CN113484119A - 一种飞机结冰力学性能测试样本制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于风洞试验技术领域,提供了一种飞机结冰力学性能测试样本制备方法,包括以下步骤:沿切割方向多次切割原始冰样,得到多个观测切片,切割方向与原始冰样的生长方向相交;根据多个观测切片的气泡规律参数制作多层模拟冰样,将多层模拟冰样叠加得到测试样本,模拟冰样的叠加方向与原始冰样的生长方向相同或相反。本发明提供的一种飞机结冰力学性能测试样本制备方法具有制备简单、便于试验、效率高等优势。
Description
技术领域
本发明属于风洞试验技术领域,尤其是涉及一种飞机结冰力学性能测试样本制备方法。
背景技术
飞行器结冰是飞行安全事故中较为瞩目的危险源,飞行器表面的结冰破坏了飞行器的气动外形,导致空气动力学特性下降,并且飞行器不同部件的相对结冰量对飞行有着不同的影响,即使存在少量结冰,但若该少量结冰发生于关键位置,危害程度与其他位置大面积覆冰的情形无异,因此,研究飞行器不同部件的结冰问题成为目前亟待解决的重要问题。
飞行器结冰力学性能的研究对防除冰方法的优化和冰脱落特性等方面研究尤为重要。然而,结冰力学性能则受到表面冰中气泡分布的影响,如气泡大小、气泡密度等。
飞行器飞行过程中机体表面所结的冰是由空气中的过冷水滴不断撞击和累积形成的,表面冰的内部有形态多样的气泡。同时,飞行器结冰冰体不同于普通冰,其形状规则性差、样本稀有稀少且取样困难。若采用直接对飞行器表面的冰进行取样和研究,无法满足常规力学性能测试试验机试验件的要求。
综上所述,现有技术存在如下技术问题:
1. 现有技术中飞行器飞行过程中机体表面所结的冰形状不规则、样本稀少、取样难度大;
2. 飞行器结冰力学性能的研究较为重要,且研究过程中需要大量样本进行测试试验,而现有技术通过直接从飞行器表面进行取样进行研究的方式,无法满足常规力学性能测试试验的要求。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中飞行器表面冰型形状不规则、样本稀少、取样难度大且无法满足常规力学性能测试样本要求的问题,提供了一种飞机结冰力学性能测试样本制备方法,具有制备简单、便于试验等特点。
本发明提供了一种飞机结冰力学性能测试样本制备方法,包括以下步骤:
步骤S10:沿切割方向多次切割所述原始冰样,得到多个观测切片,所述切割方向与所述原始冰样的生长方向相交;
步骤S20:根据多个观测切片的气泡规律参数制作多层模拟冰样,将多层模拟冰样叠加得到测试样本,所述模拟冰样的叠加方向与所述原始冰样的生长方向相同或相反。
进一步的,沿所述原始冰样的生长方向,所述原始冰样依次包括为起始端和生长端;所述步骤S10中,沿所述生长端开始切割,得到厚度相同的观测切片,直至待取样冰样的厚度小于观测切片厚度时,所述待取样冰样为原始冰样经切割后剩余的原始冰样。
进一步的,所述切割方向与所述原始冰样的生长方向相互垂直。
进一步的,步骤S20中,得到所述气泡规律参数的步骤包括:获取所述观测切片的对应的显微图像;根据所述显微图像得到所述气泡规律参数,所述气泡规律参数包括平均气泡直径和气泡含量。
进一步的,所述平均气泡直径的获取方法为:统计所述显微图像中的气泡个数和每个气泡的尺寸,根据所述气泡个数和所述每个气泡的尺寸得到所述观测切片的统计图像,所述气泡的尺寸为气泡直径或气泡半径;对所述统计图像进行分布曲线拟合,得到相应的分布曲线,根据所述分布曲线得到所述平均气泡直径。
进一步的,所述分布曲线拟合为正态分布拟合、对数正态分布拟合、韦布尔分布拟合、伽马分布拟合中的一种或多种。
进一步的,所述气泡含量为所述显微图像中所有气泡的总面积与所述显微图像的面积之比,所述显微图像中所有气泡的总面积根据所述分布曲线计算得到。
进一步的,所述步骤S20中,根据多个观测切片的气泡规律参数制作多层模拟冰样的步骤包括:
步骤S201:根据所述观测切片的气泡规律参数向所述单层水中充入气泡,得到单层气泡水,环境温度不超过4℃;将单层气泡水转移至冰样模具,降温至-40℃~-20℃,保持温度直至冻结,得到单层模拟冰样;
步骤S202:重复步骤S201,直至所有观测切面都得到对应的所述单层模拟冰样,停止重复,所述冰样模具中的多层模拟冰样为测试样本。
进一步的,所述步骤S202中,按照所述观测切片的切割顺序,依次制备所述单层模拟冰样。
进一步的,所述步骤S201至少进行一次之后,所述冰样模具中包括至少一层基础冰样,所述基础冰样由已经得到的所有单层模拟冰样叠加得到。
综上所述,本发明至少具有如下技术效果:
