CN111562185A - 薄膜冲击测试设备和测试方法 - Google Patents

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CN111562185A CN202010440481.3A CN202010440481A CN111562185A CN 111562185 A CN111562185 A CN 111562185A CN 202010440481 A CN202010440481 A CN 202010440481A CN 111562185 A CN111562185 A CN 111562185A
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朱海斌
何志峰
马少鹏
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Abstract

本申请涉及一种薄膜冲击测试设备和测试方法，属于材料测试技术领域，不同于传统鼓泡仪的准静态离面加载，通过阀门可以对压缩气体进行精确控制，通过瞬时释放不同压力条件下的压缩气体实现对薄膜进行不同加载率下的离面冲击加载，通过压力计和变形测量系统得到不同加载率条件下的材料力学参数，对薄膜材料进行动态应力测试，表征材料在动态非线性阶段的变形行为，得到准确的薄膜材料参数。

Description

薄膜冲击测试设备和测试方法
技术领域
本申请涉及材料测试技术领域，特别是涉及一种薄膜冲击测试设备和测试 方法。
背景技术
针对获取材料的力学性能参数，首先需要进行材料力学测试，然后通过必 要的计算分析来获取所需参数。对于柔性薄膜材料力学性能参数的测定，可以 采用鼓泡实验法来开展薄膜材料的力学性能测试。鼓泡法能够较准确地反映柔 性膜材的实际服役工况。相关技术中，在进行鼓泡实验时，将试样安装在带孔 的测试台上，在膜一侧逐渐增加均匀压力，并利用传感器(如激光位移计等) 测出膜中心点的挠度，从而得到膜的挠度和鼓泡装置内腔压力的变化曲线，结 合适当的理论模型可求得膜材的应力-应变曲线及残余应力等参数。
尽管鼓泡法能较为真实反映柔性膜材服役过程中的受力状况，但是这种实 验方法仍然存在一些明显的不足，主要包括：当前鼓泡实验法需要基于一些假 设，并非薄膜试样的实际形貌；大部分鼓泡实验法针对薄膜材料准静态力学性 能测试，其主要关注弹性模量以及屈服强度的测量；而实际形貌的薄膜试样会 发生非线性形变，通过准静态力学性能测试难以表征材料在非线性阶段变形行 为等问题。
发明内容
基于此，有必要针对传统的薄膜的冲击加载测试，通过准静态力学性能测 试难以表征材料在非线性阶段变形行为的问题，提供一种薄膜冲击测试设备、 测试方法、可读存储介质和计算机设备。
第一方面，本申请提供了一种薄膜冲击测试设备，包括第一压力计、变形 测量系统和依次连接的储气室、第一阀门和压力腔体；其中，第一压力计与压 力腔体连接；
储气室用于存储压缩气体；
第一阀门用于控制储气室中的压缩气体瞬时释放流入压力腔体，对压力腔 体的薄膜进行冲击加载，其中，薄膜密封设置在压力腔体的开口处；
第一压力计用于检测压力腔体的气压；
变形测量系统用于对薄膜进行冲击测量。
在其中一个实施例中，薄膜冲击测试设备还包括气体压缩机，气体压缩机 与储气室相连，气体压缩机用于设备压缩气体，并将压缩气体转入储气室。
在其中一个实施例中，储气室包括气瓶、第二阀门和三通器：
第二阀门连接在气体压缩机的出气口和三通器的第一接口之间，三通器的 第二接口与气瓶的瓶口连接，三通器的第三接口连接第一阀门，第二阀门用于 控制压缩气体转入气瓶。
在其中一个实施例中，储气室还包括连接在气体压缩机和第二阀门之间的 压力调节器，以及与第一接口连接的第二压力计；
压力调节器用于调节压缩气体的气体流量；
第二压力计用于检测气瓶的气压。
在其中一个实施例中，储气室还包括连接在第三接口和第一阀门之间的调 节减压器；
调节减压器用于排出气瓶的气体，为气瓶减压。
在其中一个实施例中，设备还包括控制终端，控制终端分别与第一阀门、 第二阀门、第一压力计、第二压力计连接；
控制终端用于控制第一阀门和第二阀门的开启和关闭，以及获取第一压力 计、第二压力计的压力值。
在其中一个实施例中，控制终端还与变形测量系统连接，用于控制变形测 量系统对薄膜进行冲击测量。
在其中一个实施例中，控制终端还用于采用虚场法根据变形测量结果和压 力腔体的气压获取薄膜的本构参数。
第二方面，本申请提供了一种薄膜冲击测试方法，包括以下步骤：
在储气室中存储压缩气体；
将薄膜密封设置在压力腔体的开口处；
将储气室中的压缩气体瞬时释放流入压力腔体，对薄膜进行冲击加载；
获取冲击加载过程中的压力腔体的气压，通过变形测量系统获取薄膜的变 形测量结果；
根据压力腔体的气压和薄膜的变形测量结果确定薄膜的本构参数。
