CN112147010A - 一种复合材料耐压壳体疲劳性能测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料耐压壳体疲劳性能测试系统，由高压测试装置、水压控制系统、数据采集处理单元组成；水压控制系统与高压测试装置通过耐高压管线相连，高清摄像机位于高压测试装置上方，数据采集处理单元与高压测试装置连接。高压釜筒体与端盖和耐压壳体测试样件形成封闭空间，承受试验过程中由水压试验机产生的交变压强；将试验压力、交变载荷加压减压频率诸多试验参数集成在水压试验机中进行调节和控制，模拟水下航行器壳体结构使用过程中的各种复杂工况。数据采集处理单元的应变片采集测试样件的应变数据，传输至多通道应变仪处理分析并记录，高清摄像机用来观测耐压壳体测试样件受到外载荷时内部的应变及变形情况。

Description

一种复合材料耐压壳体疲劳性能测试系统

技术领域

本发明涉及一种静水压力疲劳试验系统，具体地说，涉及一种用于水下航行器复合材料耐压壳体在交变载荷下的疲劳性能试验系统。

背景技术

海洋资源的大力开发已成为世界海洋国家经济社会可持续发展的必要条件。随着我国经济、社会的快速发展，深远海资源开发、维护海洋权益是我国面临的现实问题。水下航行器作为探测海洋资源、维护海洋权益的主要手段，其性能显得尤为重要。耐压壳体作为水下航行器的主要承压结构，通过承受巨大的静水压力来保证航行器内部设备的正常工作。传统的耐压壳体常用高强度铝合金、钛合金加工而成。近些年，纤维增强复合材料也逐渐被运用在水下航行器的耐压壳体上，这些材料具有比强度高、比刚度大、重量轻、抗疲劳、耐腐蚀、抗振动、可设计性强的优异特性，对提高水下航行器的负载能力、寿命周期以及反侦察能力具有十分重要的意义。

相比于传统的各向同性的金属材料，复合材料具有显著的各向异性。由于复合材料的力学性能复杂，使得复合材料耐压壳体的设计难度也大大提高。在复合材料耐压壳体的设计过程中，不仅需要考虑壳体稳定性是否足够，还需要考虑材料强度能否承受设计深度下的静水压力。此外，水下航行器在工作过程中还受到周期性下潜上浮产生的交变应力，由交变应力引起的疲劳失效也是设计复合材料耐压壳体时必须要考虑的重要内容。

发明专利CN103424322A“一种碳纤维复合材料承压壳体液压疲劳试验系统”，该液压疲劳试验系统能够满足不同形状尺寸碳纤维复合材料承压壳体的疲劳试验工况，但该液压疲劳试验系统仅适用于承受内压的复合材料承压壳体，如高压气瓶等；对于承受外部静水压力的水下航行器耐压壳体则不适用，无法模拟水下航行器耐压壳体受到交变外压载荷的工况。。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种复合材料耐压壳体疲劳性能测试系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括高压测试装置、水压控制系统、数据采集处理单元、耐压壳体测试样件；水压控制系统与高压测试装置通过耐高压管线相连接，高清摄像机安装在高压测试装置上方，数据采集处理单元与高压测试装置连接，其特征在于高压测试装置包括高压釜筒体、高压釜端盖，高压釜筒体与高压釜端盖和耐压壳体测试样件形成一个封闭空间，承受试验过程中由水压试验机产生的交变压强，复合材料耐压壳体测试样件位于高压釜筒体内；水压控制系统包括水压试验机、耐高压管线，其中，水压试验机内部集成气液增压泵、驱动气压力表、蓄能器、驱动气开关、高压针阀、高压卸荷阀、数据采集器、显示器、计算机、流量控制针阀；耐高压管线将产生的高压水导入到高压测试装置中，通过耐高压管线在高压测试装置内部产生模拟深海工况的静水压力，用于实现试验压力、加压泄压速率、保压时间、交变载荷循环周期、交变载荷加压减压频率的试验参数的调节，以及高压水的产生；

数据采集处理单元包括多通道应变仪、导线、应变片和高清摄像机，应变片用来测量复合材料耐压壳体测试样件内壁测点的应变数据，并通过导线将采集到的应变数据传输至多通道应变仪进行分析处理记录；高清摄像机位于高压测试装置开口端的正上方，用来观测复合材料耐压壳体测试样件在试验过程中受到外载荷时内部的情况；性能测试具体步骤如下:

步骤1.对数据采集处理单元的计算机进行编程，高清摄像机与计算机相连接；

步骤2.打开水压试验机上的安全阀，启动开关，待高压水通过耐高压管线进入高压釜筒体后，通过多通道应变仪的显示屏观察应变数据是否有变化，确保设备正常工作；

步骤3.系统正常工作后，水压试验机按设定的试验工作参数，以0～0.1MPa/s的速率完成加压至最大试验压力，试验压力最大不超过25Mpa，保压，减压最小减至0MPa；再次加压进行系列交变载荷施加操作，模拟水下航行器复合材料耐压壳体在深海中的实际工况；