1. 本发明通过对原始冰样进行切割得到观测切片,并沿原始冰样的生长方向叠加由观测切片得到的模拟冰样,从而得到气泡规律参数的变化与原始冰样生长方向气泡变化相同的测试样本,避免了因样本稀少、取样难带来的困难,为结冰力学性能的研究提供了大量的测试样本,提高了结冰力学研究效率;
2. 本发明通过切割得到厚度相同的观测切片,减少了每次取样过程中由切割厚度带来的样本差异,从而进一步保证了用于提取显微图像的样本的一致性,确保了通过不同观测切片得到的显微图像的气泡规律参数具有科学性和可比性;
3. 本发明通过设置切割方向与原始冰样的生长方向相互垂直,从而使得提取到测试样本中的气泡变化和形态的更加接近原始冰样中的气泡变化和形态;
4. 本发明通过根据所述观测切片的气泡规律参数向所述单层水中充入气泡,所述气泡规律参数包括平均气泡直径和气泡含量,从而使得单层气泡水中的平均气泡直径和气泡含量与所述观测切片中的平均气泡直径和气泡含量相同,确保单层气泡水的气泡规律参数与观测切片的气泡规律参数相同,从而实现了对原始冰样中的特定部位的气泡规律参数的无差别复刻,保证了测试样本制备的精确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对本发明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,下面所描述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获得其他的附图。
图1是本发明中结冰力学性能测试样本制备方法的流程图;
图2是本发明中切割原始冰样的示意图;
图3是本发明中显微图像观测样本的示意图;
图4(a)是本发明中观测切片的显微图像一;
图4(b)是本发明中观测切片的显微图像二;
图5是本发明中气泡边缘提取的示意图;
图6是本发明中统计图像及其拟合曲线;
图7是本发明中制备多层模拟冰样的流程图;
图8是本发明中冰样模具中模拟冰样、基础冰样和测试样本的示意图;
图9是本发明中测试样本的应用示意图。
具体实施方式
以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子,用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式,仅用来精简的表达本发明,其仅作为例子,而并非用以限制本发明。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"垂直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语"第一"、"第二"仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中,"多个"的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接:可以是机械连接,也可以是电连接或可以相互通讯;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触,也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且,第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征水平厚度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母,这种重复是为了简化和清楚的目的,其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外,本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子,但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明,应当理解,此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例:
如图1所示,本发明实施例提供了一种飞机结冰力学性能测试样本制备方法,包括以下步骤:
步骤S10:沿切割方向多次切割所述原始冰样,得到多个观测切片,所述切割方向与所述原始冰样的生长方向相交;
步骤S20:根据多个观测切片的气泡规律参数制作多层模拟冰样,将多层模拟冰样叠加得到测试样本,所述模拟冰样的叠加方向与所述原始冰样的生长方向相同或相反。
通过对原始冰样进行切割得到观测切片,并沿原始冰样的生长方向叠加由观测切片得到的模拟冰样,从而得到气泡规律参数的变化与原始冰样生长方向气泡变化相同的测试样本,避免了因样本稀少、取样难带来的困难,为结冰力学性能的研究提供了大量的测试样本,提高了结冰力学研究效率。
