力。
通过显示部件可以实时观测净浮力数据。
在制造试件101的过程中也可以根据实际需求改变焊接方式，例如对接或搭接，从而得到真实加工条件下的浮空器囊体材料试件101。
另一方面，如图2所示，本发明的实施例还提供了一种基于上述的实验装置的实验方法，包括：
201：获取通过裁剪、焊接和折叠的工艺，加工成预设形状的所述试件的表面积、所述压差传感器测量的所述压力差；
202：根据所述压力差，控制所述充排气部件，使得所述试件内部的压力为所述预设压力；
203：获取所述拉力传感器测量的所述净浮力，以及测量得到的每一所述净浮力对应的时间点；
204：根据所述表面积、不同时间点测量得到的净浮力计算所述待测浮空器囊体材料的渗透量。
更进一步地，在上述实施例的基础上，所述根据所述表面积、不同时间点测量得到的净浮力计算所述待测浮空器囊体材料的渗透量，包括：
根据所述表面积、不同时间点测量得到的净浮力，通过公式计算所述待测浮空器囊体材料的渗透量；
其中，a为所述待测浮空器囊体材料的渗透量，ρ0为所述试件外部的环境中气体的密度，ρ1为所述试件内部的气体的密度，S为所述试件的表面积，F1为t1时刻测量得到的净浮力，F2为t2时刻测量得到的净浮力。
本实施例提供了一种用于采用上述浮空器囊体材料渗透性测试的实验装置的实验方法，该方法将采用裁剪、焊接和折叠等模拟浮空器的加工工况制造的浮空器囊体组装成实验装置，通过工控机控制浮空器囊体内的气压，然后通过测量的不同时刻浮空器的净浮力计算出制造该浮空器囊体的材料的渗透量。该装置测试的浮空器囊体的制造过程模拟了浮空器囊体材料的实际加工过程，且实验过程中保持浮空器囊体内部的气压，模拟了真实使用过程中浮空器囊体材料承受的气压载荷，使得测量得到的净浮力的值接近浮空器真实使用过程中的净浮力，提高了实验得到的浮空器囊体材料的渗透量的准确性。
该方法通过将浮空器囊体材料加工成具有一定充气体积的浮空器囊体材料试件101，模拟了浮空器囊体材料的实际加工过程。通过将试件101内部充入一定量的氦气使其压力保持在预设压力，模拟了真实使用中浮空器囊体材料承受的内部气压载荷。通过设置压差传感器和拉力传感器，全程自动记录了试件净浮力的数据和试件内部与外部试验环境的压力差。即同时模拟浮空器的加工工况(放料、裁剪、焊接)及浮空器囊体气压载荷产生的应力，更准确地模拟了浮空器囊体材料在真实使用条件下的渗透情况。
具体来说，作为一种具体的实验过程，其试件的制造过程如下：将待测浮空器囊体材料通过放料、裁剪、焊接等工艺加工成为表面积为S的充气结构的浮空器囊体材料试件。当然，该试件形状为圆球形，能准确计算出表面积的形状。该试件可以根据实际需求改变形状，可以是其他能够准确计算出表面积的形状，以获得不同外形的浮空器囊体材料试件。进一步地，该试件加工过程可以根据实际需求改变焊接方式，例如对接或搭接，从而得到真实加工条件下的浮空器囊体材料试件。
其次，将通过上述方法制造的浮空器囊体材料试件充满氦气(He)后悬挂在锚泊部件上，工控机通过充排气部件控制浮空器囊体材料试件内部的压力保持在设定值P(预设压力)。其中，压差传感器的数据通过所述工控机记录，通过工控机实时数据，控制充排气部件从而控制试件内部的压力值。
最后，工控机实时记录各时间点对应的浮空器囊体材料试件的净浮力和浮空器囊体材料试件内部和外部的压力差，根据工控机数据选取时间t1的净浮力数据F1，时间t2的净浮力数据F2，由下列公式计算该浮空器囊体材料的渗透性(以渗透量a表示)。
其中，ρ0为所述试件外部的空气的密度，ρ1为所述试件内部的氦气的密度，S为所述试件的表面积。
