CN109900561B - 一种固体推进剂粘弹性泊松比-应变率主曲线构造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种固体推进剂粘弹性泊松比应变率主曲线构造方法，该构造方法包括设计单向定速拉伸试验方案、表面信息采集、计算固体推进剂粘弹性泊松比、绘制等温曲线族、计算平移量、输出固体推进剂粘弹性泊松比应变率主曲线数据点、拟合固体推进剂粘弹性泊松比应变率主曲线等八个步骤。与现有技术相比，本发明提供的固体推进剂粘弹性泊松比应变率主曲线构造方法，实现在不同目标温度点和不同目标拉伸速率下固体推进剂粘弹性泊松的非接触测量，避免了测量过程中的附加刚度对泊松比测量结果的影响，且误差小，精确度高。
Description
技术领域
本发明涉及固体发动机技术领域，尤其是一种固体推进剂粘弹性泊松比应变率主曲线构造方法。
背景技术
固体推进剂是典型的粘弹性材料，其粘弹性泊松比是固体发动机结构完整性分析的重要输入参数。在分析固体发动机药柱结构完整性时，只有在已知了推进剂泊松比的前提下才能正确计算药柱处于某种状态时其内部各处产生的应力和应变，进而再根据破坏判据评估在相应状态下是否发生破坏。由于推进剂的粘弹特性，其泊松比实际上是一个与时间、温度、加载速率密切相关的粘弹性材料参数。
目前针对固体推进剂粘弹性泊松比的测量方法主要可以分为接触式测量和非接触式测量。由于推进剂模量低、易变形，接触式测量方法会给推进剂的被测区域带来附加刚度，从而导致较大的测量误差。现有的非接触式测量方法主要有应变电测法和引伸计法。应变电测法是使用应变片来测量试样表面被测区域的纵向应变和横向应变并通过二者之比计算泊松比。这种方法适用于金属材料的泊松比测量，由于粘弹性材料模量较低，如果将应变片粘贴在粘弹性材料上测量其变形会因应变片给材料带来局部附加刚度而引起不必要的局部变形，导致较大的测量误差。引伸计测量法则是利用引伸计测量试样两点之间的变形获取被测区域的纵向应变和横向应变，然后根据二者之比计算泊松比。该方法虽然原理简单且易实现，但是在将引伸计固定在推进剂试样上的时候，引伸计的夹持力和自身重力会增加推进剂被测区域的附加刚度，引起附加变形，给测量引入了不必要的误差。
发明内容
本发明提供一种固体推进剂粘弹性泊松比应变率主曲线构造方法，用于克服现有技术中存在测量过程中的附加刚度对泊松比测量结果的影响等缺陷，实现在不同目标温度点和不同目标拉伸速率下固体推进剂粘弹性泊松比的非接触测量，误差小、精确度高。
为实现上述目的，本发明提出一种固体推进剂粘弹性泊松比应变率主曲线构造方法，包括以下步骤：
(1)设计对固体推进试样在不同目标温度点、不同目标拉伸速率下进行单向定速拉伸试验方案，以获得不同目标温度点和不同目标拉伸速率下单向定速拉伸试验过程中固体推进剂的表面信息；
(2)根据步骤(1)设计的试验方案进行不同目标温度点和不同目标拉伸速率下单向定速拉伸试验过程中固体推进剂表面信息的采集；
(3)对步骤(2)采集到的固体推进剂试样表面信息进行处理，计算出不同目标温度点及其对应的每种目标拉伸速率下的固体推进剂粘弹性泊松比；
(4)利用折合变量的处理方法将拉伸速率转化为lgR，R表示应变率的数值，绘制固体推进剂粘弹性泊松比随lgR变化的等温曲线族；
(5)在步骤(4)获得的等温曲线族中选定一条温度曲线的温度作为绘制泊松比应变率主曲线的参考温度点，之后求解等温曲线族中其他各条温度曲线平移到所述参考温度应变率主曲线的平移量lgαT，αT表示温度转换因子；
(6)计算折合应变率
输出固体推进剂粘弹性泊松比应变率主曲线数据点，R表示应变率的数值，αT表示温度转换因子；
(7)将步骤(6)得到的固体推进剂粘弹性泊松比应变率主曲线数据点拟合成步骤(5)选定的等温曲线的温度下的固体推进剂粘弹性泊松比应变率主曲线。