进一步的,沿所述原始冰样的生长方向,所述原始冰样依次包括为起始端和生长端;所述步骤S10中,沿所述生长端开始切割,得到厚度相同的观测切片,直至待取样冰样的厚度小于观测切片厚度时,所述待取样冰样为原始冰样经切割后剩余的原始冰样。
通过切割得到厚度相同的观测切片,减少了每次取样过程中由切割厚度带来的样本差异,从而进一步保证了用于提取显微图像的样本的一致性,确保了通过不同观测切片得到的显微图像的气泡规律参数具有科学性和可比性。
进一步的,所述切割方向与所述原始冰样的生长方向相互垂直。
如图2所示,S为原始冰样的生长方向,Q i 为切割次数,P i 为观测切片,其中,i为切割次数,i为整数且i≧1。在第1次切割之前可对原始冰样表面进行削平处理,以保证第1次切割后获得的观测切片P 1 的厚度与后续切割后获得的观测切片的厚度h相同,即h 1 =h 2= h,所述削平处理记为初始切割,记为Q 1 。
图2中切割方向与原始冰样的生长方向垂直,经过第1次切割Q 1 后得到第1号观测切片P 1 ,经过第2次切割Q 2 后得到第2号观测切片P 2 ,依次切割,直至将原始冰样切割成厚度小于等于h的多个观测切片P i 。
通过设置切割方向与原始冰样的生长方向相互垂直,从而使得提取到测试样本中的气泡变化和形态的更加接近原始冰样中的气泡变化和形态。
进一步的,步骤S20中,得到所述气泡规律参数的步骤包括:获取所述观测切片的对应的显微图像;根据所述显微图像得到所述气泡规律参数,所述气泡规律参数包括平均气泡直径和气泡含量。
将图2中切割得到的每个观测切片P i ,按照如图3所示的制样方式制得显微图像的观测样本,即显微图像的观测角度与原始冰样的生长方向相同或相反。
如图4(a)和图4(b)所示,分别为两个观测切片的显微图像,可以看出,通常情况下,不同观测切片的显微图像存在较大差异,具体的,在气泡大小,气泡分布的密度、气泡形状等方面均存在差异。
进一步的,所述平均气泡直径的获取方法为:统计所述显微图像中的气泡个数和每个气泡的尺寸,根据所述气泡个数和所述每个气泡的尺寸得到所述观测切片的统计图像,所述气泡的尺寸为气泡直径或气泡半径;对所述统计图像进行分布曲线拟合,得到相应的分布曲线,根据所述分布曲线得到所述平均气泡直径。
通过基于matlab中的canny算子对显微图像进行气泡边缘提取,如图5所示,得到气泡边缘图像,通过统计气泡边缘图像中的气泡个数和每个气泡的尺寸得到统计图像,所述统计图像如图6所示。
进一步的,所述分布曲线拟合为正态分布拟合、对数正态分布拟合、韦布尔分布拟合、伽马分布拟合中的一种或多种。
如图6所示,对所述统计图像进行拟合,得到正态分布拟合曲线、对数正态分布拟合曲线、伽马分布拟合曲线和韦布尔分布拟合曲线四种拟合曲线,通过观察发现对数正态分布拟合曲线更加接近于气泡实际的统计分布(直方图),因此,选取对数正态分布曲线,拟合得到所述平均气泡直径。
进一步的,所述气泡含量为所述显微图像中所有气泡的总面积与所述显微图像的面积之比,所述显微图像中所有气泡的总面积根据所述分布曲线计算得到。
根据图6中的对数正态分布曲线,基于统计学,计算出所述观测切片显微图像中所有气泡的总面积。
进一步的,如图7所示,所述步骤S20中,根据多个观测切片的气泡规律参数制作多层模拟冰样的步骤包括:
步骤S201:根据所述观测切片的气泡规律参数向所述单层水中充入气泡,得到单层气泡水,环境温度不超过4℃;将单层气泡水转移至冰样模具,降温至-40℃~-20℃,保持温度直至冻结,得到单层模拟冰样;
步骤S202:重复步骤S201,直至所有观测切面都得到对应的所述单层模拟冰样,停止重复,所述冰样模具中的多层模拟冰样为测试样本。
所述冰样模具一端封口,单层气泡水从冰样模具的另一端倒入。
单层水的温度不超过4℃,同时在环境温度不超过4℃的条件下向单层水中充入气泡,降低了气泡在单层水中的流动活性,进一步保证了单层水中的气泡规律参数与所述观测切片的气泡规律参数相同,减少了气泡在充入过程中的流出。
同时,通过单层水的温度不超过4℃,同时在环境温度不超过4℃的条件下,对单层气泡水进行了预冷冻,从而有效缩短了单层气泡水在冻结过程中的冻结时间,进而迅速将气泡冻结至单层气泡水中,有效避免了气泡再冷冻过程中的流出,进一步减小了单层模拟冰样的气泡规律参数与所述观测切片的气泡规律参数之间的差异。
通过根据所述观测切片的气泡规律参数向所述单层水中充入气泡,所述气泡规律参数包括平均气泡直径和气泡含量,从而使得单层气泡水中的平均气泡直径和气泡含量与所述观测切片中的平均气泡直径和气泡含量相同,确保单层气泡水的气泡规律参数与观测切片的气泡规律参数相同,从而实现了对原始冰样中的特定部位的气泡规律参数的无差别复刻,保证了测试样本制备的精确性。
