CN110261232A - 船用复合材料平板机械力学性能测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种船用复合材料平板机械力学性能测试装置。包括复合材料边界刚性固定装置、水囊增压装置和自动化控制系统，所述的边界刚性固定装置包括上限位框和下限位框，所述的水囊增压装置包括注水橡胶管、水囊和增压泵，水囊置于下限位框上，待测复合材料平板试件固定在下限位框与上限位框之间，所述的自动化控制系统包括自动化控制终端设备、数据处理单元和数据存储单元。本发明利用水囊加压模拟复合材料平板受到均布载荷情况下的静力性能，具有性能可靠、加载精度高，安全性能高，易维护等优点，同时通过自动化控制系统设计，缩短数据处理的时间，能够有效提高试验效率。

Description

船用复合材料平板机械力学性能测试装置

技术领域

本发明涉及的是一种平板材料力学性能测试装置，具体地说是一种适用于大尺寸平板材料力学性能测试的装置。

背景技术

由于对船舶上层建筑等部位的重量有所限制，所以需要选择质量轻、强度高的材料。与传统船用钢等金属材料相比，复合材料具有质量轻、等效防护能力强等特点，长被用于船舶上层建筑等部位。船用复合材料作为上层建筑使用时，主要考虑载荷为上浪砰击载荷，该载荷主要形式为均布载荷。

目前，复合材料平板力学性能测试方式较少，常用方法包括重物堆载法、作动器分配梁加载法、气囊加载法等。重物堆载法原理简单、但灵活性不足，加载方式困难；作动器分配梁加载法，由分配梁和桁架将载荷通过多点施加于试件表面，但这样加载会存在一定的局部效应；气囊加载法，但气囊增压危险系数较高，易发生爆炸；且这三种加载方式，主要为人工手动操作，操作繁琐；同时其数据采集、分析耗费时间较长，效率低下；同时测量试件的尺度较小。

复合材料平板在投入舰船实际使用前，均需要对力学性能进行测量，确定其构件的强度、刚度、稳定性。如舰船上层建筑舱壁等边界均刚性固定，测试装置需要准确反映复合材料平板实际使用过程中整体的变形等问题。目前，对于大尺度复合材料平板的静力学性能参数测试方面仍未有成熟自动化测试装置。

因此，需要设计一种力学性能自动化测试装置，能够描述复合材料平板由于均布静态压力作用下的不同位置变形过程，对材料板的刚度、强度进行测试，同时自动化控制操作可以有效节约人工试验时间，缩短数据处理时长，可在实船应用前较为准确的测量复合材料平板的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种性能可靠、加载精度高的船用复合材料平板机械力学性能测试装置。

本发明的目的是这样实现的：

包括复合材料边界刚性固定装置、水囊增压装置和自动化控制系统，所述的边界刚性固定装置包括上限位框和下限位框，所述的水囊增压装置包括注水橡胶管、水囊和增压泵，水囊置于下限位框上，待测复合材料平板试件固定在下限位框与上限位框之间，所述的自动化控制系统包括自动化控制终端设备、数据处理单元和数据存储单元。

本发明还可以包括：

1.所述的自动化控制终端设备包括中央处理器及与其相连接的显示器、增压泵控制线路接入端、应变片控制线路接入端、位移传感器控制线路接入端，以及增压泵压力传感器、位移采集器、位移传感器、三向应变片、静态应变仪，增压泵控制线路接入端通过线路连接增压泵压力传感器，应变片控制线路接入端通过线路连接静态应变仪、三向应变片，位移传感器控制线路接入端通过线路连接位移采集器、位移传感器，通过中央处理器操作控制增压泵，并在显示器显示各传感器状态。

2.增压泵压力传感器安装在水囊与增压泵之间的注水橡胶管上。

3.上限位框上放置位移测量架，位移传感器安装在位移测量架上。

4.三向应变片贴在待测复合材料平板的上表面。

5.下限位框的底部带有限制水囊在竖直方向变形的钢板，钢板底部设置十字交错的梁。

6.下限位框上预留注水橡胶管使用的通孔。

7.待测复合材料平板试件的周边预制有限位边。

为了解决均布静态压力作用于边界固定状态下的复合材料平板舱壁时，难以快速有效测量复合材料发生变形过程中的力学性能参数、难以准确描述复合材料平板舱壁变形等问题，同时考虑现有试验技术的安全、低效等问题，本发明在已公开的技术上进行创新，设计水囊增压装置，结合自动化控制系统，发明一种高效、安全的力学性能自动化测量装置。水囊加载较为适用于平板、或光顺曲面结构的均布载荷加载，水囊作为载荷传递装置由于刚度较小在试验构件变形后仍能保证紧密接触，能较好的实现均布载荷的模拟。因此，本发明进行了如下设计：

1.本发明解决问题：设计一种力学性能自动化测试装置，在边界刚性固定情况下，解决实船大尺度复合材料受到均布静态压力作用时力学性能测试问题，并设计自动化控制加压、采集分析数据系统，解决人工加载繁琐性，缩短试验时间、提高试验效率。

