CN113820214A - 一种测量固体推进剂泊松比的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测量固体推进剂泊松比的方法及系统，用于对固体推进剂的泊松比进行测试，方法包括准备阶段与试验阶段，其中准备阶段包括：制作推进剂试样；确定试样的尺寸；测量试样的比例极限；对用于测量试样的宽度方向应变的柔性传感器进行标定；在试样上安装柔性传感器；检测柔性传感器的平行度和垂直度；试验阶段包括：施加载荷并采集数据。根据本发明的方法，采用柔性传感器来对固体推进剂的试样进行测量，由于柔性传感器的模量比推进剂低，在泊松比测量时不会影响推进剂本身的力学性能，提高泊松比测量精度。
Description
技术领域
本发明属于测试技术领域，具体来说涉及一种测量固体推进剂泊松比的方法及系统。
背景技术
泊松比是物体的一个重要性能参数。根据泊松比的定义，测试泊松比值即间接测试材料在一定载荷作用下的纵横向位移变形量，而位移变形量除以原始长度即为应变。
泊松比的测试方法很多，根据泊松比测试过程中所用的基本原理不同，可以分为机械方法、声学方法、光学方法等等。
运用机械方法测定材料泊松比一般属于接触式测量。弹性泊松比的测试已经标准化。目前采用最多的方法是通过各种引伸计配合二次仪表采集数据获得纵横向应变数据测得泊松比。机械测量法在常温下操作简单方便，使用引伸计法，位移测量直观，但是引伸计的自重和夹持力较大会引起软质试样的附加变形，因此适用于硬质试样。
泊松比测试的声学方法主要包括布里渊散射、表面声、声显微学等方法。声学方法是完全的无损检测。布里渊散射和表面声波法都是利用激光束直接射到试样表面激发表面声波；声显微学中的入射声波则是通过液体介质射到试样表面激发表面声波，其频率比前两者低，适用于探测较厚的表面层。此外，目前广泛运用的超声技术如相比较法、脉冲回波重合法和脉冲重迭法则是利用超声相干原理，通过测量频率测得声速，从而计算各个弹性参数。声学方法的缺点主要是非金属材料的声阻和内阻尼较大，使得声速和振动测试都比较困难。同时，声学方法虽然不会破坏材料表面状态，但也不能判断材料从弹性到塑性形变的转折点，不能保证测试在弹性基线范围内进行。
光学法尤其是数字散斑面内相关方法（DICM）具有全场测量、非接触、光路相对简单、测量视场可调、无需进行干涉条纹处理等众多优点。因此，光学方法在泊松比测量中得到了广泛运用。数字散斑面内相关方法的基本思想始于20世纪80年代初期。早期的研究利用电视摄像机记录被测材料加载前后的激光散斑图，经过模数转变，将图像存储于微机之中。通过计算相关系数的极值测定物体的表面变形量。近年来，还有人提出了数字图像相关方法（DIC）用于推进剂泊松比的测量。
固体推进剂是典型的粘弹性材料，其泊松比是时间的函数。在数值仿真中泊松比微小的变化就会引起仿真结果较大的误差，所以测量高精度动态的泊松比，对于固体火箭发动机结构完整性仿真来说十分重要。然而长期以来，因受限于测量技术水平，同时也为了简化问题，往往将固体推进剂等粘弹性材料的泊松比视为常数。目前，测量固体推进剂的泊松比的方法之一是采用引伸计法等传统的接触测量方式进行测量。这样处理不可避免地会带来较大的测量误差。一方面，未考虑时间和温度对泊松比的影响；另一方面，固体推进剂模量较小，易变形，接触测量法会增加推进剂的附加刚度。采用该方法，会导致泊松比测量精度低，大变形下泊松比测量会产生较大的误差，小变形量测试精度低。
目前有采用数字图像相关方法的方式的非接触式测量推进剂泊松比，该方法相比于接触式测量精度有一定的提升。但目前对于推进剂测量，数字图像相关方法方法有重复性差，试验结果极度依赖于对光测图像的数字处理方法。并且存在小应变（10%以内）测试不准，高应变率下测试会产生误差等问题。
其他像超声波法、测其他变量计算泊松比的方法只能获得泊松比定值并不能用于泊松比的动态测量。
此外，中国专利文献1提出了一种固体推进剂粘弹性泊松比应变率主曲线构造方法，用于克服现有方法中的附加刚度对泊松比测量结果的影响，从而实现不同目标和不同拉伸速率下固体推进剂粘弹性泊松比的非接触测量。然而，该专利中所采用的测试方法仍然是基于数字图像相关方法进行测量，并未解决该方法本身存在的问题。
专利文献1：CN109900561A，申请人：中国人民解放军国防科技大学；国际专利分类号：G01N3/18。
发明内容
结合申请人在该领域的研究和实际经验，在此提出以下改进的技术方案。
一种测量固体推进剂泊松比的方法，用于对固体推进剂的泊松比进行测试，包括准备阶段与试验阶段，其中准备阶段包括：