在其中一个实施例中，在储气室中存储压缩气体的步骤包括以下步骤：
通过气体压缩机制备压缩气体，并将压缩气体转入储气室，使储气室的气 压达到预设数值。
在其中一个实施例中，储气室包括气瓶、第二阀门和三通器：第二阀门连 接在气体压缩机的出气口和三通器的第一接口之间，三通器的第二接口与气瓶 的瓶口连接，三通器的第三接口连接第一阀门；
将压缩气体转入储气室的步骤包括以下步骤：
关闭第一阀门，开启第二阀门，通过第二阀门和三通器将压缩气体转入气 瓶；在气压达到预设数值时，关闭第二阀门；
将储气室中的压缩气体瞬时释放流入压力腔体的步骤包括以下步骤：
开启第一阀门，通过三通器和第一阀门将压缩气体瞬时释放流入压力腔体。
在其中一个实施例中，储气室还包括连接在气体压缩机和第二阀门之间的 压力调节器，以及与第一接口连接的第二压力计；方法还包括以下步骤：
通过压力调节器调节压缩气体的气体流量；
通过第二压力计用于检测气瓶的气压。
在其中一个实施例中，储气室还包括连接在第三接口和第一阀门之间的调 节减压器，方法还包括以下步骤：
在气压超过预设数值时，通过调节减压器排出气瓶的气体，以使气压低于 预设数值，并执行将压缩气体转入储气室的步骤，直至气压达到预设数值。
在其中一个实施例中，根据压力腔体的气压和薄膜的变形测量结果确定薄 膜的本构参数的步骤包括以下步骤：
采用虚场法根据变形测量结果和压力腔体的气压获取薄膜的本构参数。
在其中一个实施例中，采用虚场法根据变形测量结果和压力腔体的气压获 取薄膜的本构参数的步骤包括以下步骤：
根据变形测量结果获取动态应变场和加速度场；
获取薄膜的虚位移场，根据虚位移场、动态应变场和加速度场获取加速度 虚功；
获取先验的本构模型及初始参数，将动态应变场、加速度场和压力腔体的 气压代入本构模型，获取相应的应力场，根据应力场获取内力虚功；
根据加速度虚功和内力虚功的残差平方构建目标函数，对目标函数进行优 化并更新初始参数，在目标函数最小时，将更新后的参数作为薄膜的本构参数。
第三方面，本申请提供了一种可读存储介质，其上存储有可执行程序，其 特征在于，可执行程序被处理器执行时实现上述任一薄膜冲击测试方法的步骤。
第四方面，本申请提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器 存储有可执行程序，其特征在于，处理器执行可执行程序时实现上述任一涉密 数据传输方法的步骤。
相比于相关技术，本申请提供的薄膜冲击测试设备、方法、可读存储介质 和计算机设备，不同于传统鼓泡仪的准静态离面加载，通过阀门可以对压缩气 体进行精确控制，通过瞬时释放不同压力条件下的压缩气体实现对薄膜进行不 同加载率下的离面冲击加载，通过压力计和变形测量系统得到不同加载率条件 下的材料力学参数，对薄膜材料进行动态应力测试，表征材料在动态非线性阶 段的变形行为，得到准确的薄膜材料参数。
本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请 的其他特征、目的和优点更加简明易懂。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分， 本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限 定。在附图中：
图1为一个实施例中的薄膜冲击测试设备的结构示意图；
图2为一个实施例中的薄膜冲击测试设备(包括气体压缩机)的结构示意 图；
图3为另一个实施例中的薄膜冲击测试设备的结构示意图；
图4为又一个实施例中的薄膜冲击测试设备的结构示意图；
图5为再一个实施例中的薄膜冲击测试设备的结构示意图；
图6为一个实施例中的薄膜冲击测试设备的结构示意图；
图7为一个实施例中的薄膜冲击测试方法的流程示意图；
图8为一个实施例中的薄膜结构变形中的平面应力假设说明示意图；
图9为一个实施例中的薄膜材料离面加载条件下的边界条件示意图；
图10为一个实施例中的薄膜结构参数识别中的虚位移场示意图；
图11为一个实施例中的薄膜结构参数识别流程示意图；
图12为一个实施例中的薄膜材料冲击测试系统简图；
图13为一个实施例中的冲击加载系统原理示意图；
图14(a)、14(b)、14(c)为一个实施例中的鼓泡腔体示意图；
图15为一个实施例中的加载过程中鼓泡腔体和储气罐的压力计输出值的变 化示意图；
图16为一个实施例中的冲击压力为1.5MPa时加载前后薄膜试样的图像；
图17为一个实施例中的膜状材料试样离面加载测试的简图；
图18为一个实施例中的3D-DIC测量的薄膜试样应变场示意图；
图19为一个实施例中的内外虚功随压强变化的趋势示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施 例，对本申请进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式 仅仅用以解释本申请，并不限定本申请的保护范围。
