CN114112719A - 一种用于测试绳带类材料蠕变性能的试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于测试绳带类材料蠕变性能的试验装置，包括绳带类材料夹持与固定装置、标距参比排、标距参比排固定夹具、绳带变形量导出装置和接触式传感测试系统，材料夹持与固定装置采用具有一定弧度的波浪形夹持端头，对绳带两端进行夹持，利用双排螺钉螺母加压固定，采用标距参比排及其固定夹具，将固定标距长度的绳带蠕变量通过变形量导出装置导出到接触式传感测试系统中；本发明还公开了一种用于测试绳带类材料蠕变性能的试验方法，将绳带在特定拉伸载荷和特定温度下保持一定时间，根据变形测量数据建立绳带材料的应变‑时间蠕变方程，或建立加载载荷‑断裂失效时间绳带蠕变寿命预测曲线，形成了不同尺寸规格绳带类材料的蠕变性能试验方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于测试绳带类材料蠕变性能的试验装置及方法，属于材料性能测量及航天材料工程应用领域。
背景技术
柔性绳带材料主要应用于卫星用天线张力绳索、通信卫星天线主网、太阳翼展开机构以及地外星体着陆降落伞等，在航天器结构及功能实现中起着重要的作用，在新研卫星产品中也有广阔的应用前景。绳带类材料在高温服役工况中极易产生蠕变，经过空间高低温循环后，材料的蠕变加剧。绳带材料在拉伸载荷条件下产生的尺寸变化关系到产品的技术指标精度和使用可靠性，但由于绳带类材料的蠕变模式与传统刚性材料不同，目前没有准确的试验方法能够对柔性绳带在受载荷条件下的蠕变性能进行评估，造成测试数据缺乏，材料性能分析不足，严重影响产品的可靠性评估。
用于测试材料蠕变性能的标准主要包括GB/T 2039-2012《金属材料单轴拉伸蠕变试验方法》和GB/22077-2008《架空导线蠕变试验方法》，前者仅适用于刚性材料的蠕变测试，后者对柔性带状材料的平直度不好控制，也不适用编织类绳带材料的固定。GB/T 2039-2012标准较为成熟，但仅适用于加工成光滑台肩试样或缺口试样的金属材料和其他刚性材料，GB/22077-2008中试样端头采用诸如低熔点金属或环氧树脂等材料固定，避免测试过程中导线滑移或层间移动，但由于样品的平直度和同轴度不易保持，且该方法不适用于柔性绳带材料高温蠕变性能的测试。由于绳带类材料与传统刚性材料的差异性，绳带的夹持与固定装置的设计思路一般使用胶粘剂将绳带材料固定于加强片上或者缠绕在工装夹具上，这些方法容易导致滑脱，致使试验失败，也容易对绳带产生夹持损伤。因此，现有的蠕变性能测试方法不适用于柔性绳带类材料的测试，需要设计新的试验方法对材料的蠕变变形量进行精确测试，以保证绳带类产品结构设计与技术指标的实现。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种用于绳带类材料蠕变性能的试验装置及方法，采用优化的绳带蠕变测试夹持与固定装置、标距参比排、标距参比排固定夹具、绳带变形量导出测试装置、接触式传感测试系统以及数据采集系统，实现了绳带类材料蠕变性能的准确测试。在特定试验温度条件下，沿绳带试样轴线方向施加恒定拉伸应力，保持一定时间获得绳带的应变/蠕变变形-时间曲线，或加载载荷-断裂失效时间试验数据，用以评价材料的蠕变性能或预测绳带定载荷蠕变寿命，有效弥补了现有蠕变性能测试方法存在的不足。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于测试绳带类材料蠕变性能的试验装置，包括材料夹持与固定装置、标距参比排、标距参比排固定夹具、绳带变形量导出装置和接触式传感测试系统；
材料夹持与固定装置包括结构相同的上端头和下端头，上端头和下端头均包括夹头和夹头压板，上端头和下端头中的夹头和夹头压板固定连接后，分别对绳带的两端进行夹紧固定；
标距参比排为两对，两对标距参比排的上端分别通过2个标距参比排固定夹具与绳带标距段两端固定连接，两对标距参比排的下端与绳带变形量导出装置连接；