- 制作推进剂试样；
- 确定试样的尺寸；
- 测量试样的比例极限；
- 对用于测量试样的宽度方向应变的柔性传感器进行标定；
- 在试样上安装柔性传感器；
- 检测柔性传感器的平行度和垂直度；
试验阶段包括：施加载荷并采集数据。
根据本发明的方法，采用柔性传感器来对固体推进剂的试样进行测量，由于柔性传感器的模量比推进剂低，在泊松比测量时不会影响推进剂本身的力学性能，提高泊松比测量精度。此外，本发明的进一步优点还将通过下述的诸多改进来体现。
根据本发明的一个方面，制作推进剂试样包括：制作高平行度的试样模具，以浇铸的方式制作试样。相比于常规的人工切割试样，通过以浇铸方法使用高精度模具来制作试样，能够显著提高试样的平行度，减少人为误差。
根据本发明的一个方面，测量试样的比例极限通过单向拉伸试验测得。
根据本发明的一个方面，对用于测量试样的宽度方向应变的柔性传感器进行标定包括：在粘贴横向柔性传感器的时候给传感器一个大于试样横向变形的初始拉应变，并对此时的柔性传感器进行标定。考虑到柔性传感器不能够测量压应变，因此在测试之前对用于测量试样的宽度方向应变的柔性传感器进行标定，能够使得全部的传感器都采用柔性传感器，从而提高测试的一致性，进而提高测试精度。
根据本发明的一个方面，在试样上安装柔性传感器包括：采用粘合剂将柔性传感器安装在试样上。柔性传感器的安装同样是很重要的一个方面，本发明通过采用粘合剂的方式来将柔性传感器安装在试样上，能够进一步降低安装带来的测量误差。
根据本发明的一个方面，采用模具将柔性传感器安装在试样上，其中，所述模具包括主体部以及用于放置所述柔性传感器的长形孔。由于采用了粘合剂来安装柔性传感器，因此一旦安装，就不容易调整传感器的位置，为了提高安装的速度与精度，本发明还专门设计了安装工装，从而可以快速、精确地安装传感器。
根据本发明的一个方面，所述模具还包括腿部，其中，所述腿部与所述主体部活动连接，以通过调节腿部之间的宽度来将主体部与试样固定。通过该改进，能够使得安装工装适用于不同宽度的试样。
根据本发明的一个方面，所述粘合剂采用硅橡胶。硅橡胶具有粘结强度高、固化时间短、延伸率较高和容易获取等特点，因而适用于柔性传感器与推进剂表面的粘贴。
根据本发明的一个方面，将所测得的泊松比数据与应用数字图像相关方法对同一试样所测得的泊松比数据进行对比，找出二者的数据换算关系，建立转换关系式，并定义求出相关转换系数，以对应用数字图像相关方法进行修正。根据本发明的这一改进，可以克服数字图像相关方法在小量程、高应变率下测试不准的缺陷，还能够提高数字图像相关方法在不同温度和压强环境下的应用范围。
此外，本发明还提出一种用于测量固体推进剂泊松比的系统，所述系统包括：- 柔性传感器，所述柔性传感器用于安装于试样上；- 信息处理单元，用于对所述柔性传感器采集的数据进行处理；- 柔性传感器安装工装，所述安装工装包括主体部，在所述主体部上设置有用于安装所述柔性传感器的长形孔，所述安装工装还设置有两个腿部。根据本发明的系统，能够用于执行本发明的方法。
附图说明
参考附图描述本发明的示例性实施例，其中：
图1示出了本发明的固体推进剂泊松比测量方法所使用的系统。
图2示出了本发明的柔性传感器的另一种安装方式。
图3示出了本发明的用于安装传感器的工装的俯视图。
图4示出了本发明的用于安装传感器的工装的左视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。
本发明的固体推进剂泊松比测量方法所使用的系统如图1所示。在图1中，在试样2上设置有三个柔性传感器1，柔性传感器电连接到信息处理单元3。具体地，试验采用哑铃型试样，该哑铃型试样具有两个端部以及连接两个端部的中间部，且两个端部的宽度大于中间部的宽度。试验时对推进剂试样施加横向力，通过柔性传感器在其弹性范围内测定相应的纵向应变和横向应变，来获得推进剂试样的泊松比。
优选地，柔性传感器采用基于编织石墨烯的柔性应变传感器。
三个柔性传感器1设置在哑铃型试样的中间部上，并按照两横一纵的方式排列。柔性传感器的具体排列方式可以如图1所示，即一个纵向设置的传感器设置在两个横向设置的传感器的一侧。优选地，两个横向安装的传感器设置在推进剂试样的横向两侧距离中心线2.5mm处。当然，也可以采取另外的安装方式。例如，可以采用图2所示的安装方式，将纵向设置的一个传感器设置在两个横向设置的传感器中间。图2中仅示出了试样上安装有传感器的部分。优选地，两个横向设置的传感器设置在哑铃型试样的中轴线上。此外，两个横向传感器也可以分别设置在试样的不同的侧面上。