如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、 “一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来， 术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和 元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。
虽然本申请对根据本申请的实施例的系统中的某些模块做出了各种引用， 然而，任何数量的不同模块可以被使用并运行在成像系统和/或处理器上。模块 仅是说明性的，并且系统和方法的不同方面可以使用不同模块。
本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。 应当理解的是，前面或下面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按 照倒序或同时处理各种步骤。同时，或将其他操作添加到这些过程中，或从这 些过程移除某一步或数步操作。
在实际应用中，为了降低航天器发射成本和提高航天器有效载荷，轻质材 料大量应用于各类航天器设备，特别是大型空间可展开天线机构。这类天线的 信号接收面采用柔性薄膜材料制成。按照反射面结构性质的不同可展开天线主 要分为固面展开天线、充气式可展开天线、网状可展开天线三种基本类。网状 可展开类型中的缠绕肋式展开天线，发射前将辐射肋缠绕于中心套上，并用绳 索捆绑；发射入轨后，绳索切断，辐射肋依靠自身的弹性作用，从缠绕在中心 套上的弯曲状态变为伸直状态，帮助柔性天线展开。柔性天线在展开过程中伴 随着动态受载过程，且服役过程中天线的柔性薄膜处于双向拉伸状态。
为确保大型空间可展开天线上天后能够顺利展开并安全可靠运行，在设计 天线时需要开展大量的实验测试及仿真分析，模拟天线展开的过程。这时提供 准确的材料本构模型及参数是进行结构动态仿真分析的基础。然而，目前对于 柔性薄膜材料的力学行为还缺乏全面的认识。例如，在进行薄膜结构的理论研 究及设计应用时，通常认为膜材是各向同性的线弹性材料，这与某些膜材的实 际结构和力学性能存在很大差异。一方面，某些薄膜材料属于各向异性复合材 料，这类膜材经纬向力学特性存在很大的差异；同时，薄膜材料像大多数柔性 材料一样，其受载变形具有明显的几何非线性和大蠕变等特性。以线弹性模型 来描述柔性薄膜复杂的力学行为可能存在严重的安全隐患。因此，深入研究柔 性薄膜在复杂环境下的力学性能参数对开展相关结构的动态仿真分析和可靠性 设计具有十分重要的意义，但是目前开展相关的测量还十分困难。
参见图1所示，为本申请一个实施例的薄膜冲击测试设备的结构示意图。 该实施例中的薄膜冲击测试设备包括依次连接的储气室110、第一阀门120和压 力腔体130，以及第一压力计140和变形测量系统150；其中，第一压力计140 与压力腔体130连接；
储气室110用于存储压缩气体；
第一阀门120用于控制储气室110中的压缩气体瞬时释放流入压力腔体130， 对压力腔体130的薄膜进行冲击加载，其中，薄膜密封设置在压力腔体130的 开口处；
第一压力计140用于检测压力腔体130的气压；
变形测量系统150用于对薄膜进行冲击测量。
储气室110主要用于对压缩气体进行存储，还可以对压缩气体的气压进行 调节，以得到不同气压的压缩气体，具体的气压值可以进行检测，实现储气室 中压缩气体的气压控制。
第一阀门120主要用于控制储气室110和压力腔体130之间的气体流通， 第一阀门120可以是各种类型的流动阀门，包括机械阀门和电磁阀门等等，电 磁阀门可以包括直动式电磁阀、分步直动式电磁阀、先导式电磁阀、频闪式开 关电磁阀等等，可以通过电信号进行控制开启和关闭。
压力腔体130可以通过快插接头与第一阀门120连通，压力腔体130设有 开口处，待测试薄膜密封设置在开口处，在第一阀门120开启时，压缩气体形 成冲击气流，可以对压力腔体130的薄膜进行冲击测试，第一压力计140可以 对压力腔体130中的气压进行持续检测，反馈在冲击测试过程中气压的动态变 化，为薄膜的冲击测试提供压力数据。若应用于鼓泡实验法，压力腔体130可 以是鼓泡装置中的鼓泡腔体；若应用于其他类型的测试方法，可以是相应的用 于容置压缩气体的腔体。
在本实施例中，不同于传统鼓泡仪的准静态离面加载，通过阀门可以对压 缩气体进行精确控制，通过瞬时释放不同压力条件下的压缩气体实现对薄膜进 行不同加载率下的离面冲击加载，通过压力计和变形测量系统得到不同加载率 条件下的材料力学参数，对薄膜材料进行动态应力测试，表征材料在动态非线 性阶段的变形行为，得到准确的薄膜材料参数。