本实施例提供的实验方法将被测浮空器囊体材料加工成具有一定体积、安装有充排气部件和压差口的浮空器囊体材料试件。所述浮空器囊体材料试件充氦气，通过压差传感器将试件(例如，试件为圆球形状)的内部压力控制在预设压力以模拟真实使用中浮空器囊体材料承受的内部气压载荷。该试件通过绳索悬浮在所述锚泊部件之上，拉力传感器通过绳索连接在浮空器囊体材料试件下端。压差传感器以及拉力传感器采集的数据由工控机全程自动记录，而显示部件可以实时显示观测的净浮力。如此，该方法和试验装置通过将浮空器囊体材料试件充气结构达到一定的内压下记录净浮力的损失，从而计算出氦气渗透率，既能够模拟浮空器的加工工况，又能够模拟浮空器囊体气压载荷对囊体材料的应力，准确的测试了浮空器囊体材料在真实使用情况下的渗透性。
以上所描述的电子设备等实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明的实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的实施例各实施例技术方案的范围。
Claims (5)
1.一种用于浮空器囊体材料渗透性测试的实验装置，其特征在于，包括由待测浮空器囊体材料通过裁剪、焊接和折叠的工艺，加工成预设形状的试件、锚泊部件、充排气部件、压差传感器、拉力传感器、储气部件和工控机；
其中，所述试件通过绳索固定在所述锚泊部件上，所述拉力传感器设置在所述绳索上，并与所述工控机连接；
所述储气部件连接所述充排气部件，所述充排气部件安装在所述试件上，并与所述工控机连接；
设置在所述试件上的压差口连接所述压差传感器，所述压差传感器连接所述工控机；
所述压差传感器将采集的所述试件内部和外部的压力差传输至所述工控机，所述工控机根据所述压力差控制所述充排气部件对试件内部进行充气或者放气，使得所述试件内部的压力为预设压力；所述拉力传感器测量绳索的拉力，其测量所获得的绳索的拉力即为所述试件的净浮力；所述工控机根据所述试件的表面积、不同时间点测量得到的净浮力计算所述待测浮空器囊体材料的渗透量，具体计算公式为：
；
其中，a为所述待测浮空器囊体材料的渗透量，ρ0为所述试件外部的环境中气体的密度，ρ1为所述试件内部的气体的密度，S为所述试件的表面积，F1为t1时刻测量得到的净浮力，F2为t2时刻测量得到的净浮力；
所述锚泊部件的重力大于所述试件的净浮力的最大值；
所述储气部件中的气体的密度小于空气的密度。
2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，还包括显示部件；
所述显示部件连接在所述工控机和所述拉力传感器之间，或者连接在所述工控机上，用于实时显示所述拉力传感器测量的净浮力。
3.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，还包括设置在所述试件上的拉袢，所述绳索一端固定在所述拉袢上，另一端固定在所述拉力传感器上，所述拉力传感器固定在所述锚泊部件上。
4.根据权利要求3所述的实验装置，其特征在于，所述拉袢分布在所述试件的表面，且每一拉袢和所述拉力传感器之间的绳索长度相等。
5.一种采用权利要求1-4中任一项所述的实验装置进行浮空器囊体材料渗透性测试的实验方法，其特征在于，包括：
获取通过裁剪、焊接和折叠的工艺，加工成预设形状的所述试件的表面积、所述压差传感器测量的所述压力差；
根据所述压力差，控制所述充排气部件对试件内部进行充气或者放气，使得所述试件内部的压力为预设压力；
获取所述拉力传感器测量的所述净浮力，以及测量得到的每一所述净浮力对应的时间点；
根据所述表面积、不同时间点测量得到的净浮力计算所述待测浮空器囊体材料的渗透量。
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