CN108827795A - 一种改性双基推进剂中应变率高低温压缩响应测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种改性双基推进剂中应变率高低温压缩响应测试方法，具体涉及一种高、低温条件下改性双基推进剂中应变率水平压缩应力应变响应的高精度测试方法。所述方法基于高速液压伺服测试系统，设计适合中应变率试验需求的原位保温装置，结合可程式恒温试验机，实现了不同温度条件下改性双基推进剂中应变率水平的压缩力学试验，获得改性双基推进剂应力应变曲线。得到的应力应变曲线可应用于改性双基推进剂考虑温度条件的率相关本构模型的建立，应用于有限元仿真实现装药力学响应预估，解决改性双基推进剂相关应用领域的工程问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种改性双基推进剂中应变率高低温压缩响应测试方法，具体涉及一种高、低温条件下改性双基推进剂中应变率水平压缩应力应变响应的高精度测试方法。
背景技术
改性双基推进剂装药广泛应用于炮射导弹发动机中，在高轴向发射过载条件下推进剂装药变形达到中应变率(1～100/s)水平。同时，炮射导弹在运输、使用中可能承受-40～50℃的恶劣温度条件，在不同温度环境下推进剂力学性能发生变化，严重影响其抗过载能力。在装药抗过载设计中需要建立考虑不同温度下的应变率相关本构模型，通过应用到有限元计算进行不同温度下改性双基推进剂抗过载结构设计。
目前，国内对于推进剂低应变率水平(应变率<10-1/s)压缩试验技术比较成熟，采用材料万能试验机结合原位保温的方式能够获得不同温度下推进剂低应变率水平应力应变响应。而对于中应变率范围的压缩试验，现有技术能够完成常温状态的推进剂力学响应测试(CN104237018B)。但不同温度条件的力学响应测试存在一定困难，中应变率条件下高速动作在相对密封的低应变率原位保温装置会产生较大的压力扰动，降低测试精度；同时，含能的改性双基推进剂在高速压缩时，在低温条件下可能发生碎片飞溅，而高温条件下可能出现燃烧或爆炸的安全隐患，因此需要设计满足不同试验温度条件的同时，具有高精度和更高安全性的测试方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术无法实现推进剂中应变率水平高、低温条件力学性能测试的问题，提供一种改性双基推进剂中应变率高低温压缩响应测试方法。
实现本发明目的是通过下述技术方案实现的。
一种改性双基推进剂中应变率高低温压缩响应测试方法，具体步骤如下：
步骤一、将制备好的改性双基推进剂圆柱试件放入可程式恒温试验机，设置温度控制程式进行保温；
步骤一所述可程式恒温试验机设定温度为目标试验温度，试验温度高温极限50℃、低温极限-40℃。
步骤二、给液压试验机安装原位保温装置，将可移除弹性密封圈放置在原位保温装置开口处，降低动压头使端盖与可移除弹性密封圈接触并压紧。根据需求调节温控系统，使原位保温装置中的温度与步骤一可程式恒温试验机的温度相同。
步骤三、将动压头上升，移除可移除弹性密封圈，同时迅速将步骤一保温好的试件放置在支撑座中心位置。降低动压头至动压头底面靠近试件上端面；根据温度数显器调节温控系统，使原-位保温装置内部温度稳定在目标试验温度并保温。
步骤四、根据试验应变率需求，按照公式(1)，计算得到加载速度；
其中，为工程应变率，v为加载速度，l0为试件长度，t为时间；设置液压伺服测试系统加载速度和数据采集频率，使动压头按照设定的加载速度进行压缩试验，同时采集时间、位移和力三个一一对应的数据；
步骤五、对数据采集系统采集的时间、位移和力数据进行基于最小二乘法的滤波处理，截取力开始大于零位置的数据为有效数据起点。
步骤六、根据步骤五滤波后的数据，通过公式(2)计算工程应变，
其中εE为试件工程应变，x为变形后位移数据，x0为变形起点位移数据，l0为试件长度；根据计算得到的工程应变计算真实应变εT，εT＝-ln(1-εE)。
步骤七、根据步骤五滤波后的数据，通过公式(3)计算工程应力；
其中σE为工程应力，F为步骤五滤波后的力数据，r为圆柱试件的半径；根据计算得到的工程应力和步骤六计算的得到的工程应变，计算真实应力σT，σT＝σE(1-εE)。
步骤八、根据步骤六计算得到的真实应变数据和步骤七计算得到的真实应力数据，得到所测试推进剂试样的真实应力应变曲线。