本发明提供的一种固体推进剂粘弹性泊松比应变率主曲线构造方法，包括设计单向定速拉伸试验方案、表面信息采集、计算固体推进剂粘弹性泊松比、绘制等温曲线族、计算平移量、输出固体推进剂粘弹性泊松比应变率主曲线数据点、拟合固体推进剂粘弹性泊松比-应变率主曲线等八个步骤。设计的单向定速拉伸试验方案科学合理，能够确保后续的信息采集完整、全面；固体推进剂试样的表面信息采集方便快捷，且采集的信息清晰、真实性高；对表面信息的处理，过程简单、效率高，精确度高；之后通过折合变量的方法，绘制固体推进剂粘弹性泊松比-应变率等温线，选定参考温度，计算平移量，输出平移后的固体推进剂粘弹性泊松比试验值，最后拟合得到固体推进剂粘弹性泊松比应变率主曲线，过程清晰，方法简单，易于实现，解决了固体推进剂测试条件与使用条件差异性的问题，且避免了测量过程中的附加刚度对泊松比测量结果的影响，为结构完整性分析提供有效数据支撑。
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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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示出的结构获得其他的附图。
图1为固体推进剂粘弹性泊松比应变率主曲线构造流程图；
图2为不同目标温度点下固体推进剂粘弹性泊松比随lgR变化等温曲线族；
图3为固体推进剂粘弹性泊松比等温曲线平移后数据点；
图4为固体推进剂粘弹性泊松比应变率主曲线。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。
本发明提出一种固体推进剂粘弹性泊松比应变率主曲线构造方法。
实施例一
请参照图1，本发明提供一种固体推进剂粘弹性泊松比应变率主曲线构造方法，包括以下步骤：
先根据DIC测试原理，搭建非接触式的高精度固体推进剂粘弹性泊松比测量系统；根据DIC测试原理，搭建一套非接触式的高精度固体推进剂粘弹性泊松比测量系统，高精度的试验系统可以获取高质量的数字图像，以及实现固体推进剂粘弹性泊松比的高精度测量。高低温试验箱和微机控制电子式万能试验机分别用来提供试验时所需的温度和加载环境，双远心镜头和高分辨率相机实现试样的图像采集。镜头和相机是固体推进剂粘弹性泊松比高精度测量试验的关键设备。为了减小被测区域的离面位移误差，采用XENOPLAN型双远心镜头，工作距离为195mm，远心深度为±4mm。考虑到单向定速拉伸试验时间较短，为了在试验过程中采集到足够多的图像，获得足够多的信息，要求相机采集图像的帧率不能太低，然而高速相机的分辨率一般都不高，难以准确地处理出推进剂在外载荷下的变形。综合考虑相机的采集帧率和分辨率，最终选用了美国FLIR相机代替原系统中瑞士Baumer公司的TXG50工业数字CCD相机，该相机型号为BFS-U3-123S6，分辨率为4096×3000pixels(1200万像素)，最高帧率可达64FPS。
(1)设计对固体推进试样在不同目标温度点、不同目标拉伸速率下进行单向定速拉伸试验方案，以获得不同目标温度点和不同目标拉伸速率下单向定速拉伸试验过程中固体推进剂的表面信息；
优选地，所述步骤(1)中，所述试验方案为：
选定60℃、40℃、25℃、-20℃、-30℃5个目标温度点，每个所述目标温度点对应2mm/min、100mm/min、200mm/min、500mm/min 4种目标拉伸速率，共进行20组试验，其中每组试验设置3个平行固体推进剂试样，设置多个平行试样，减少偶然误差。
(2)根据步骤(1)设计的试验方案进行不同目标温度点和不同目标拉伸速率下单向定速拉伸试验过程中固体推进剂表面信息的采集；
优选地，所述步骤(2)中，所述表面信息采集的具体步骤包括：
