CN112560219B - 一种全海深固体浮力材料密度精准设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全海深固体浮力材料密度精准设计方法，所述固体浮力材料包括各种轻质填料和液态原料，其中，将液态原料作为一种组分，将每一种轻质填料分别作为一种组分，固体浮力材料密度的精准设计方法包括如下步骤：获取各组分真密度数据、全海深固体浮力材料样品制备与检测、工艺真密度求解、全海深固体浮力材料密度精准设计，该设计方法不依赖组分真密度精确数据，简单、高效、精准。

Description

一种全海深固体浮力材料密度精准设计方法

技术领域

本发明涉及海洋工程材料制造领域，具体的说是一种全海深固体浮力材料密度精准设计方法。

背景技术

全海深固体浮力材料是一种低密度、抗压强度大于110MPa的多孔结构复合材料，能适用于各类全海深装备，如全海深深潜器、全海深着陆器等，在这些装备抛卸压载时，该材料能够为其提供稳定的上浮动力，从而保证设备与人员的安全。全海深固体浮力材料性能与密度密切相关，密度越小，单位体积可提供的浮力越大，密度越精准，深潜器的浮心越精准，这对提高深潜器的有效载荷、安全性具有十分重要的意义。

国内对于全海深固体浮力材料研究起步较晚，文献中固体浮力材料的密度，多由

计算获得，其中，ρ_sbm为固体浮力材料的目标密度，ρ_r为基体树脂的密度，ρ_b为轻质填料的真密度，

为轻质填料的体积分数。该方法需要测试基体树脂和轻质填料的真密度，并且需要对配方进行多次的调整优化，但是没有考虑制备工艺对各组分密度的影响，导致理论计算值与制品的密度测试值存在较大的误差，不能快速、高效地设计制备密度精准的全海深固体浮力材料。

发明内容

针对现有全海深固体浮力材料密度设计方法误差较大，导致浮力材料生产企业和深潜器研发单位不能及时、高效地获得密度精准的全海深固体浮力材料的现状，本发明提供了一种不依赖组分真密度精确数据的简单、高效、精准的全海深固体浮力材料密度精准设计方法。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：

一种全海深固体浮力材料密度精准设计方法，所述固体浮力材料包括各种轻质填料和液态原料，其中，将液态原料作为一种组分，将每一种轻质填料分别作为一种组分，令固体浮力材料中的组分数为n，目标密度为ρ_sbm的固体浮力材料的设计方法包括如下步骤：

(1)、获取各组分的真密度ρ_j，其中，液态原料的真密度选用估算值，各类轻质填料的真密度选用标称真密度；

(2)、根据固体浮力材料中的n个组分数设计n种配方，其中，令第i种配方中第j种组分的质量分数为m_ij，(1≤i，j≤n)，n种配方中，每个配方中至少有一种组分与其他(n-1)种配方中的质量分数不同，令第i种配方中的设计密度为ρ_shi，ρ_shi∈[ρ_sbm-0.05,ρ_sbm+0.05]；

当n＝2时，根据方程组(1)计算各个配方中各个组分的质量分数；

当n≥3时，利用方程组(2)计算各个配方中各个组分的质量分数；

其中，m_i2为第i种配方中主要的轻质填料的质量分数，m_ix为第i种配方中其他轻质填料的质量分数，C_ij为设计时指定的常数，C_ij的值与相应组分的粒径比有关；