在一个实施例中，如图2所示，薄膜冲击测试设备还包括气体压缩机160， 气体压缩机160与储气室110相连，气体压缩机160用于制备压缩气体，并将 压缩气体转入储气室110
在本实施例中，上述气体压缩机160主要用于对气体进行压缩，得到具有 高于一般大气压力的压缩气体，其中气体介质可以是空气或其他特定气体，若 采用空气介质，可以使用空气压缩机(如空气泵等)，若需检测在特定环境下 薄膜的特性参数，可以采用相应的气体介质，如二氧化碳、氮气等；另外，可 以根据测试需要设定气体压缩机160制备压缩气体的气压值，如大于10MPa等。
在一个实施例中，如图3所示，储气室110包括气瓶111、第二阀门112和 三通器113：
第二阀门112连接在气体压缩机160的出气口和三通器113的第一接口之 间，三通器113的第二接口与气瓶111的瓶口连接，三通器113的第三接口连接 第一阀门120，第二阀门112用于控制压缩气体转入气瓶111。
在本实施例中，储气室110可以包括气瓶111、第二阀门112和三通器113， 第二阀门112控制压缩气体通过三通器113转入气瓶111，第一阀门120控制气 瓶111中的气体通过三通器113流入压力腔体130，利用气瓶111对压缩气体进 行存储，可以精确控制压缩气体的量和气压，而且采用三通器113、第一阀门 120和第二阀门112可以将气瓶111的充气和排气过程分离，互不影响。
需要说明的是，第二阀门112主要用于控制气体压缩机160和气瓶111之间 的气体流通，第二阀门112可以是各种类型的流动阀门，包括机械阀门和电磁 阀门等等，电磁阀门可以包括直动式电磁阀、分步直动式电磁阀、先导式电磁 阀、频闪式开关电磁阀等等，可以通过电信号进行控制开启和关闭。
在一个实施例中，如图4所示，储气室110还包括连接在气体压缩机160 和第二阀门112之间的压力调节器114，以及与三通器113的第一接口连接的第 二压力计115；
压力调节器114用于调节压缩气体的气体流量。
第二压力计115用于检测气瓶111的气压。
在本实施例中，压力调节器114连接在气体压缩机160和第二阀门112之 间，用于调节气体压缩机160产生的压缩空气转入气瓶111的气体流量，通过 调节气体流量，可以精确控制气压精度；通过第二压力计115可以对气瓶111 中压缩气体的气压进行检测，以得到不同气压的压缩气体，实现气瓶中压缩气 体的气压控制。
在一个实施例中，如图5所示，储气室110还包括连接在三通器113的第 三接口和第一阀门120之间的调节减压器116；
调节减压器116用于排出气瓶111的气体，为气瓶111减压。
在本实施例中，实际应用过程中，气瓶111中的压缩气体的气压难以准确 达到预设气压值，若超过预设气压值，表明此时气压过高，可以通过调节减压 器116对气瓶111进行排气减压，使气瓶111内的压缩气体的气压达到或低于预 设气压值，若气压低于预设气压值，可以再次进行充气，使气压值达到预设气 压值，如此可以对气瓶111内的气压进行调节，避免气瓶111内气压过高。
在一个实施例中，如图6所示，薄膜冲击测试设备还包括控制终端170，控 制终端170分别与第一阀门120、第二阀门112、第一压力计140、第二压力计 115连接；
控制终端170用于控制第一阀门120和第二阀门112的开启和关闭，以及 获取第一压力计140、第二压力计115的压力值。
在本实施例中，可以设置控制终端170，通过控制终端170来控制第一阀门 120和第二阀门112的开启和关闭，以及获取第一压力计140、第二压力计115 的压力值，对薄膜冲击测试进行及时的总体调控，并且实时监测压缩气体的气 压，为薄膜冲击测试提供测试数据。
进一步的，控制终端170还可以与气体压缩机160连接，控制气体压缩机 160的运行。
在一个实施例中，控制终端170还与变形测量系统150连接，用于控制变 形测量系统150对薄膜进行冲击测量。
在本实施例中，控制终端170可以控制变形测量系统150对薄膜进行冲击 测量，薄膜材料在冲击加载过程中形貌不一定是标准的球冠形状，采用一般的 鼓泡分析法会导致很大的误差，而采用变形测量系统150可以获得薄膜受冲击 加载后的真实形貌，用于后续的材料参数分析。
需要说明的是，控制终端170可以与变形测量系统150的控制中心共用， 变形测量系统150的控制中心也可以单独存在，对变形测量系统150进行控制。
进一步的，变形测量系统150可以包括全场变形测量系统，如3D-DIC测试 系统等，其一般包括两台图像采集器，从不同角度对待测对象进行拍摄采集， 并将采集的数据传输至控制中心(如与图像采集器连接的计算设备等)，通过 算法计算得到3D全场变形数据。
在一个实施例中，控制终端170还用于采用虚场法根据变形测量结果获取 薄膜的本构参数。