S21：将标记好的固体推进剂试样安装到测量系统试验机的固体推进剂拉伸专用夹具内，关闭所述试验机上高低温试验箱的门，恒温至少1h，以保证固体推进剂试样温度稳定在目标温度点；
S22：安放相机并调整好相机的位置，打开用来排除环境光影响的蓝色环形光源，使所述相机通过高低温试验箱的玻璃窗口能够采集到清晰的固体推进剂试样图像信息，设置相机连续采集控制参数帧率和时长；
所述帧率和时长，具体为：
对于2mm/min的目标拉伸速率，采集帧率设置为0.2FPS，采集时间为1500s；
对于100mm/min的目标拉伸速率，采集帧率设置为10FPS，采集时间为30s；
对于200mm/min的目标拉伸速率，采集帧率设置为20FPS，采集时间为15s；
对于500mm/min的目标拉伸速率，采集帧率设置为50FPS，采集时间为6s。
S23：根据所述步骤(1)设计的试验方案，在试验机上编辑相应的试验程序；
S24：试验机对试样进行单向拉伸实现加载。试验机以0.1mm/min的速度给固体推进剂试样施加预紧，预紧力是为了消除夹具和试验件之间的间隙，然后分别以目标拉伸速率2mm/min、100mm/min、200mm/min和500mm/min
将固体推进剂试样拉伸至断裂，相机自动采集该过程中固体推进剂试样的系列图像信息。
(3)对步骤(2)采集到的固体推进剂试样表面信息进行处理，计算出不同目标温度点及其对应的每种目标拉伸速率下的固体推进剂粘弹性泊松比；
优选地，所述步骤(3)中，具体步骤包括：
S31：将所述步骤(2)采集到的固体推进剂试样的图像信息传输给计算机；
S32：利用VIC-2D软件进行数据处理，将固体推进剂试样一张试验前和一组试验过程中的图像导入VIC-2D软件中，设置试验前的图像为参考图像，并在参考图像上选择一个尺寸大小不超过1mm且有明显特征的点作为分析图像时的参考匹配点，以所述参考匹配点为中心在所述参考图像上选择一个大小为(6～10)×(4～8)mm的匹配区域，区域选择较大会导致计算时间过长，区域选择较小会使计算结果不准确，根据经验一般选择8mm×6mm的矩形匹配区域；
VIC-2D是用于数字图像变形场分析的数字图像相关方法软件，利用零均值归一化最小平方距离相关函数(ZNSSD)和三种不同的插值算法(三次多项式插值、三次B样条插值和五次B样条插值)对采集到的图像进行处理，得到全场位移信息。
S33：求固体推进剂试样在试验过程中的全场位移信息：
S331：指定参考图像匹配点在试验过程中图像上的对应位置；为了能将变形前、后的固体推进剂试样图像进行快速匹配，选择手动匹配，一般手动将试验过程中的前三张图像与参考图像进行匹配；
S332：设置图像匹配算法；选择ZNSSD为图像匹配算法，因ZNSSD相关函数对目标图像的灰度线性变化不敏感，具有较强的抗干扰能力，所以可以提高匹配计算的精度。
S333：VIC-2D软件将会根据步骤S331得到的指定参考图像匹配点在试验过程中图像上的对应位置，自动在之后的所有试验过程中的图像上搜寻所述参考图像匹配点的对应位置，进行位移场计算；
S334：最后拟合位移场函数，输出固体推进剂试样在试验过程中的全场位移信息；
S44：将VIC-2D计算出的固体推进剂试样全场位移信息导入到MATLA(美国MathWorks公司出品的商业数学软件)中，利用位移与应变的关系获得固体推进剂的横、纵两个方向的应变，计算出不同目标温度点及其对应的每种目标拉伸速率下的固体推进剂粘弹性泊松比。