利用计算的质量分数值称取各组分，并制备各配方样品，并用排水法测定各个样品的密度ρ_sbmi；

(3)、因需考虑制备工艺对固体浮力材料密度的影响，引入各组分制备工艺影响因数f_j，利用公式(3)可以计算各组分的工艺真密度为f_jρ_j：

(4)、令各组分的实际质量分数为m_j，当n＝2时，采用方程组(4)即可计算出各组分的实际质量分数；

当n≥3时，利用方程租(5)计算各组分的实际质量分数；

其中，m₂为主要的轻质填料的质量分数，m_x为其他轻质填料的质量分数，C_j为设计时指定的常数(C_j<1)，C_j的取值与相应组分的粒径和密度有关；

(5)、利用步骤(4)求得的各组分的实际质量分数m_j制备固体浮力材料样品，并用排水法测定样品的实际密度ρ_t，则│ρ_t-ρ_sbm│<0.001g/cm³。

进一步地，所述液体原料主要包括树脂和固化剂。

进一步地，步骤(3)中，令

则公式(3)可以整理成m_ijx_j＝b_i，通过求取x_j，再取倒数，可快速计算得到工艺真密度f_jρ_j，进而得出各组分制备工艺影响因数f_j。

有益效果：

1、本发明提供的设计方法，具有如下优点：(1)不需要各组分真密度数据的精确值，可以使用估算值或标称值设计全海深固体浮力材料，不必做树脂浇注体密度检测，以及各种轻质填料的密度检测，减少了设计流程；(2)通过引入工艺影响系数和简单的线性代数方程组求解，对极少量的配方试验所用组分的估算或标称真密度数据进行修正，得出各组分的工艺真密度，代替大量的密度调优试验，方法简单、所得数据准确可靠，适用于浇铸法、模压成型法、真空浸渍法、液体传递模塑法等全海深固体浮力材料制备工艺，能够大大节约试验成本，缩短研制周期；(3)使用该发明专利所述方法，在开展新配方试验，或原材料批次、型号有较大变动时，能够指导企业依托现有生产工艺，获得密度精准、质量一致性好的全海深固体浮力材料产品，避免出现密度超差的产品，为企业降本增效，提高全海深固体浮力材料产品竞争力；(4)对于全海深装备设计研究人员而言，使用密度精准的全海深固体浮力材料有助于减少其对浮力材料块的挑选分组、分块设计、质心调整等工作，在设备的设计阶段比较轻松地确定其排水量、质心、浮心、稳心等关键技术指标。

2、本发明因考虑了制备工艺对各组分真密度的影响，浇铸法、模压成型法、真空浸渍法、液体传递模塑法等制备工艺均适用该设计方法。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明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做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

一种全海深固体浮力材料密度精准设计方法，其特征在于：所述固体浮力材料包括各种轻质填料和液态原料，其中，将液态原料作为一种组分，将每一种轻质填料分别作为一种组分，令固体浮力材料中的组分数为n，目标密度为ρ_sbm的固体浮力材料的设计方法包括如下步骤：

(1)、获取各组分的真密度ρ_j，其中，液态原料的真密度选用估算值，各类轻质填料的真密度选用标称真密度；

(2)、根据固体浮力材料中的n个组分数设计n种配方，其中，令第i种配方中第j种组分的质量分数为m_ij，(1≤i，j≤n)，n种配方中，每个配方中至少有一种组分与其他(n-1)种配方中的质量分数不同，令第i种配方中的设计密度为ρ_shi，ρ_shi∈[ρ_sbm-0.05,ρ_sbm+0.05]；

当n＝2时，根据方程组(1)计算各个配方中各个组分的质量分数；

当n≥3时，利用方程组(2)计算各个配方中各个组分的质量分数；

其中，m_i1为第i种配方中液态原料的质量分数，m_i2为第i种配方中主要的轻质填料的质量分数(主要的轻质填料的质量分数值均大于固体浮力材料中其他的轻质填料)，m_ix为第i种配方中其他轻质填料的质量分数，C_ij为设计时指定的常数(C_ij<1)，C_ij的值与相应组分的粒径比有关；

利用计算的质量分数值称取各组分，并制备各配方样品，并用排水法测定各个样品的密度ρ_sbmi，n种配方中，每个配方中至少有一种组分与其他(n-1)种配方中的质量分数不同；

(3)、因需考虑制备工艺对固体浮力材料密度的影响，引入各组分制备工艺影响因数f_j，利用公式(3)可以计算各组分的工艺真密度为f_jρ_j：

令

则公式(3)可以整理成m_ijx_j＝b_i，通过求取x_j，再取倒数，可快速计算得到工艺真密度f_jρ_j，进而得出各组分制备工艺影响因数f_j；

(4)、令各组分的实际质量分数为m_j，当n＝2时，采用方程组(4)即可计算出各组分的实际质量分数；

当n≥3时，利用方程租(5)计算各组分的实际质量分数；

其中，m₁为液态原料的质量分数，m₂为主要的轻质填料的质量分数，m_x为其他轻质填料的质量分数，C_j为设计时指定的常数(C_j<1)，C_j的取值与相应组分的粒径和密度有关；