步骤二所述原位保温装置包括：定位螺母，端盖保温层，端盖，动压头，套筒保温层，热电阻，定向泄压孔，金属套筒，温度传感器，挡板，支撑座，氮源，流量阀，温度控制系统，温度数显器和可移除弹性密封圈；
可移除的弹性密封圈能够使套筒密封，带有弧度的端盖能够在调节温度时形成回流，在端盖外侧覆盖端盖保温层，在热电阻外侧覆盖套筒保温层，从而能够实现压缩试验前原位试验环境温度的快速调整与保持。通过调节定位螺母，使移除弹性密封圈后，动压头接触底部支撑座时端盖与金属套筒上端仍留有缝隙，保证保温装置内外压强平衡，实现高速加载条件下试件压缩力学性能的高精度测试。液氮出口前设置挡板，避免高速加载时试件破碎飞溅造成堵塞。温度传感器用于检测原位保温装置内部温度并通过温度数显器显示；液氮流量阀用于控制氮源的进气量；温控系统通过控制液氮流量阀和热电阻实现温度调节。定向泄压孔根据液压试验机结构和实验室环境选取开口方向，发生爆炸危险时控制高温燃气定向排除降低危害。
有益效果
1、本发明所述的测试方法具有高测试精度的特点。通过高速液压伺服测试系统和圆柱试件的尺寸控制在几十毫米量级，实现加载应变率的恒定和试件压缩变形应变率的准确性，提高了指定应变率条件的力学响应测试精度。通过在高速加载过程中控制试件附近与外界大气压保持一致，避免高速动作造成的压强扰动，保证了力学测试精度。通过在试件放置在测试工位后进行二次保温实现了试验温度的准确控制，提高了不同温度条件下力学响应的测试精度。
2、本发明所述的测试方法具有高安全性的特点。本发明测试方法采用金属套筒和端盖有较高的强度和耐烧蚀性，通过试件药量和配方含能水平计算并加工金属结构的尺寸和壁厚，保证高温高速试验可能出现爆炸危险时装置结构的安全稳定性。本发明测试方法采用液氮进行低温控制手段，通过设计具有高温保护能力的温控系统，在发生爆炸危险时自动将液氮流量阀打开到最大，迅速降低装置内温度，避免爆炸后的持续燃烧，大量挥发的氮气形成保护气氛避免保温层、导线、液压试验机的各部件等带有可燃物成分的部件与空气中的氧气发生燃烧反应。
3、本发明所述的测试方法具有高测试效率的特点。中应变率水平压缩试验具有加载过程快、单程耗时短的特点，通过可程式恒温试验机预设保温程式，实现大量试件同时保温，节省大量试验准备时间。通过采用半开放的原位保温装置，实现试件转移后的温度补偿，同时便于快速替换试件。通过采用功率可调的热电阻和流量可控的液氮实现原位温度的快速调节。
附图说明
图1为本发明试验方法的流程图；
图2为本发明中设计的原位保温装置结构示意图；
图3为温度50℃，加载速度20mm/s(应变率1s-1)的工程应变-时间曲线；
图4为温度50℃，加载速度20mm/s(应变率1s-1)的工程应变率-时间曲线；
图5为温度50℃，加载速度20mm/s(应变率1s-1)的工程应力-工程应变曲线；
图6为温度50℃，加载速度20mm/s(应变率1s-1)的真实应力-真实应变曲线；
图7为温度50℃，加载应变率1、10、150s-1的真实应力-真实应变曲线；
图8为温度20℃，加载应变率1、10、150s-1的真实应力-真实应变曲线；
图9为温度-10℃，加载应变率1、10、150s-1的真实应力-真实应变曲线；
图10为温度-25℃，加载应变率1、10、150s-1的真实应力-真实应变曲线；
图11为温度-40℃，加载应变率1、10、150(s-1)的真实应力-真实应变曲线；
图12为加载应变率1s-1，温度50、20、-10、-25、-40(℃)的真实应力-真实应变曲线；
图13为加载应变率10s-1，温度50、20、-10、-25、-40(℃)的真实应力-真实应变曲线；
图14为加载应变率150s-1，温度50、20、-10、-25、-40(℃)的真实应力-真实应变曲线。
其中，1—定位螺母，2—端盖保温层，3—端盖，4—动压头，5—套筒保温层，6—热电阻，7—定向泄压孔，8—金属套筒，9—温度传感器，10—挡板，11—支撑座，12—氮源，13—流量阀，14—温度控制系统，15—温度数显器，16—可移除弹性密封圈。
具体实施方式
图1为本发明测试方法的基本流程图，下面将结合附图对本发明的优选实施方案进行详细说明。
按照图1的基本流程，本发明一种高低温条件下改性双基推进剂中应变率压缩应力应变测试方法，具体包括以下步骤：
步骤一，制定试验计划，进行50℃条件下的改性双基推进剂试样中应变率(1s-1、10s-1、150s-1)压缩试验。
步骤二，将制备好的改性双基推进剂圆柱试件放入可程式恒温试验机，设置温度控制程式，按照设置温度50℃并保温3h。