步骤4.试验完成后，按下水压试验机上的泄压按钮，从多通道应变仪与高清摄像机中分别读取实验过程中的应变数据与视频记录，用于试验结果的后续处理；打开高压釜端盖，取出复合材料耐压壳体测试样件观察结构变化情况，对比分析不同的循环周期内应变数据的变化，研究交变载荷下复合材料耐压壳体被测试样件的疲劳性能。

有益效果

本发明提出的一种复合材料耐压壳体疲劳性能测试系统，由高压测试装置、水压控制系统、数据采集处理单元组成；水压控制系统与高压测试装置通过耐高压管线相连接，高清摄像机安装在高压测试装置上方，数据采集处理单元与高压测试装置连接；其中，高压测试装置由高压釜筒体与高压釜端盖和复合材料耐压壳体测试样件形成封闭空间，承受试验过程中由水压试验机产生的交变压强。水压试验机集成了气液增压泵、驱动气压力表、蓄能器、驱动气开关、高压针阀、高压卸荷阀、数据采集器、显示器、计算机，通过耐高压管线在高压测试装置内部产生模拟海洋环境中工况的静水压力；数据采集处理单元的应变片用来采集耐压壳体测试样件在水压作用下内壁的应变数据，传输至多通道应变仪处理分析并记录，高清摄像机用来观测复合材料耐压壳体被测试样件受到外载荷时内部的应变以及变形情况。

本发明耐压壳体疲劳性能测试系统的高压测试装置结构简单，将试验压力、加压泄压速率、保压时间、交变载荷循环周期、交变载荷加压减压频率试验参数集成在水压试验机中进行调节和控制，能够有效模拟水下航行器壳体结构使用过程中的各种复杂工况。

本发明耐压壳体疲劳性能测试系统可测试各种形状、尺寸的复合材料耐压壳体，只需要被测试壳体开口一端的金属内衬与高压釜端盖底面进行装配，具有较高的通配性。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种复合材料耐压壳体疲劳性能测试系统作进一步详细说明。

图1是本发明复合材料耐压壳体疲劳性能测试系统示意图。

图中

1.水压试验机 2.耐高压管线 3.高清摄像机 4.导线 5.多通道应变仪 6.高压釜端盖 7.高压釜筒体 8.复合材料耐压壳体测试样件 9.应变片

具体实施方式

本实施例是一种复合材料耐压壳体疲劳性能测试系统。

参阅图1，本实施例复合材料耐压壳体疲劳性能测试系统，由高压测试装置、水压控制系统、数据采集处理单元组成；水压控制系统与高压测试装置通过耐高压管线2相连接，高清摄像机3安装在高压测试装置上方，数据采集处理单元与高压测试装置连接。其中,高压测试装置包括高压釜筒体7、高压釜端盖6，高压釜筒体7与高压釜端盖6和耐压壳体测试样件8形成一个封闭空间，承受试验过程中由水压试验机1产生的交变压强，复合材料耐压壳体测试样件8位于高压釜筒体7内；利用螺栓将复合材料耐压壳体测试样件8与高压釜端盖6的下端面装配连接，通过O型密封圈进行端面密封。高压釜端盖6加工有大、小两个圆孔，其中中心处的大圆孔为复合材料耐压壳体测试样件8安装应变片的操作空间，小圆孔用来与耐高压管道2连接。

水压控制系统包括水压试验机1、耐高压管线2，其中，水压试验机1内部集成气液增压泵、驱动气压力表、蓄能器、驱动气开关、高压针阀、高压卸荷阀、数据采集器、显示器、计算机、流量控制针阀；耐高压管线2将产生的高压水导入到高压测试装置中，通过耐高压管线2在高压测试装置内部产生模拟深海工况的静水压力；用来实现试验压力、加压泄压速率、保压时间、交变载荷循环周期、交变载荷加压减压频率的试验参数的调节，以及高压水的产生。

数据采集处理单元包括多通道应变仪5、导线4、应变片9和高清摄像机3，应变片9用来测量复合材料耐压壳体测试样件8内壁测点的应变数据，并通过导线4将采集到的应变数据传输至多通道应变仪5进行分析处理记录；高清摄像机3位于高压测试装置开口端的正上方，用来观测复合材料耐压壳体测试样件在试验过程中受到外载荷时内部的情况。

性能测试具体步骤

1.对数据采集处理单元的计算机进行编程，高清摄像机与计算机相连接。

2.打开水压试验机上的安全阀，启动开关，待高压水通过耐高压管线2进入高压釜筒体7后，通过多通道应变仪5的显示屏观察应变数据是否有变化，确保一切设备正常工作。

3.系统正常工作后，水压试验机1按设定的试验工作参数，以0～0.1MPa/s的速率完成加压至最大试验压力，试验压力最大不超过25Mpa，保压，减压最小减至0MPa；再次加压进行系列交变载荷施加操作，模拟水下航行器复合材料耐压壳体在深海中的实际工况。

4.试验完成后，按下水压试验机1上的泄压按钮，从多通道应变仪5与高清摄像机3中分别读取实验过程中的应变数据与视频记录，用于试验结果的后续处理；打开高压釜端盖6，取出下复合材料耐压壳体测试样件8，观察结构变化情况；试验完成，对比分析不同的循环周期内应变数据的变化情况，可研究交变载荷下复合材料耐压壳体被测试样件的疲劳性能。