在本实施例中，在冲击加载工况下，由于惯性效应，无法准确测量薄膜所受 冲击载荷信息，但采用变形测量系统可以获取薄膜的动态变形及加速度场，无 需测量试样所受的外冲击载荷；借助虚功原理可消除未知外冲击力所做的虚功， 并将加速度场等效为基于虚功原理的力平衡方程中的载荷信息，用于薄膜的本 构参数的识别。
根据上述薄膜冲击测试设备，本申请实施例还提供一种薄膜冲击测试方法， 以下就薄膜冲击测试方法的实施例进行详细说明。
参见图7所示，为一个实施例的薄膜冲击测试方法的流程示意图。该实施 例中的薄膜冲击测试方法包括：
步骤S210：在储气室中存储压缩气体；
步骤S220：将薄膜密封设置在压力腔体的开口处；
步骤S230：将储气室中的压缩气体瞬时释放流入压力腔体，对薄膜进行冲 击加载；
步骤S240：获取冲击加载过程中的压力腔体的气压，通过变形测量系统获 取薄膜的变形测量结果；
步骤S250：根据压力腔体的气压和薄膜的变形测量结果确定薄膜的本构参 数。
在本实施例中，不同于传统鼓泡仪的准静态离面加载，通过阀门可以对压 缩气体进行精确控制，通过瞬间释放不同压力条件下的压缩气体实现对薄膜进 行不同加载率下的离面冲击加载，通过压力计和变形测量系统得到不同加载率 条件下的材料力学参数，对薄膜材料进行动态应力测试，表征材料在动态非线 性阶段的变形行为，得到准确的薄膜材料参数。
在一个实施例中，在储气室中存储压缩气体的步骤包括以下步骤：
通过气体压缩机制备压缩气体，并将压缩气体转入储气室，使储气室的气 压达到预设数值。
在一个实施例中，储气室包括气瓶、第二阀门和三通器：第二阀门连接在 气体压缩机的出气口和三通器的第一接口之间，三通器的第二接口与气瓶的瓶 口连接，三通器的第三接口连接第一阀门；
将压缩气体转入储气室的步骤包括以下步骤：
关闭第一阀门，开启第二阀门，通过第二阀门和三通器将压缩气体转入气 瓶；在气压达到预设数值时，关闭第二阀门；
将储气室中的压缩气体瞬时释放流入压力腔体的步骤包括以下步骤：
开启第一阀门，通过三通器和第一阀门将压缩气体瞬时释放流入压力腔体。
在本实施例中，储气室可以包括气瓶、第二阀门和三通器，第二阀门控制 压缩气体通过三通器转入气瓶，第一阀门控制气瓶中的气体通过三通器流入压 力腔体，利用气瓶对压缩气体进行存储，可以精确控制压缩气体的量和气压， 而且采用三通器、第一阀门和第二阀门可以将气瓶的充气和排气过程分离，互 不影响。
在一个实施例中，储气室还包括连接在气体压缩机和第二阀门之间的压力 调节器，以及与三通器的第一接口连接的第二压力计；方法还包括以下步骤：
通过压力调节器调节压缩气体的气体流量；
通过第二压力计检测气瓶的气压。
在本实施例中，压力调节器连接在气体压缩机和第二阀门之间，用于调节 气体压缩机产生的压缩空气转入气瓶的气体流量，通过调节气体流量，可以精 确控制气压精度。如每秒流通5ml容量的压缩气体，通过气体流量的控制，可 以在较小范围内更加精准地控制气压；通过第二压力计可以对气瓶中压缩气体 的气压进行检测，以得到不同气压的压缩气体，实现气瓶中压缩气体的气压控 制。
需要说明的是，第二压力计检测气瓶中的气压，通过预设气压数值，可以 得到气瓶中的不同气压值，在不同的气压下，对薄膜进行冲击检测。
在一个实施例中，储气室还包括连接在三通器的第三接口和第一阀门之间 的调节减压器，方法还包括以下步骤：
在气压超过预设数值时，通过调节减压器排出气瓶的气体，以使气压低于 预设数值，并再次执行将压缩气体转入储气室的步骤，直至气压达到预设数值。
在本实施例中，实际应用过程中，气瓶中的压缩气体的气压难以准确达到 预设气压值，若超过预设气压值，表明此时气压过高，可以通过调节减压器对 气瓶进行排气减压，使气瓶内的压缩气体的气压达到或低于预设气压值，若气 压低于预设气压值，可以再次进行充气，使气压值达到预设气压值，如此可以 对气瓶内的气压进行调节，避免气瓶内气压过高。
在一个实施例中，根据压力腔体的气压和薄膜的变形测量结果确定薄膜的 本构参数的步骤包括以下步骤：
采用虚场法根据变形测量结果和压力腔体的气压获取薄膜的本构参数。
在本实施例中，采用变形测量系统对薄膜进行冲击测量，薄膜材料在冲击 加载过程中形貌不一定是标准的球冠形状，采用一般的鼓泡分析法会导致很大 的误差，而采用变形测量系统可以获得薄膜受冲击加载后的真实形貌，用于后 续的材料参数分析；在冲击加载工况下，由于惯性效应，无法准确测量薄膜所 受冲击载荷信息，但采用变形测量系统可以获取薄膜的动态变形及加速度场， 无需测量试样所受的外冲击载荷；借助虚功原理可消除未知外冲击力所做的虚 功，并将加速度场等效为基于虚功原理的力平衡方程中的载荷信息，用于薄膜 的本构参数的识别。
进一步的，变形测量系统可以采用全场测试技术，如数字图像相关法、网 格法等。
在一个实施例中，采用虚场法根据变形测量结果和压力腔体的气压获取薄 膜的本构参数的步骤包括以下步骤：
根据变形测量结果获取动态应变场和加速度场；