标距参比排固定夹具包括结构相同的第一固定件和第二固定件，第一固定件或第二固定件包括卡爪和压辊，所述卡爪为T形，卡爪尾部与标距参比排固定连接，卡爪头部中间设有凹槽，压辊嵌入所述凹槽中；第一固定件和第二固定件中的卡爪头部相对，第一固定件和第二固定件固定连接后，利用第一固定件和第二固定件中的压辊压紧绳带；
外部力学试验机通过材料夹持与固定装置对绳带施加载荷，标距参比排随绳带的蠕变伸长而产生位移变化，所述位移变化通过标距参比排带动变形量导出装置产生位移，接触式传感测试系统检测所述位移输出至外部数据采集系统。
进一步的，所述夹头和夹头压板固定连接时的配合面均为波浪形曲面，且夹头的配合面与夹头压板的配合面形状互补；所述波浪形曲面的曲率半径R＝8～12mm；
所述上端头和下端头中，还包括端头双排螺钉螺母，端头双排螺钉螺母中包括第一排端头螺钉螺母和第二排端头螺钉螺母，所述第一排端头螺钉螺母和第二排端头螺钉螺母分别设于上端头和下端头的两侧，第一排端头螺钉螺母和第二排端头螺钉螺母中各包含≥2组且与绳带轴向平行排布的螺钉螺母，通过端头双排螺钉螺母实现夹头和夹头压板的固定连接。
进一步的，所述标距参比排固定夹具还包括卡爪双排螺钉螺母和卡爪单排螺钉螺母，卡爪头部设计双排螺钉螺母用于固定连接第一固定件和第二固定件，卡爪单排螺钉螺母用于固定连接卡爪尾部与标距参比排上端；
所述卡爪双排螺钉螺母包括第一排固定件螺钉螺母和第二排固定件螺钉螺母，所述第一排固定件螺钉螺母和第二排固定件螺钉螺母分别设于卡爪头部，且位于凹槽两侧，第一排固定件螺钉螺母和第二排固定件螺钉螺母中各包含≥2组且与绳带轴向平行排布的螺钉螺母；
所述卡爪单排螺钉螺母包含≥2组且与绳带轴向平行排布的螺钉螺母。
进一步的，所述卡爪头部的凹槽通过卡爪头部端面的形心且凹槽方向与绳带轴向垂直。
进一步的，所述绳带变形量导出装置包括2个导出板、双排连杆和双排弹簧；所述2个导出板垂直绳带轴向，且沿绳带轴向排布，两对标距参比排的下端分别与2个导出板连接；所述双排连杆包括分别设于2个导出板上的第一排连杆和第二排连杆，第一排连杆和第二排连杆中各包含2个垂直绳带轴向排布的连杆；所述双排弹簧包括第一排弹簧和第二排弹簧，第一排弹簧连接于第一排连杆中的2个连杆之间，第二排弹簧连接于第二排连杆中的2个连杆之间，所述双排弹簧的伸缩方向与2个连杆的排布方向平行，双排连杆和双排弹簧用于标距参比排和变形量导出装置的连接与固定。
进一步的，所述接触式传感测试系统包含2个设于2个导出板之间的接触式传感探测器，用于检测绳带变形量导出装置中2个导出板的位移。
进一步的，还包括滚轮，标距参比排下端通过滚轮沿与绳带轴向平行的导轨滑动进行位移。
一种用于测试绳带类材料蠕变性能的试验方法，采用上述一种用于测试绳带类材料蠕变性能的试验装置实现，包括以下步骤：
S1将材料夹持与固定装置的上端头和下端头分别与力学试验机连接，通过上端头和下端头中的夹头和夹头压板的固定连接，分别对绳带的两端进行夹紧固定；
S2将加热箱升温并到达试验温度，并同时通过力学试验机对绳带进行预加初载，对绳带进行保温至绳带材料因热膨胀引发的变形得到充分释放；
S3将两对标距参比排的上端分别通过标距参比排固定夹具与绳带标距段两端固定连接，两对标距参比排的下端与绳带变形量导出装置连接；将绳带变形量导出装置与接触式传感测试系统连接；
S4在试验温度下，通过力学试验机对绳带逐步加载至试验荷载，在试验载荷下通过接触式传感测试系统获取不同时间下变形量导出装置的位移，进而得到不同时间下绳带的蠕变应变；
S5根据步骤S4所得绳带的应变量绘制绳带蠕变应变-时间曲线；
所述材料夹持与固定装置、标距参比排和标距参比排固定夹具置于加热箱内，绳带变形量导出装置和接触式传感测试系统置于加热箱外。
进一步的，上述用于测试绳带类材料蠕变性能的试验方法中，试验过程中绳带标距段温度变化小于±2℃；
所述步骤S2中，通过力学试验机对绳带进行预加初载的初载荷不大于绳带额定拉断力的2％；
所述步骤S4中，对绳带逐步加载过程中，每次加载时间为5min±10s，每次加载增量不超过试验载荷的20％，试验持续时间不小于1000h；
所述步骤S4中，通过接触式传感测试系统获取不同时间下变形量导出装置的位移，根据所述位移得到绳带参考长度的增量ΔLrt，根据如下公式得到不同时间点下绳带的蠕变伸长率(即蠕变应变)：