由于VIC-2D获得的离散位移数据中往往含有一定噪声，直接对其进行差分计算来获得应变场会将噪声放大，使得应变场数据不可靠，而逐点最小二乘法是目前使用最广泛的应变测量工具，能够提供精确的应变估计。将VIC-2D计算出的固体推进剂试样全场位移信息导入到MATLA里，利用逐点最小二乘法对位移场进行拟合来获得应变场，即得到固体推进剂试样的横、纵两个方向的应变，然后根据粘弹性材料泊松比与应变之间的关系，最终计算出高精度固体推进剂粘弹性泊松比数据。当进行多组不同目标温度点和不同目标拉伸速率下的所述试验时，即可获得不同目标温度点和不同目标拉伸速率下下的固体推进剂粘弹性泊松比。(4)利用折合变量的处理方法将拉伸速率转化为lgR，R表示应变率的数值，绘制固体推进剂粘弹性泊松比随lgR变化的等温曲线族，如图2所示；
优选地，所述步骤(4)中，所述等温曲线族以lgR为横坐标、以相应的固体推进剂粘弹性泊松比试验值为纵坐标，R表示应变率的数值；
所述lgR参考抗拉强度和伸长率主曲线的处理方法，按式(1)将拉伸速率转化为应变率：
lgR＝lg V-lg L0 (1)
其中，R表示应变率的数值，单位为1/min；L0为试样初始工程标距数值，单位为mm，这里取L0＝70mm；V为拉伸速率的数值，单位为mm/min。利用所述处理方法可将获得的不同目标温度点及其对应的每种目标拉伸速率下的固体推进剂粘弹性泊松比转化为不同目标温度点及其对应的每种应变率下的推进剂泊松比，然后通过绘制不同目标温度点下固体推进剂粘弹性泊松比随lgR变化的曲线可以得到固体推进剂粘弹性泊松比随lgR变化的等温曲线族。
(5)在步骤(4)获得的等温曲线族中选定一条温度曲线的温度作为绘制泊松比应变率主曲线的参考温度点，之后求解等温曲线族中其他各条温度曲线平移到所述参考温度应变率主曲线的平移量lgαT，αT表示温度转换因子；
选定的温度曲线是所求的固体推进剂粘弹性泊松比应变率主曲线的一部分，通过平移其他温度曲线至所述选定的温度曲线从而将等温曲线组绘制成一条曲线，这条曲线就是固体推进剂粘弹性泊松比应变率主曲线，参考温度点的温度曲线的平移量为0。
优选地，所述步骤(5)中，所述平移量lgαT的求解方法包括：
S51：在等温曲线族中选定参考温度点下的温度曲线，可根据需要任意选取；
S52：寻找某一条其他温度点下温度曲线与参考温度点下温度曲线上最相似的线段部分，并在两条曲线所述最相似的线段部分中各选取三点；
S53：求出步骤S52寻找的温度曲线上选取的三点平移至与参考温度曲线上对应的三点重叠所需在水平轴上移动的距离；
S54：求出三点重叠所需在水平轴上移动的距离的平均值，若按所述平均值移动步骤S52寻找的温度曲线并能使其与参考温度曲线最相似的线段部分重叠，则所述平均值为有效值，即为步骤S52寻找的温度曲线的平移量；
S55：重复步骤S52～S54求得其他各温度点下温度曲线的平移量。
注：当温度大于参考温度时，lgαT的值小于零；当温度小于参考温度时，lgαT的值大于零；当温度等于参考温度时，lgαT的值等于零。
(6)计算折合应变率
输出固体推进剂粘弹性泊松比应变率主曲线数据点，如图3所示，R表示应变率的数值，αT表示温度转换因子；
优选地，所述步骤(6)中，所述折合应变率
利用式(2)求得：
其中，R表示应变率的数值，αT表示温度转换因子，V为拉伸速率的数值，L0为试样初始工程标距数值。
(7)将步骤(6)得到的固体推进剂粘弹性泊松比应变率主曲线数据点拟合成步骤(5)所选参考温度点下的固体推进剂粘弹性泊松比应变率主曲线，如图4所示。
把若干温度的泊松比-应变率曲线叠加成所选参考温度下长应变率范围的泊松比-应变率曲线，这一叠加曲线即为固体推进剂粘弹性泊松比应变率主曲线，该固体推进剂粘弹性泊松比应变率主曲线构造后就可以求得各种应变率下对应的泊松比值。
优选地，所述步骤(7)中，所述拟合采用非线性最小二乘拟合法；所述固体推进剂粘弹性泊松比应变率主曲线以
为横坐标、以对应的固体推进剂粘弹性泊松比试验值为纵坐标。最终，将固体推进剂试样在不同目标温度点下测得的固体推进剂粘弹性泊松比拟合成如下的Prony级数：