2.本发明具体技术方案：

参考GJB4000-2000《舰船通用规范》，复合材料平板作为上层建筑受到的主要载荷范围为2.94KPa～9.8KPa。复合材料平板由于受自身结构影响，当边长超过1.4m时，易产生弯曲变形。边长在1m至1.4m内时，可以达到较好的抗冲击防护效果。复合材料变形一般不超过板厚二分之一。针对以上应用现状，进行如下技术方案设计：

为了实现在边界刚性固定情况下，解决复合材料平板受到均布静态压力作用时，自动加压问题、试件表面不同位置变形的测量并自动记录分析问题。

本发明的有益效果包括：

1.为了模拟实船舱壁刚性固接的边界条件，本发明设计了边界刚性紧固装置，可进行大尺度尺度复合材料平板静态力学测试试验。

2.水囊加载方便快捷安全，并能够准确传递载荷到待测复合材料平板。并且对比已有的气囊加载工具，安全性能更高。

3.实现输入板材参数、输入压力值水泵自动加压控制、位移数据采集分析(生成输入应力—位移曲线)、应变数据采集分析(生成输入应力—位移曲线)为一体，通过控制程序进行水囊增压、数据分析、记录存储等全部工作。

4.本发明结构简单，测试压力范围大，水囊加工简便，边界刚性固定装置成本低廉，自动化控制程序提高试验效率，可以有效应用于舰用复合材料平板力学性能测试领域。

因此，本发明所介绍的实验装置为复合材料平板力学性能验证提供了一种有效的参考。

附图说明

图1为边界刚性固定装置示意性截面图及局部放大图；

图2为图1A处放大图；

图3为待测复合材料平板加工试件图；

图4为位移测量装置示意图；

图5为本发明装置整体布置图；

图6a为下限位框俯视图、图6b为下限位框仰视图、图6c为下限位框主视图、图6d为下限位框斜45°示意图；

图7为水囊均布增压装置示意图；

图8为本发明自动控制系统结构图；

图9为数据处理单元、数据存储单元工作流程图；

图10为本发明自动化控制程序流程原理图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

该水压式舰用复合材料板机械力学性能自动化测试装置包括复合材料边界刚性固定装置、水囊增压装置、自动化控制系统，自动化控制系统包括：自动化控制终端设备、数据处理单元、数据存储单元。自动化控制终端设备包括：中央处理器，及与其相连接的显示器、增压泵控制线路接入端、应变片控制线路接入端、位移传感器控制线路接入端，以及压力传感器、位移采集器、位移传感器、三向应变片、静态应变仪。增压泵控制线路接入端通过线路连接增压泵压力传感器，应变片控制线路接入端通过线路连接静态应变仪、三向应变片，位移传感器控制线路接入端通过线路连接位移采集器、位移传感器，连接后，通过中央处理器可操作控制增压泵，并在显示器显示装置各传感器状态。

边界刚性固定装置4由上限位框401、下限位框402、定位六角螺母、紧固六角螺母组成。上限位框401、下限位框402均由方钢与梁焊接而成，下限位框402底部由十字交错的梁与钢板焊接，主要限制水囊301在竖直方向的变形。

注水橡胶管302与水囊301、增压泵303相连，下限位框预留橡皮管使用的通孔。水囊301置于下限位框402内，提前充适量水使水囊301与下限位框402壁面接触贴合但不超过下限位框402上表面梁，将按照限位框测试尺寸形状加工好的待测复合材料平板试件1水平放置在下限位框402上，通过定位六角螺栓定位安装上限位框401，再使用紧固六角螺母固定，待测复合材料平板1四周受上限位框401与下限位框402紧固达到边界刚性固定。待测复合材料平板1上表面贴三向应变片，上限位框401上放置位移测量架201。水囊均布增压装置3由水囊301、橡胶管302、增压泵303、压力传感器304组成。当水囊均布增压装置处于工作状态时，通过增压泵303进行充水。各接入端连接中央处理器，数据处理单元在试验时处理数据，以达到控制效果。

数据处理单元通过控制程序，进行自动化控制增压、采集记录数据、分析存储数据。通过计算机可读程序进行数据采集、分析，具体执行内容为：

①输入待测复合材料试件长宽高参数，自动记录板厚二分之一数据；

②输入设定试验工况压力值，控制增压泵进行抽水进入水囊进行增压，达到设定工况值后，停止增压；增压过程中，位移传感器测试复合材料板板厚变形达到二分之一时，停止增压，采集压力数据；