在横向上使用两个平行的柔性传感器视为了提高测量的准确度。也就是说，使用两个横向传感器仅仅是一种优选的而非必须的方案。仅使用一个横向传感器也是可行的。
本发明的固体推进剂泊松比测量方法包括如下内容：
（1）试样制作
为了保证试验测量泊松比的精度，用常规的哑铃型试件是不够的。常规的哑铃型试样都是使用大的推进剂块体切割出来的，很多操作与测量都有人为干预，要保证试件面与面之间的平行度十分困难。为了保证每个哑铃型试件中间部四个面的平行度与垂直度，保证试件在单轴拉伸的过程中不产生多余的扭矩，我们用浇铸的方式进行哑铃型试件的制作，制作了一套高平行度的哑铃型试件模具，以这种方式获得高平行度的哑铃型试样。
（2）通过单向拉伸试验测得试样的比例极限。
在该步骤中，采用已知的单向拉伸试验来测得试样的比例极限。单轴拉伸使用的试验机有以下几个特点：试验机能在加载时保持恒速；试验机能调整拉伸速率，满足测试不同应变率下推进剂泊松比变化的需求；试验机配有保温箱，能针对不同温度下推进剂的泊松比测量提供环境变量。
（3）测量试样的宽度与长度
在图1中，试样的宽度是指中间部的宽度，而试样的长度则是指试样的长度。进一步地，可以定义横向标距和纵向标距，其中纵向标距是试样的宽度的一半，而横向标距则定义为试样的长度。当然，在采用了高精度模具的情况下，该试样的宽度与长度也可以直接由模具的尺寸得出。
（4）对柔性传感器进行标定
因为在拉伸试验中横向应变是收缩的，而柔性传感器对压应变不能很好的测量，因此在粘贴横向柔性传感器的时候会给传感器一个大于试样横向变形的初始拉应变，并对此时的柔性传感器进行标定。由此，可以通过测量拉应变的减少量来测量压应变。
（5）安装柔性传感器
由于柔性传感器需要安装在试样上，为了尽量减小柔性传感器的安装所带来的测量误差，本发明采用硅橡胶作为粘合剂来将柔性传感器安装到试样上。优选地，硅橡胶采用704硅橡胶。
704硅橡胶粘结强度高、固化时间短、延伸率较高和容易获取等特点，因而适用于柔性传感器与推进剂表面的粘贴。粘贴的过程中需要保证粘合剂的厚度不要太高，最好不要超过0.5mm，并且要求粘合剂涂抹均匀，保证传感器受力均匀。
此外，为了保证试验的测试精度，需要考虑传感器安装时候的平行度与垂直度。为了保证粘贴效果，本发明还提出了如图3和图4所示的工装，以便更快地安装传感器。
图3所示是该工装的俯视图，图4是该工装的左视图。结合图3和图4，可以看出，该工装包括主体部41，在主体部41上设置有3个长形孔42、43和44，分别用于安装三个柔性传感器。这样，工装本身限定了传感器的安装位置，因此使用工装来安装三个传感器能够实现快速且精确的安装。
工装本身可以是扁平状结构，只要其上设置有3个对应的长形孔即可。优选地，从图4中可以看出，该工装还可以设置有两个腿部45和46。这样，两个腿部可以卡在试样的中间部上，从而实现与试样的稳固结合，由此更加有助于安装。
工装的两个腿部与主体部41之间可以采取可调的活动连接，从而可以使工装适应不同宽度的试样。
（6）检测柔性传感器的平行度和垂直度
采用水平仪来测试柔性传感器粘贴的平行度。分别在基准面和被测表面沿长度方向分段测量，将测得的值按直线度误差的方法求出基准面符合最小条件的理想直线，以该理想直线作为被测表面的评定基准，求得实际被测表面的直线度误差即为平行度误差。
优选地，试样上安装的两个纵向柔性传感器与纵向中轴线的平行度不大于0.05mm。
纵向安装的传感器的垂直度可以采用相同的方法和标准测量。
（7）施加载荷并采集数据
当柔性传感器的安装符合标准后，可以将试样装在试验机的上下夹具间，从而开始施加载荷，并相应地采集试验数据，进而求出固体推进剂的泊松比。
具体地，该步骤可以包含以下内容“”
对载荷系统和柔性传感器测量系统进行校准和平衡；
选定X-Y记录仪X轴和Y轴满量程，使试样变形量在满量程的20%~80%之间；
调整试样的试验温度，对试样施加预载荷；
启动试验机，根据试验需求调整加载速度，并记录△Lx-△Ly图线；
当载荷值达到试样的比例极限的70%时停止试验。
此外，本发明的方法还可以以此为基准，对采用数字图像相关方法所测的结果进行修正。即，将基于柔性传感器所测的泊松比数据与应用数字图像相关方法的泊松比数据进行对比，找出二者的数据换算关系，建立转换关系式，并定义求出相关转换系数。
由于本发明的方法可以应用于不同的温度和压强环境下进行测量，而数字图像相关方法不能很好地应用于不同温度和压强环境下，因此通过本发明的方法来校正数字图像相关方法，不仅能够克服数字图像相关方法在小量程、高应变率下测试不准的缺陷，还能够提高数字图像相关方法在不同温度和压强环境下的应用范围。