获取薄膜的虚位移场，根据虚位移场、动态应变场和加速度场获取加速度 虚功；
获取先验的本构模型及初始参数，将动态应变场、加速度场和压力腔体的 气压代入本构模型，获取相应的应力场，根据应力场获取内力虚功；
根据加速度虚功和内力虚功的残差平方构建目标函数，对目标函数进行优 化并更新初始参数，在目标函数最小时，将更新后的参数作为薄膜的本构参数。
在本实施例中，针对材料本构参数反演识别部分，本申请拟采用虚场法从 全场变形中识别材料的本构参数；在冲击加载工况下，由于惯性效应，无法准 确测量试样所受冲击载荷信息，但采用全场测量系统可获取试样的动态变形及 加速度场，无需测量试样所受的外冲击载荷。借助虚功原理可消除未知外冲击 力所做的虚功，并将加速度场等效为基于虚功原理的力平衡方程中的载荷信息， 用于材料本构参数的识别。
利用虚场法来识别薄膜材料的本构参数。这里需要强调：利用虚场法识别 材料参数的思路是建立在平面应力假设基础上的，由于离面载荷作用，在全局 坐标系下变形无法满足这一假设，但是仔细分析发现在局部坐标系下，变形仍 然满足平面应力假设，如图8所示。因此，在参数识别前，需要将全局坐标系 下得到的应变场信息转换到局部坐标系下。另外，薄膜材料受离面载荷作用后， 沿密封圈边沿会受到外力作用，但是这个外力的方向和大小无法测量(可分解 为切向和法向载荷)，如图9所示。因此，在实际操作中需要定义一组虚位移 场，其沿边界两个方向的虚位移均为零，从而消除沿边界外力所做的虚功，如 图10所示。因此，参数识别过程中的虚位移场可定义为：
Figure BDA0002503975490000161
其中ux*,uy*,uz*为三个方向的虚位移，x,y,z分别为测点的三维坐标，R为薄 膜试样的半径。
利用该方法识别材料本构参数时，需要先验的本构模型和初始参数。本申 请可以以高阶多项式来表征材料的本构关系，基于观测得到的动态位移场以及 由此得到的应变场和加速度场，推导柔性薄膜试样离面冲击加载下的内力虚功 和加速度虚功的表达形式。将力平衡方程中的内虚功和加速度虚功(未知的外 力虚功项已经被消去)之间的残差平方来建立适当的目标函数，然后利用优化 计算的方法进行初始参数更新(初始参数为X，可以设置一比例系数δ，通过公 式X＝X+δX进行更新)，在当某一组参数使目标函数最小(如虚功残差平方小 于预设值β)时，对应的参数被认为是材料的本构参数。参数识别流程如图11所示。用matlab程序实现该优化模型，通过有限元仿真及真实测试对识别方法 进行验证。
本申请实施例的薄膜冲击测试方法与上述薄膜冲击测试设备相对应，在上 述薄膜冲击测试设备的实施例阐述的技术特征及其有益效果均适用于薄膜冲击 测试设备的实施例中。
针对薄膜材料动态力学性能的测试需求，本申请主要包含动态加载及变形 测量和材料参数识别两大模块。针对薄膜材料离面冲击加载系统，本申请可以 属于微型流体鼓泡式柔性薄膜材料冲击测试系统。薄膜材料冲击测试系统可以 主要包括空气压缩机、储气室、控制终端、鼓泡装置及全场变形测量系统，示 意图如图12所示。
其中冲击加载部分的原理示意图如图13所示。冲击加载系统为以高速摄像 系统为观测手段的薄膜鼓泡准动态实验而设计，传压介质为普通空气，初步设 计气体冲击最高压力为4MPa。其工作原理如下：
1)实验初始状态准备
打开空气压缩机，达到设定压力。打开控制终端的控制软件，进入加压模 式。关闭调节减压器。
2)气体加压过程
空气压缩机制备压缩空气(压力大于10MPa)，经手动控制压力调节器将 气体流量控制到预期调节精度(需测试取得经验)。控制终端控制第二阀门， 将压缩空气逐步转入气瓶。根据用户设定的实验压力，通过第二压力计观测气 瓶内压力是否达到预期目标。达到目标后，关闭第二阀门。若发现气瓶中压力 高于预期压力，用户可以手动调节调节减压器适当放气后，再重复上述加压过 程，直至达到预期压力。
3)实验进程
到达预期压力后，将控制终端的控制软件转入实验模块。打开第一阀门， 将压缩空气瞬间放进鼓泡腔体，给薄膜加载。此动态过程中的鼓泡腔体内压力 变化将被第一压力计感知并记录。
4)变形测量
本申请采用全场变形测量系统和高精度数字压力计(即图13中第一压力计) 对薄膜材料进行离面冲击变形响应测量。本申请之所以选择全场变形场测量系 统，是因为薄膜材料在冲击加载过程中形貌不一定是标准的球冠形状，若仍然 采用鼓泡分析法会导致很大的误差。因此，本申请采用全场变形测量系统获得 薄膜试样受冲击加载后的真实3D形貌，应用后续的材料参数分析。
针对材料本构参数反演识别部分，本申请拟采用虚场法从全场变形中识别 材料的本构参数。在冲击加载工况下，由于惯性效应，无法准确测量试样所受 冲击载荷信息，但采用全场测量系统可获取试样的动态变形及加速度场，无需 测量试样所受的外冲击载荷。借助虚功原理可消除未知外冲击力所做的虚功， 并将加速度场等效为基于虚功原理的力平衡方程中的载荷信息，用于材料本构 参数的识别。