步骤三，给液压伺服测试系统加装原位保温装置(图2)，放入一个调试用试件，将动压头手动微调至刚刚能测到力不为零，记录此时位移坐标，该坐标为距离支撑座约20mm的坐标；在此基础上设置液压伺服测试系统动压头三个工位，动压头底面距离支撑座200mm的悬停位，动压头底面距离支撑座30mm的高位，动压头底面距离支撑座8mm的低位。
上述步骤三所设置的三个动压头工位，悬停位用于移除弹性密封圈并将保温后的试件放入温度控制系统，高位用于放入试件后的开放条件下二次保温及作为动压头接触试件前达到设置速度的缓冲高度，低位用于放入试件前密封式快速调整原位温度及试验时使试件最大变形量约60％的压缩极限位置。
步骤四，调试安装好的原位保温装置(图2)，动压头置于悬停位，将密封圈放置在温控装置开口处，降低动压头至低位使端盖与密封圈接触并压紧。通过温控系统控制热电阻加热，使温度数显器的读数稳定在50℃。
步骤五，将动压头上升至悬停位，移除密封圈，迅速将保温好的试件用木质镊子放置在支撑座中心位置。将动压头降低至高位，再次调节原位温控系统使原位温度稳定在50℃并保温5min。
步骤六，根据试验应变率需求计算得到加载速度(其中为工程应变率，v为加载速度，l0为试件长度，t为时间)为20mm/s、200mm/s、3000mm/s，设置液压伺服测试系统加载速度和数据采集频率1000点/s，使动压头按照设定的加载速度从高位运行至低位同时采集时间、位移、力三个一一对应的数据；
步骤七，对数据采集系统采集的时间、位移、力数据进行基于最小二乘法的滤波处理，截取力开始大于零位置的数据为有效数据起点。
步骤八，根据步骤七截取后的数据计算工程应变εE，其中x为变形后位移数据，x0为变形起点位移数据，l0为试件长度；根据计算得到的工程应变计算真实应变εT，εT＝-ln(1-εE)。
步骤九，根据步骤七截取后的数据计算工程应力σE，其中F为步骤五滤波后的力数据，r为圆柱试件的半径；根据计算得到的工程应力和步骤七计算的得到的工程应变，计算真实应力σT，σT＝σE(1-εE)。
步骤十，根据步骤七截取后的数据计算工程应变率，其中为试验实际工程应变率，εE为试件工程应变，t为时间。
步骤十一，根据步骤八计算得到的真实应变数据、步骤九计算得到的真实应力数据，可以得到所测试推进剂试样的真实应力应变曲线。
步骤三所述原位保温装置包括：定位螺母1，端盖保温层2，端盖3，动压头4，套筒保温层5，热电阻6，定向泄压孔7，金属套筒8，温度传感器9，挡板10，支撑座11，氮源12，流量阀13，温度控制系统14，温度数显器15和可移除弹性密封圈16；
可移除的弹性密封圈16能够使套筒密封，带有弧度的端盖3能够在调节温度时形成回流，在端盖3外侧覆盖端盖保温层2，在热电阻6外侧覆盖套筒保温层5，从而能够实现压缩试验前原位试验环境温度的快速调整与保持。通过调节定位螺母1，使移除弹性密封圈16后，动压头4接触底部支撑座11时端盖3与金属套筒8上端仍留有缝隙，保证保温装置内外压强平衡，实现高速加载条件下试件压缩力学性能的高精度测试。液氮出口前设置挡板10，避免高速加载时试件破碎飞溅造成堵塞。温度传感器9用于检测原位保温装置内部温度并通过温度数显器15显示；液氮流量阀13用于控制氮源12的进气量；温控系统14通过控制液氮流量阀13和热电阻6实现温度调节。定向泄压孔7根据液压试验机结构和实验室环境选取开口方向，发生爆炸危险时控制高温燃气定向排除降低危害。
按照上述步骤进行推进剂试样中应变率压缩试验，图3、图4给出的结果表明试验过程中的工程应变率能够达到并稳定在目标应变率附近。图5、图6给出了工程应力应变曲线和真实应力应变曲线的差异。图7给出了50℃条件下不同应变率水平的真实应力应变曲线，可用于分析高温条件下改性双基推进剂力学性能的率相关性。
将不同温度不同应变率下的真实应力应变曲线进行对比，一定温度下不同应变率的压缩应力应变响应(图7-11)、相同应变率下不同温度下的压缩应力应变响应(图12-14)，从而可以用于分析推进剂试样应力应变响应的率相关性及温度对其的影响，为研究包含温度的率相关本构模型建立基础。
实施例2
按照上述实施例1的试验过程，步骤一、四和五中将温度设置为20℃，其余步骤相同，可以得到图8所示的试验结果。
实施例3
按照上述实施例1的试验过程，步骤一、四和五中将温度设置为-10℃，其余步骤相同，可以得到图9所示的试验结果。
实施例4