其中v(R)表示随应变率变化的固体推进剂粘弹性泊松比，v0表示初始固体推进剂粘弹性泊松比，vn表示第n个应变率点对应的固体推进剂粘弹性泊松比，
表示第n个应变率点，R表示应变率的数值。
有了数据点就可以编程插值拟合曲线，曲线的表达式选择Prony级数的形式。Prony级数更接近粘弹性固体，既能反应粘弹性固体的瞬时弹性响应，也能反应它的持久响应。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种固体推进剂粘弹性泊松比-应变率主曲线构造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)设计对固体推进试样在不同目标温度点、不同目标拉伸速率下进行单向定速拉伸试验方案，以获得不同目标温度点和不同目标拉伸速率下单向定速拉伸试验过程中固体推进剂的表面信息；
(2)根据步骤(1)设计的试验方案进行不同目标温度点和不同目标拉伸速率下单向定速拉伸试验过程中固体推进剂表面信息的采集；
(3)对步骤(2)采集到的固体推进剂试样表面信息进行处理，计算出不同目标温度点及其对应的每种目标拉伸速率下的固体推进剂粘弹性泊松比；具体步骤包括：
S31：将所述步骤(2)采集到的固体推进剂试样的图像信息传输给计算机；
S32：利用VIC-2D软件进行数据处理，将固体推进剂试样一张试验前和一组试验过程中的图像导入VIC-2D软件中，设置试验前的图像为参考图像，并在参考图像上选择一个尺寸大小不超过1mm且有明显特征的点作为分析图像时的参考匹配点，以所述参考匹配点为中心在所述参考图像上选择一个大小为(6～10)×(4～8)mm的匹配区域；
S33：求固体推进剂试样在试验过程中的全场位移信息：
S331：指定参考图像匹配点在试验过程中图像上的对应位置；
S332：设置图像匹配算法；
S333：VIC-2D软件将会根据步骤S331得到的指定参考图像匹配点在试验过程中图像上的对应位置，自动在之后的所有试验过程中的图像上搜寻所述参考图像匹配点的对应位置，进行位移场计算；
S334：最后拟合位移场函数，输出固体推进剂试样在试验过程中的全场位移信息；
S34：将VIC-2D计算出的固体推进剂试样全场位移信息导入到MATLAB中，利用位移与应变的关系获得固体推进剂的横、纵两个方向的应变，计算出不同目标温度点及其对应的每种目标拉伸速率下的固体推进剂粘弹性泊松比；
(4)利用折合变量的处理方法将拉伸速率转化为lgR，R表示应变率的数值，绘制固体推进剂粘弹性泊松比随lgR变化的等温曲线族；
(5)在步骤(4)获得的等温曲线族中选定一条温度曲线的温度作为绘制泊松比-应变率主曲线的参考温度点，之后求解等温曲线族中其他各条温度曲线平移到所述参考温度应变率主曲线的平移量lgαT，αT表示温度转换因子；
(6)计算折合应变率
输出固体推进剂粘弹性泊松比-应变率主曲线数据点，R表示应变率的数值，αT表示温度转换因子；
(7)将步骤(6)得到的固体推进剂粘弹性泊松比-应变率主曲线数据点拟合成步骤(5)所选参考温度下的固体推进剂粘弹性泊松比-应变率主曲线。
2.如权利要求1所述的一种固体推进剂粘弹性泊松比-应变率主曲线构造方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述试验方案为：
选定60℃、40℃、25℃、-20℃、-30℃5个目标温度点，每个所述目标温度点对应2mm/min、100mm/min、200mm/min、500mm/min 4种目标拉伸速率，共进行20组试验，其中每组试验设置3个平行固体推进剂试样。
3.如权利要求1所述的一种固体推进剂粘弹性泊松比-应变率主曲线构造方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述表面信息采集的具体步骤包括：