本申请不同于传统鼓泡仪的准静态离面加载，本申请采用阀门装置对压缩 气体压力进行精确控制，通过瞬间释放不同压力条件下的压缩气体实现对薄膜 材料试样进行不同加载率下的离面冲击加载；结合全场变形测量技术和虚场法 识别得到了不同加载率条件下的材料力学参数，为薄膜材料动态应力测试提供 了一种新的实验手段，最终为相关结构的安全可靠性设计提供必要的参考依据。
本申请提出通过全场变形测量系统实现对薄膜离面应变场和加速度场的测 量，基于虚场法原理，实现利用应变场和加速度场(惯性力)实现对薄膜材料 的本构参数反演，无需额外测量薄膜表面的压力，有效解决了高压条件下无法 准确有效测量薄膜表面压力的问题。
本申请通过全场变形测量系统实现对薄膜材料在冲击作用下的真实形貌的 测量，与传统鼓泡分析法相比，不需要薄膜受鼓胀作用变形为球面的假设，更 符合实际变形情况。
为了验证本申请的可行性，本申请进行了初步验证。首先根据图13设计加 工了一套薄膜材料高速冲击加载系统，其中鼓泡腔体的示意图和实物图如图14 所示，图14a为鼓泡腔体法兰盘的示意图，图14b和14c分别为无试样和含试样 的鼓泡腔体实物图，图15为加载过程中鼓泡腔体和气瓶的压力计输出值，图15 中的右图是左图中尖峰部分的局部放大图，图16为冲击压力为1.5MPa时加载 前后薄膜试样的图像。由此说明本申请提供的实验系统实现对薄膜试样的离面 冲击加载，并获得高速冲击作用下的三维形貌信息。
此外，本申请还验证了对材料参数的识别框架，现有的实验条件开展了热 塑性柔性聚氨酯膜的较低压力(冲击加载压力为0.15MPa)的离面加载测试并识 别了该材料准静态工况下的非线弹性力学参数。加载过程中用于材料参数识别 的载荷信息由压力计测量得到。图17为膜状材料试样离面加载测试的简图，图 18为利用全场测量系统的薄膜试样应变场，图18为识别参数为弹性模量 E＝3.0GPa，泊松比＝0.38，屈服极限为11.53MPa和切线模量H＝570.23MPa时系 统的内外虚功随压强变化的趋势。图19中内外虚功的一致性说明可以利用虚场 法从离面变形中识别出薄膜状材料的硬化模量。上述实验验证说明本申请所提 出的冲击加载系统和材料参数反演识别流程可以用来开展薄膜材料的动态冲击 测试。
根据上述薄膜冲击测试设备，本申请实施例还提供一种可读存储介质和计 算机设备。
一种可读存储介质，其上存储有可执行程序，可执行程序被处理器执行时 实现上述的薄膜冲击测试方法的步骤。
上述可读存储介质，通过其存储的可执行程序，可以实现不同于传统鼓泡 仪的准静态离面加载，通过阀门可以对压缩气体压力进行精确控制，通过瞬时 释放不同压力条件下的压缩气体实现对薄膜进行不同加载率下的离面冲击加载， 通过压力计和变形测量系统得到不同加载率条件下的材料力学参数，对薄膜材 料进行动态应力测试，表征材料在动态非线性阶段的变形行为，得到准确的薄 膜材料参数。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器存储有可执行程序，处理 器执行可执行程序时实现上述的薄膜冲击测试方法的步骤。
上述计算机设备，通过在处理器上运行可执行程序，可以实现不同于传统 鼓泡仪的准静态离面加载，通过阀门可以对压缩气体压力进行精确控制，通过 瞬时释放不同压力条件下的压缩气体实现对薄膜进行不同加载率下的离面冲击 加载，通过压力计和变形测量系统得到不同加载率条件下的材料力学参数，对 薄膜材料进行动态应力测试，表征材料在动态非线性阶段的变形行为，得到准 确的薄膜材料参数。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例用于薄膜冲击测试方法中的 全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，程序可存 储于一非易失性的计算机可读取存储介质中，如实施例中，该程序可存储于计 算机系统的存储介质中，并被该计算机系统中的至少一个处理器执行，以实现 包括如上述薄膜冲击测试方法的实施例的流程。其中，存储介质可为磁碟、光 盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对 上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技 术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是 可以通过程序来指令相关的硬件来完成。所述的程序可以存储于可读取存储介 质中。该程序在执行时，包括上述方法所述的步骤。所述的存储介质，包括： ROM/RAM、磁碟、光盘等。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的 普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改 进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权 利要求为准。