(5)、利用步骤(4)求得的各组分的实际质量分数m_j制备固体浮力材料样品，并用排水法测定样品的实际密度ρ_t，则│ρ_t-ρ_sbm│<0.001g/cm³。

所述液体原料主要包括树脂和固化剂。

实施例1

对双组份，即n＝2的情况，精准设计目标密度为0.65g/cm³的全海深固体浮力材料的实施过程如下：

(1)获取各组分真密度数据

组分1：液态原料(树脂浇注体)，密度采用估算值，ρ₁＝1.1g/cm³；

组分2：轻质填料，真密度采用填料标称值，ρ₂＝0.4g/cm³；

(2)、全海深固体浮力材料样品制备与检测

配方1：按照设计密度ρ_sh1为0.65g/cm³设计配方，将各组分的密度值代入方程组(1)，则有：

通过上述方程组可计算出m₁₁＝0.604，m₁₂＝0.396，制备样品，并用排水法检测样品密度ρ_sbm1＝0.671g/cm³；

配方2：按照设计密度ρ_sh2为0.64g/cm³设计配方，将各组分的密度值代入方程组(1)，则有：

通过上述方程组可计算出m₂₁＝0.589，m₂₂＝0.411，制备样品，并用排水法检测样品密度ρ_sbm2＝0.661g/cm³；

(3)工艺真密度求解

根据检测结果，列工艺真密度求解方程组：

将上述方程组化为线性方程组：

求解线性方程组，得

x₁＝0.893,x₂＝2.404

从而，可得各组分的工艺真密度

f₁ρ₁＝1.12,f₂ρ₂＝0.416

各组分密度的估算值或标称值代入上式，进而可得制备工艺对各种组分的影响系数：f₁＝1.018，f₂＝1.040；

(4)全海深固体浮力材料密度精准设计

使用步骤(3)求解的各组分的工艺真密度，精准设计目标密度ρ_sbm＝0.65g/cm³的全海深固体浮力材料，求解下列方程组：

根据上述方程组可得各组分的实际质量分数为m₁＝0.574，m₂＝0.426。

使用该方法制备的全海深固体浮力材料样品密度检测结果为0.6506g/cm³与设计值0.65g/cm³比较，误差仅为0.0006g/cm³，远小于固体浮力材料相关标准规定的0.02g/cm³。