S21：将标记好的固体推进剂试样安装到测量系统试验机的固体推进剂拉伸专用夹具内，关闭所述试验机上高低温试验箱的门，恒温至少1h，以保证固体推进剂试样温度稳定在目标温度点；
S22：安放相机并调整好相机的位置，打开用来排除环境光影响的蓝色环形光源，使所述相机通过高低温试验箱的玻璃窗口能够采集到清晰的固体推进剂试样图像信息，设置相机连续采集控制参数帧率和时长；
S23：根据所述步骤(1)设计的试验方案，在试验机上编辑相应的试验程序；
S24：试验机以0.1mm/min的速度给固体推进剂试样施加预紧，然后分别以目标拉伸速率将固体推进剂试样拉伸至断裂，相机自动采集该过程中固体推进剂试样的系列图像信息。
4.如权利要求3所述的一种固体推进剂粘弹性泊松比-应变率主曲线构造方法，其特征在于，所述帧率和时长，具体为：
对于2mm/min的目标拉伸速率，采集帧率设置为0.2FPS，采集时间为1500s；
对于100mm/min的目标拉伸速率，采集帧率设置为10FPS，采集时间为30s；
对于200mm/min的目标拉伸速率，采集帧率设置为20FPS，采集时间为15s；
对于500mm/min的目标拉伸速率，采集帧率设置为50FPS，采集时间为6s。
5.如权利要求1所述的一种固体推进剂粘弹性泊松比-应变率主曲线构造方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述等温曲线族以lgR为横坐标、以相应的固体推进剂粘弹性泊松比试验值为纵坐标，R表示应变率的数值；
所述lgR参考抗拉强度和伸长率主曲线的处理方法，按式(1)将拉伸速率转化为应变率：
lgR＝lgV-lgL0 (1)
其中，R表示应变率的数值，单位为1/min；L0为试样初始工程标距数值，单位为mm，已知量；V为拉伸速率的数值，单位为mm/min。
6.如权利要求1所述的一种固体推进剂粘弹性泊松比-应变率主曲线构造方法，其特征在于，所述步骤(5)中，所述平移量lgαT的求解方法包括：
S51：在等温曲线族中选定参考温度点下的温度曲线，可根据需要任意选取；
S52：寻找某一条其他温度点下温度曲线与参考温度点下温度曲线上最相似的线段部分，并在两条曲线所述最相似的线段部分中各选取三点；
S53：求出步骤S52寻找的温度曲线上选取的三点平移至与参考温度曲线上对应的三点重叠所需在水平轴上移动的距离；
S54：求出三点重叠所需在水平轴上移动的距离的平均值，若按所述平均值移动步骤S52寻找的温度曲线并能使其与参考温度曲线最相似的线段部分重叠，则所述平均值为有效值，即为步骤S52寻找的温度曲线的平移量；
S55：重复步骤S52～S54求得其他各温度点下温度曲线的平移量。
7.如权利要求1所述的一种固体推进剂粘弹性泊松比-应变率主曲线构造方法，其特征在于，所述步骤(6)中，所述折合应变率
利用式(2)求得：
其中，R表示应变率的数值，αT表示温度转换因子，V为拉伸速率的数值，L0为试样初始工程标距数值。
8.如权利要求1所述的一种固体推进剂粘弹性泊松比-应变率主曲线构造方法，其特征在于，所述步骤(7)中，所述拟合采用非线性最小二乘拟合法；所述固体推进剂粘弹性泊松比-应变率主曲线以
为横坐标、以对应的固体推进剂粘弹性泊松比试验值为纵坐标。
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-
2019
- 2019-03-21 CN CN201910215832.8A patent/CN109900561B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| CN109900561A (zh) | 2019-06-18 |
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