Claims (12)

1.一种薄膜冲击测试设备，其特征在于，所述设备包括第一压力计、变形测量系统和依次连接的储气室、第一阀门和压力腔体；其中，所述第一压力计与所述压力腔体连接；
所述储气室用于存储压缩气体；
所述第一阀门用于控制所述储气室中的压缩气体瞬时释放流入所述压力腔体，对所述压力腔体的薄膜进行冲击加载，其中，所述薄膜密封设置在所述压力腔体的开口处；
所述第一压力计用于检测所述压力腔体的气压；
所述变形测量系统用于对所述薄膜进行冲击测量。
2.根据权利要求1所述的薄膜冲击测试设备，其特征在于，所述设备还包括气体压缩机，所述气体压缩机与所述储气室相连，所述气体压缩机用于制备压缩气体，并将所述压缩气体转入所述储气室。
3.根据权利要求2所述的薄膜冲击测试设备，其特征在于，所述储气室包括气瓶、第二阀门和三通器：
所述第二阀门连接在所述气体压缩机的出气口和所述三通器的第一接口之间，所述三通器的第二接口与所述气瓶的瓶口连接，所述三通器的第三接口连接所述第一阀门；
所述第二阀门用于控制所述压缩气体转入所述气瓶。
4.根据权利要求3所述的薄膜冲击测试设备，其特征在于，所述储气室还包括连接在所述气体压缩机和所述第二阀门之间的压力调节器，以及与所述第一接口连接的第二压力计；
所述压力调节器用于调节所述压缩气体的气体流量；
所述第二压力计用于检测所述气瓶的气压。
5.根据权利要求3所述的薄膜冲击测试设备，其特征在于，所述储气室还包括连接在所述第三接口和所述第一阀门之间的调节减压器；
所述调节减压器用于排出所述气瓶的气体，为所述气瓶减压。
6.根据权利要求4所述的薄膜冲击测试设备，其特征在于，所述设备还包括控制终端，所述控制终端分别与所述第一阀门、所述第二阀门、所述第一压力计、所述第二压力计连接；
所述控制终端用于控制所述第一阀门和所述第二阀门的开启和关闭，以及获取所述第一压力计、所述第二压力计的压力值。
7.根据权利要求6所述的薄膜冲击测试设备，其特征在于，所述控制终端还与所述变形测量系统连接，用于控制所述变形测量系统对所述薄膜进行冲击测量。
8.根据权利要求7所述的薄膜冲击测试设备，其特征在于，所述控制终端还用于采用虚场法根据变形测量结果和所述压力腔体的气压获取所述薄膜的本构参数。
9.一种薄膜冲击测试方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
在储气室中存储压缩气体；
将薄膜密封设置在压力腔体的开口处；
将所述储气室中的压缩气体瞬时释放流入所述压力腔体，对所述薄膜进行冲击加载；
获取所述冲击加载过程中的所述压力腔体的气压，通过变形测量系统获取所述薄膜的变形测量结果；
根据所述压力腔体的气压和所述薄膜的变形测量结果确定所述薄膜的本构参数。
10.根据权利要求9所述的薄膜冲击测试方法，其特征在于，所述在储气室中存储压缩气体的步骤包括以下步骤：
通过气体压缩机制备所述压缩气体，并将所述压缩气体充入所述储气室，使所述储气室的气压达到预设数值。
11.根据权利要求9所述的薄膜冲击测试方法，其特征在于，所述根据所述压力腔体的气压和所述薄膜的变形测量结果确定所述薄膜的本构参数的步骤包括以下步骤：
采用虚场法根据所述变形测量结果和所述压力腔体的气压获取所述薄膜的本构参数。
12.根据权利要求11所述的薄膜冲击测试方法，其特征在于，所述采用虚场法根据所述变形测量结果和所述压力腔体的气压获取所述薄膜的本构参数的步骤包括以下步骤：
根据所述变形测量结果获取动态应变场和加速度场；
获取所述薄膜的虚位移场，根据所述虚位移场、所述动态应变场和所述加速度场获取加速度虚功；
获取先验的本构模型及初始参数，将所述动态应变场、所述加速度场和所述压力腔体的气压代入所述本构模型，获取相应的应力场，根据所述应力场获取内力虚功；
根据所述加速度虚功和所述内力虚功的残差平方构建目标函数，对所述目标函数进行优化并更新所述初始参数，在所述目标函数最小时，将更新后的参数作为所述薄膜的本构参数。
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CN113640133A (zh) * 2021-08-11 2021-11-12 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 一种基于扩胀法的封口薄膜力学性能测试装置
CN113720689A (zh) * 2021-08-17 2021-11-30 重庆大学 气体压力下与刚性板接触的圆薄膜的最大应力的确定方法

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