进一步的,所述步骤S202中,按照所述观测切片的切割顺序,依次制备所述单层模拟冰样。
若从i~N依次重复步骤S201,则最先制得的是观测切片P 1 所对应的模拟冰样M 1 ,最后制得的是观测切片P i 所对应的模拟冰样M i ,即最终得到的冰样模具模拟冰样M 1 ~M N 从封口端至倒入端依次成型;
若从N~i依次重复步骤S201,则最先制得的是观测切片P i 所对应的模拟冰样M i ,最后制得的是观测切片P 1 所对应的模拟冰样M 1 ,即最终得到的冰样模具模拟冰样M 1 ~M N 从倒入端至封口端依次成型。
进一步的,所述步骤S201至少进行一次之后,所述冰样模具中包括至少一层基础冰样,所述基础冰样由已经得到的所有单层模拟冰样叠加得到。
如图8所示,为冰样模具中模拟冰样M i 、基础冰样M 1 ~M n 、测试样本M 1 ~M N ,基础冰样M 1 ~M n 和测试样本M 1 ~M N 分别由n或N个模拟冰样M i 叠加而成,其中,n为冷冻过程中冰样模具最上层模拟冰样的序号,N为所有观测切片所对应的模拟冰样的个数,2≦n≦N。
由于各层模拟冰样M i 之间通过冻结形成分子间作用力,并通过分子间作用力连接各层模拟冰样M i ,因此避免了外接连接装置的介入。
如图9所示,将得到的测试样本进行分割得到多个测试样品,如测试样品C 1 、测试样品C 2 、测试样品C 3 和测试样品C 4 ,分别用于法向量力学性能测试、切向量力学性能测试、其他力学性能测试和备用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种飞机结冰力学性能测试样本制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S10:沿切割方向多次切割原始冰样,得到多个观测切片,所述切割方向与所述原始冰样的生长方向相交;
步骤S20:根据多个观测切片的气泡规律参数制作多层模拟冰样,将多层模拟冰样叠加得到测试样本,所述模拟冰样的叠加方向与所述原始冰样的生长方向相同或相反。
2.根据权利要求1所述的一种飞机结冰力学性能测试样本制备方法,其特征在于,沿所述原始冰样的生长方向,所述原始冰样依次包括为起始端和生长端;所述步骤S10中,沿所述生长端开始切割,得到厚度相同的观测切片,直至待取样冰样的厚度小于观测切片厚度时,所述待取样冰样为原始冰样经切割后剩余的原始冰样。
3.根据权利要求2所述的一种飞机结冰力学性能测试样本制备方法,其特征在于,所述切割方向与所述原始冰样的生长方向相互垂直。
4.根据权利要求1所述的一种飞机结冰力学性能测试样本制备方法,其特征在于,步骤S20中,得到所述气泡规律参数的步骤包括:获取所述观测切片的对应的显微图像;根据所述显微图像得到所述气泡规律参数,所述气泡规律参数包括平均气泡直径和气泡含量。
5.根据权利要求4所述的一种飞机结冰力学性能测试样本制备方法,其特征在于,所述平均气泡直径的获取方法为:统计所述显微图像中的气泡个数和每个气泡的尺寸,根据所述气泡个数和所述每个气泡的尺寸得到所述观测切片的统计图像,所述气泡的尺寸为气泡直径或气泡半径;对所述统计图像进行分布曲线拟合,得到相应的分布曲线,根据所述分布曲线得到所述平均气泡直径。
6.根据权利要求5所述的一种飞机结冰力学性能测试样本制备方法,其特征在于,所述分布曲线拟合为正态分布拟合、对数正态分布拟合、韦布尔分布拟合、伽马分布拟合中的一种或多种。
7.根据权利要求5所述的一种飞机结冰力学性能测试样本制备方法,其特征在于,所述气泡含量为所述显微图像中所有气泡的总面积与所述显微图像的面积之比,所述显微图像中所有气泡的总面积根据所述分布曲线计算得到。
8.根据权利要求1所述的一种飞机结冰力学性能测试样本制备方法,其特征在于,所述步骤S20中,根据多个观测切片的气泡规律参数制作多层模拟冰样的步骤包括:
步骤S201:根据所述观测切片的气泡规律参数向单层水中充入气泡,得到单层气泡水,环境温度不超过4℃;将单层气泡水转移至冰样模具,降温至-40℃~-20℃,保持温度直至冻结,得到单层模拟冰样;
步骤S202:重复步骤S201,直至所有观测切面都得到对应的所述单层模拟冰样,停止重复,所述冰样模具中的多层模拟冰样为测试样本。
9.根据权利要求8所述的一种飞机结冰力学性能测试样本制备方法,其特征在于,所述步骤S202中,按照所述观测切片的切割顺序,依次制备所述单层模拟冰样。
10.根据权利要求9所述的一种飞机结冰力学性能测试样本制备方法,其特征在于,所述步骤S201至少进行一次之后,所述冰样模具中包括至少一层基础冰样,所述基础冰样由已经得到的所有单层模拟冰样叠加得到。
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