按照上述实施例1的试验过程，步骤一、四和五中将温度设置为-25℃，其余步骤相同，可以得到图10所示的试验结果。
实施例5
按照上述实施例1的试验过程，步骤一、四和五中将温度设置为-40℃，其余步骤相同，可以得到图11所示的试验结果。
综合以上实施例1～5的试验结果，可以得到图12～14所示，在同一应变率下不同温度条件的真实应力应变曲线，可用于分析中应变率水平下温度对改性双基推进剂力学性能的影响，为建立温度相关的本构模型提供基础。
以上所述描述对本发明的目的、技术方案和有益性进行了进一步说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的优选具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，实际操作中可以对实施过程中的各技术方案进行修改。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种改性双基推进剂中应变率高低温压缩响应测试方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一、将制备好的改性双基推进剂圆柱试件放入可程式恒温试验机，设置温度控制程式进行保温；
步骤一所述可程式恒温试验机设定温度为目标试验温度，试验温度高温极限50℃、低温极限-40℃；
步骤二、给液压试验机安装原位保温装置，将可移除弹性密封圈放置在原位保温装置开口处，降低动压头使端盖与可移除弹性密封圈接触并压紧；根据需求调节温控系统，使原位保温装置中的温度与步骤一可程式恒温试验机的温度相同；
步骤三、将动压头上升，移除可移除弹性密封圈，同时迅速将步骤一保温好的试件放置在支撑座中心位置；降低动压头至动压头底面靠近试件上端面；根据温度数显器调节温控系统，使原-位保温装置内部温度稳定在目标试验温度并保温；
步骤四、根据试验应变率需求，按照公式(1)，计算得到加载速度；
其中，为工程应变率，v为加载速度，l0为试件长度，t为时间；设置液压伺服测试系统加载速度和数据采集频率，使动压头按照设定的加载速度进行压缩试验，同时采集时间、位移和力三个一一对应的数据；
步骤五、对数据采集系统采集的时间、位移和力数据进行基于最小二乘法的滤波处理，截取力开始大于零位置的数据为有效数据起点；
步骤六、根据步骤五滤波后的数据，通过公式(2)计算工程应变，
其中εE为试件工程应变，x为变形后位移数据，x0为变形起点位移数据，l0为试件长度；根据计算得到的工程应变计算真实应变εT，εT＝-ln(1-εE)；
步骤七、根据步骤五滤波后的数据，通过公式(3)计算工程应力；
其中σE为工程应力，F为步骤五滤波后的力数据，r为圆柱试件的半径；根据计算得到的工程应力和步骤六计算的得到的工程应变，计算真实应力σT，σT＝σE(1-εE)；
步骤八、根据步骤六计算得到的真实应变数据和步骤七计算得到的真实应力数据，得到所测试推进剂试样的真实应力应变曲线。
2.如权利要求1所述的一种改性双基推进剂中应变率高低温压缩响应测试方法，其特征在于：步骤二所述原位保温装置包括：定位螺母(1)，端盖保温层(2)，端盖(3)，动压头(4)，套筒保温层(5)，热电阻(6)，定向泄压孔(7)，金属套筒(8)，温度传感器(9)，挡板(10)，支撑座(11)，氮源(12)，流量阀(13)，温度控制系统(14)，温度数显器(15)和可移除弹性密封圈(16)；
可移除的弹性密封圈(16)能够使套筒密封，带有弧度的端盖(3)能够在调节温度时形成回流，在端盖(3)外侧覆盖端盖保温层(2)，在热电阻(6)外侧覆盖套筒保温层(5)，从而能够实现压缩试验前原位试验环境温度的快速调整与保持；通过调节定位螺母(1)，使移除弹性密封圈(16)后，动压头(4)接触底部支撑座(11)时端盖(3)与金属套筒(8)上端仍留有缝隙，保证保温装置内外压强平衡，实现高速加载条件下试件压缩力学性能的高精度测试；液氮出口前设置挡板(10)，避免高速加载时试件破碎飞溅造成堵塞；温度传感器(9)用于检测原位保温装置内部温度并通过温度数显器(15)显示；液氮流量阀(13)用于控制氮源(12)的进气量；温控系统(14)通过控制液氮流量阀(13)和热电阻(6)实现温度调节；定向泄压孔(7)根据液压试验机结构和实验室环境选取开口方向，发生爆炸危险时控制高温燃气定向排除降低危害。
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