实施例2

对于三种组分，即n＝3的情况，精准设计目标密度为0.65g/cm³的全海深固体浮力材料的实施过程如下：

(1)获取各组分真密度数据

组分1：液态原料(树脂浇注体)，密度采用估算值，ρ₁＝1.1g/cm³；

组分2：轻质填料1，真密度采用填料标称值，ρ₂＝0.4g/cm³；

组分3：轻质填料2，真密度采用产品标称值，ρ₃＝0.46g/cm³；

(2)全海深固体浮力材料样品制备与检测

配方1：按照设计密度ρ_sh1为0.65g/cm³设计配方，将各组分的真密度代入方程组(2)，可得到：

通过上述方程组可计算出m₁₁＝0.596，m₁₂＝0.362，m₁₃＝0.042，制备样品，并用排水法检测样品密度ρ_sbm1＝0.667g/cm³；

配方2：按照设计密度ρ_sh2为0.64g/cm³设计配方，将各组分的真密度代入方程组(2)，可得到：

通过上述方程组可计算出m₂₁＝0.580，m₂₂＝0.377，m₂₃＝0.043，制备样品，并用排水法检测样品密度ρ_sbm2＝0.657g/cm³；

配方3：按照设计密度ρ_sh3为0.65g/cm³设计配方，将各组分的真密度代入方程组(2)，可得到：

通过上述方程组可计算出m₃₁＝0.595，m₃₂＝0.359，m₃₃＝0.046，制备样品，并用排水法检测样品密度ρ_sbm3＝0.666g/cm³；

(3)工艺真密度求解

根据检测结果，列下列方程组求解工艺真密度：

化为线性方程组

求解上述线性方程组，得x₁＝0.893，x₂＝2.410，x₃＝2.268；

从而，可得各组分的工艺真密度：

f₁ρ₁＝1.12，f₂ρ₂＝0.415，f₃ρ₃＝0.441

各组分密度的估算值或标称值代入上式，进而可得制备工艺对各种组分的影响系数f₁＝1.018，f₂＝1.038，f₃＝0.959

(4)全海深固体浮力材料密度精准设计

使用步骤(3)求解的各组分的工艺真密度，精准设计目标密度ρ_sbm＝0.65g/cm³的全海深固体浮力材料，求解下列方程组：

根据上述方程组可得各组分的实际质量分数位m₁＝0.570，m₂＝0.388，m₃＝0.041。

使用该方法制备的全海深固体浮力材料样品密度检测结果为0.6507g/cm³与设计值0.65g/cm³比较，误差仅为0.0007g/cm³，远小于固体浮力材料相关标准规定的0.02g/cm³。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非随本发明作任何形式上的限制。凡根据本发明的实质所做的等效变换或修饰，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种全海深固体浮力材料密度精准设计方法，其特征在于：所述固体浮力材料包括液态原料和各种轻质填料，其中，将液态原料作为一种组分，将每一种轻质填料分别作为一种组分，目标密度为ρ_sbm的固体浮力材料的设计方法包括如下步骤：

(1)、获取各组分的真密度ρ_j，其中，液态原料的真密度选用估算值，各类轻质填料的真密度选用标称真密度；

(2)、令固体浮力材料中的组分数为n，根据固体浮力材料中的n个组分数设计n种配方，其中，令第i种配方中第j种组分的质量分数为m_ij，(1≤i，j≤n)，n种配方中，每个配方中至少有一种组分与其他(n-1)种配方中的质量分数不同，令第i种配方中的设计密度为ρ_shi，ρ_shi∈[ρ_sbm-0.05,ρ_sbm+0.05]；当n＝2时，根据方程组(1)计算各个配方中各个组分的质量分数；

当n≥3时，利用方程组(2)计算各个配方中各个组分的质量分数；

其中，m_i2为第i种配方中主要的轻质填料的质量分数，m_ix为第i种配方中其他轻质填料的质量分数，C_ij为设计时指定的常数，C_ij的值与相应组分的粒径比有关；

利用计算的质量分数称取各组分，并制备各配方样品，并用排水法测定各个样品的密度ρ_sbmi；

(3)、因需考虑制备工艺对固体浮力材料密度的影响，引入了各组分制备工艺影响因数f_j，利用公式(3)可以计算各组分的工艺真密度为f_jρ_j和各组分制备工艺影响因数f_j；

(4)、令各组分的实际质量分数为m_j，当n＝2时，采用方程组(4)即可计算出各组分的实际质量分数；

当n≥3时，利用方程租(5)计算各组分的实际质量分数；

其中，m₂为主要的轻质填料的质量分数，m_x为其他轻质填料的质量分数，C_j为设计时指定的常数，C_j的取值与相应组分的粒径和密度有关；

(5)、利用步骤(4)求得的各组分的实际质量分数m_j制备固体浮力材料样品，并用排水法测定样品的实际密度ρ_t，则│ρ_t-ρ_sbm│<0.001g/cm³。

2.根据权利要求1所述的一种全海深固体浮力材料密度精准设计方法，其特征在于：所述液体原料包括树脂和固化剂。

3.根据权利要求1所述的一种全海深固体浮力材料密度精准设计方法，其特征在于：步骤(3)中，令

则公式(3)可以整理成m_ijx_j＝b_i，通过求取x_j，再取倒数，可快速计算得到工艺真密度f_jρ_j，进而得出各组分制备工艺影响因数f_j。