上文描述的仅仅是有关本发明的精神和原理的示例性实施方式。本领域技术人员可以明白，在不背离所述精神和原理的前提下，可以对所描述的示例做出各种变化，这些变化及其各种等同方式均被本发明人所预想到，并落入由本发明的权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种测量固体推进剂泊松比的方法，用于对固体推进剂的泊松比进行测试，包括准备阶段与试验阶段，其中准备阶段包括：
- 制作推进剂试样；
- 确定试样的尺寸；
- 测量试样的比例极限；
- 对用于测量试样的宽度方向应变的柔性传感器进行标定；
- 在试样上安装柔性传感器；
- 检测柔性传感器的平行度和垂直度；
试验阶段包括：施加载荷并采集数据。
2.根据权利要求1所述的一种测量固体推进剂泊松比的方法，其特征在于，所述制作推进剂试样包括：制作高平行度的试样模具，以浇铸的方式制作试样。
3.根据权利要求1所述的一种测量固体推进剂泊松比的方法，其特征在于，测量试样的比例极限通过单向拉伸试验测得。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种测量固体推进剂泊松比的方法，其特征在于，对用于测量试样的宽度方向应变的柔性传感器进行标定包括：在粘贴横向柔性传感器的时候给传感器一个大于试样横向变形的初始拉应变，并对此时的柔性传感器进行标定。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的一种测量固体推进剂泊松比的方法，其特征在于，在试样上安装柔性传感器包括：采用粘合剂将柔性传感器安装在试样上。
6.根据权利要求5所述的一种测量固体推进剂泊松比的方法，其特征在于，采用模具将柔性传感器安装在试样上，其中，所述模具包括主体部以及用于放置所述柔性传感器的长形孔。
7.根据权利要求6所述的一种测量固体推进剂泊松比的方法，其特征在于，所述模具还包括腿部，其中，所述腿部与所述主体部活动连接，以通过调节腿部之间的宽度来将主体部与试样固定。
8.根据权利要求5所述的一种测量固体推进剂泊松比的方法，其特征在于，所述粘合剂采用硅橡胶。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的一种测量固体推进剂泊松比的方法，其特征在于，将所测得的泊松比数据与应用数字图像相关方法对同一试样所测得的泊松比数据进行对比，找出二者的数据换算关系，建立转换关系式，并定义求出相关转换系数，以对应用数字图像相关方法进行修正。
10.一种用于测量固体推进剂泊松比的系统，所述系统包括：
- 柔性传感器（1），所述柔性传感器用于安装于试样（2）上；
- 信息处理单元（3），用于对所述柔性传感器（1）采集的数据进行处理；
- 柔性传感器安装工装，所述安装工装包括主体部（41），在所述主体部上设置有用于安装所述柔性传感器的长形孔（42、43、44），所述安装工装还设置有两个腿部（45、46）。
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| CN202111408860.5A Active CN113820214B (zh) | 2021-11-25 | 2021-11-25 | 一种测量固体推进剂泊松比的方法及系统 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115235888A (zh) * | 2022-07-06 | 2022-10-25 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种材料弹性性能原位局部触压测量方法及测量系统 |
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- 2021-11-25 CN CN202111408860.5A patent/CN113820214B/zh active Active
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113820214B (zh) | 2022-03-15 |
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