③达到设定压力值后，反馈控制数据采集系统采集位移传感器、应变片数据，采集完成输入控制数据分析系统；

④获取位移数据、应变数据、进而分析生成对应输入压力—位移曲线、输入压力—应变曲线；

⑤分别存储位移数据、应变数据、分析结果。

下面介绍本发明的使用方法：

1.设备使用方式

本发明主要构成部分如图4、5所示，系统主体发明部分为边界刚性固定装置4、水囊均布增压装置3、自动化控制系统5，除此之外还包括位移测量装置2。

将水囊301水平放置于下限位框402内，限位框可进行1m×1m至1.4m×1.4m大尺度试件进行试验，如图1所示，限位框采用材料为Q235钢，厚度为5mm，成本较低，结构强度高，通过ABAQUS设计计算，限位框可以承受1m×1m复合材料板在0kpa至300kpa压力测试范围内的试验测试。下限位框402位于整个试验装置的最底端，主要由纵横交叉的钢梁、限位钢板所组成，其主要作用为限制水囊301在竖直方向的变形，保证水囊301的有效充水量，使水囊301在充水工作状态下与待测复合材料平板试件相接触。

同时，待测复合材料平板试件考虑舰船的板格结构，避免在上下限位框夹持部分先发生破坏，在待测复合材料平板试件1夹持部位进行延长加框增强。因此如图3所示，待测复合材料平板试件的试验测试范围为1000mm×1000mm。

按照图3所示设计待测复合材料平板试件1，然后放置上限位框401，使用限位螺栓定位，使用紧固螺栓固定。可在待测复合材料平板1上选择测试位置粘贴三向应变片，放置位移测量架。位移测量架由断桥铝杆制成，具有质量轻，对下方试验装置测量影响较小。

增压泵控制线路接入端通过线路连接增压泵压力传感器，应变片控制线路接入端通过线路连接静态应变仪，三向应变片通过线路连接静态应变仪，位移传感器控制线路接入端通过线路连接位移采集器，位移传感器通过线路连接位移采集器，连接后，通过中央处理器可操作控制系统工作。

试验时，通过手动输入工况压力值，控制增压泵增压到设定数值，保持静止30秒，操作系统采集应变值、位移值，数据自动传输至数据处理单元。水囊均布增压装置3具有保压功能。

2.设备工作过程及数据测量

根据待测复合材料强度验证要求进行相对应试验。

1)根据图1至5对水压式舰用复合材料板机械力学性能测试装置进行安装。检查水囊301密封性；预加载水囊301压力，检查系统操作是否正常。检查紧固螺栓是否拧紧，并测量上限位框401、下限位框402四边间距是否一致；检查静态应变仪5与三向应变片5连接及信号传输状态，检查位移传感器202与位移采集器2连接状态；

2)按照试验设计工况，安装复合材料平板试件1，检测初始压力值是否为0；增压泵(303)通过增压使水囊301内部压力增加，加压到指定压力值后，静置30秒，水囊301压力均匀作用于待测复合材料平板1下表面，复合材料平板1上表面粘贴的三向应变片产生阻值变化，同时发生变形由位移传感器202测量，操作数据采集系统将采集的应变片信号及位移信号记录。数据处理单元通过采集的位移数据、应变数据、进而分析生成对应输入压力—位移曲线、输入压力—应变曲线；分别手动操作存储位移数据、应变数据、分析结果。

3)进行下一工况压力值加压；

4)循环操作，至试验完成。

Claims (8)

1.一种船用复合材料平板机械力学性能测试装置，包括复合材料边界刚性固定装置、水囊增压装置和自动化控制系统，其特征是：所述的边界刚性固定装置包括上限位框和下限位框，所述的水囊增压装置包括注水橡胶管、水囊和增压泵，水囊置于下限位框上，待测复合材料平板试件固定在下限位框与上限位框之间，所述的自动化控制系统包括自动化控制终端设备、数据处理单元和数据存储单元。

2.根据权利要求1所述的船用复合材料平板机械力学性能测试装置，其特征是：所述的自动化控制终端设备包括中央处理器及与其相连接的显示器、增压泵控制线路接入端、应变片控制线路接入端、位移传感器控制线路接入端，以及增压泵压力传感器、位移采集器、位移传感器、三向应变片、静态应变仪；增压泵控制线路接入端通过线路连接增压泵压力传感器，应变片控制线路接入端通过线路连接静态应变仪、三向应变片，位移传感器控制线路接入端通过线路连接位移采集器、位移传感器，通过中央处理器操作控制增压泵，并在显示器显示各传感器状态。

3.根据权利要求2所述的船用复合材料平板机械力学性能测试装置，其特征是：增压泵压力传感器安装在水囊与增压泵之间的注水橡胶管上。

4.根据权利要求3所述的船用复合材料平板机械力学性能测试装置，其特征是：上限位框上放置位移测量架，位移传感器安装在位移测量架上。

5.根据权利要求4所述的船用复合材料平板机械力学性能测试装置，其特征是：三向应变片贴在待测复合材料平板的上表面。

6.根据权利要求5所述的船用复合材料平板机械力学性能测试装置，其特征是：下限位框的底部带有限制水囊在竖直方向变形的钢板，钢板底部设置十字交错的梁。

7.根据权利要求6所述的船用复合材料平板机械力学性能测试装置，其特征是：下限位框上预留注水橡胶管使用的通孔。

8.根据权利要求7所述的船用复合材料平板机械力学性能测试装置，其特征是：待测复合材料平板试件的周边预制有限位边。