本实施例的工作原理以及具体试验方法:

首先根据设计方案，加工出复合材料耐压壳体测试样件8，在加工过程中需要在开口端预装与高压釜端盖6相互配合的金属内衬；根据实际情况，设计测量应变数据测点所在位置，并在复合材料耐压壳体测试样件8的内壁做好相应标记；将复合材料耐压壳体测试样件8开口端的金属内衬上表面与高压釜端盖6的下表面装配在一起，利用O型密封圈做端面密封防止水压泄漏，并通过螺栓将复合材料耐压壳体测试样件8固连在高压釜端盖6上；将已经固连在一起的复合材料耐压壳体测试样件8和高压釜端盖6通过螺栓与高压釜筒体7连接。

然后通过高压釜端盖6上的小圆孔向高压釜筒体7内注水，待水注满后，将耐高压管线2一端连接该孔，另一端与水压试验机1相连。将应变片9准确地贴在复合材料耐压壳体测试样件8标记的待测测点的位置，并做好防水处理；通过导线4将贴好的应变片9引出至多通道应变仪5；调试多通道应变仪5，确保所有采集通道都能成功接收到应变数据并正确显示。

最后，打开水压试验机1，初始化相关设置，根据试验要求设定试验压力，加压泄压速率，保压时间等试验工况，完成复合材料耐压壳体疲劳试验前的所有准备工作。

操作过程

试验时打开水压试验机上的安全阀，按下启动开关，待高压水通过耐高压管线2进入高压釜筒体7后，通过多通道应变仪5的显示屏观察应变数据是否有变化，确保一切设备正常工作之后，水压试验机1按照设定的试验工作参数，以0～0.1MPa/s的速率完成加压至最大试验压力，即最大不超过25MPa，保压、减压即最小减至0MPa，再次加压一系列交变载荷施加操作，来模拟水下航行器复合材料耐压壳体在深海中的实际工况。

试验完成之后，按下水压试验机上的泄压按钮；从多通道应变仪5与高清摄像机3中分别读取实验过程中的应变数据与视频记录，用于试验结果的后处理。打开高压釜端盖6，取下复合材料耐压壳体测试样件8，观察结构变化情况。试验过程全部完成，通过对比分析不同的循环周期内应变数据的变化情况，可以研究交变载荷下复合材料耐压壳体测试样件的疲劳性能。

Claims (1)

1.一种复合材料耐压壳体疲劳性能测试系统，包括高压测试装置、水压控制系统、数据采集处理单元、耐压壳体测试样件；水压控制系统与高压测试装置通过耐高压管线相连接，高清摄像机安装在高压测试装置上方，数据采集处理单元与高压测试装置连接，其特征在于:高压测试装置包括高压釜筒体、高压釜端盖，高压釜筒体与高压釜端盖和耐压壳体测试样件形成一个封闭空间，承受试验过程中由水压试验机产生的交变压强，复合材料耐压壳体测试样件位于高压釜筒体内；水压控制系统包括水压试验机、耐高压管线，其中，水压试验机内部集成气液增压泵、驱动气压力表、蓄能器、驱动气开关、高压针阀、高压卸荷阀、数据采集器、显示器、计算机、流量控制针阀；耐高压管线将产生的高压水导入到高压测试装置中，通过耐高压管线在高压测试装置内部产生模拟深海工况的静水压力，用于实现试验压力、加压泄压速率、保压时间、交变载荷循环周期、交变载荷加压减压频率的试验参数的调节，以及高压水的产生；

数据采集处理单元包括多通道应变仪、导线、应变片和高清摄像机，应变片用来测量复合材料耐压壳体测试样件内壁测点的应变数据，并通过导线将采集到的应变数据传输至多通道应变仪进行分析处理记录；高清摄像机位于高压测试装置开口端的正上方，用来观测复合材料耐压壳体测试样件在试验过程中受到外载荷时内部的情况；性能测试具体步骤如下:

步骤1.对数据采集处理单元的计算机进行编程，高清摄像机与计算机相连接；

步骤2.打开水压试验机上的安全阀，启动开关，待高压水通过耐高压管线进入高压釜筒体后，通过多通道应变仪的显示屏观察应变数据是否有变化，确保设备正常工作；

步骤3.系统正常工作后，水压试验机按设定的试验工作参数，以0～0.1MPa/s的速率完成加压至最大试验压力，试验压力最大不超过25Mpa，保压，减压最小减至0MPa；再次加压进行系列交变载荷施加操作，模拟水下航行器复合材料耐压壳体在深海中的实际工况；

步骤4.试验完成后，按下水压试验机上的泄压按钮，从多通道应变仪与高清摄像机中分别读取实验过程中的应变数据与视频记录，用于试验结果的后续处理；打开高压釜端盖，取出复合材料耐压壳体测试样件观察结构变化情况，对比分析不同的循环周期内应变数据的变化，研究交变载荷下复合材料耐压壳体被测试样件的疲劳性能。

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