式中：Lro为原始参考长度，ΔLrt为原始参考长度的增量，Af为t时刻蠕变伸长率。
进一步的，上述用于测试绳带类材料蠕变性能的试验方法，还包括采用蠕变温度保持时间内的测量值作为试验温度和试验拉伸载荷下的绳带蠕变数据，建立长期蠕变方程，线性回归得到方程系数并推算以年为计算时长的绳带材料蠕变量；或获取加载载荷与断裂失效时间数据，通过曲线拟合预测给定载荷蠕变寿命或以实现所需的蠕变寿命计算可承载的载荷范围。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明一种用于测试绳带类材料蠕变性能的试验装置及方法中，绳带类材料夹持与固定装置内部设计为波浪形结构，可增加绳子与夹具的接触长度(面积)，从而在固定的载荷条件下，夹持部位单位长度(面积)的载荷减小，从而有利于更加平均地分布载荷，增加夹持的平稳性；波浪形夹具与平夹夹具相比，绳带同时受到夹持端头水平方向与垂直方向的分力作用，更有利于端部的固定，实现了绳带材料端部的稳定夹持；
(2)本发明一种用于测试绳带类材料蠕变性能的试验装置及方法中，材料夹持与固定装置采用双排螺钉螺母进行加压固定，进一步增加了绳子与波浪形夹具的摩擦力，且压紧力可以根据不同绳带的尺寸进行调解，通过调节端头螺钉螺母的旋紧程度，可以实现对不同厚度规格绳带材料的夹持，使装置具有较强的灵活性，且可以推广到其他柔性材料的测试中；
(3)本发明一种用于测试绳带类材料蠕变性能的试验装置采用T形卡爪、凹槽及压辊相配合的方法对绳带标距段两端进行夹持，夹持稳定且不会对绳带产生损伤，同时提升夹持样品的平直度和同轴度，作为试验装置的关键部件首次实现了柔性绳带类材料蠕变变形量的准确测试；
(4)本发明试验装置通用性强，利用变形量导出装置和标距参比排将柔性绳带材料的变形量导出，该试验装置及方法不仅适用于常温也能解决高温蠕变性能测试问题，并可推广到高低温变化条件下的绳带材料蠕变性能测试，满足了航天器绳带类材料空间温度环境适应性考核验证需求；
(5)本发明一种用于测试绳带类材料蠕变性能的试验方法中，在测试前对绳带材料进行蠕变温度条件下的预加载，使绳带材料因热膨胀引发的变形进行充分地释放，以降低绳带热膨胀引起的伸长所带来的测量不确定度，提高了绳带蠕变性能测试的准确性；
(6)本发明绳带类材料蠕变性能试验方法得到的蠕变应变-时间曲线更接近于材料受载时的实际形变过程，且建立了加载载荷-断裂失效时间绳带蠕变寿命预测曲线，有效弥补了现有蠕变性能测试方法存在的不足，实现了绳带类材料服役可靠性的评价。
附图说明
图1为本发明绳带类材料蠕变性能试验装置夹持方式示意图；
图2为本发明绳带类材料夹持与固定装置、标距参比排、标距参比排固定夹具及其连接方式示意图；
图3为本发明标距参比排、变形量导出装置、接触式传感测试系统及其连接方式示意图；
图4为本发明绳带类材料夹持与固定装置的组成结构示意图；其中，图(a)为夹头压板示意图，图(b)为夹头示意图，图(c)为夹头压板和夹头组合后的示意图；
图5为本发明标距参比排固定夹具的组成结构示意图；其中，图(a)为卡爪和压辊结构示意图，图(b)为卡爪和压辊安装位置示意图；
图6为本发明利用绳带类材料蠕变性能测试方法测得的蠕变应变-时间曲线；
图7为本发明利用绳带类材料蠕变性能测试方法得到的加载载荷-断裂失效时间寿命预测曲线。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明公开了一种用于绳带类材料蠕变性能的试验装置及方法，包括绳带类材料夹持与固定装置1、标距参比排2、标距参比排固定夹具3、绳带变形量导出测试装置4和接触式传感测试系统5。采用绳带材料夹持与固定装置对绳带两端进行夹持，利用双排螺钉螺母加压固定。采用标距参比排及其固定夹具，将固定标距长度的绳带蠕变变形量通过变形量导出装置导出到接触式传感测试系统中，将绳带在特定拉伸载荷和特定温度下保持一定时间，根据变形测量数据建立绳带材料的应变-时间蠕变方程，或建立加载载荷-断裂失效时间绳带蠕变寿命预测曲线，形成了适用于不同尺寸规格绳带类材料的蠕变性能试验方法。
绳带类材料夹持与固定装置1由上、下两个对称的端头组成，分别在两个端部对绳带材料样品进行固定；每个端头包括一对夹头6和夹头压板7，夹头6及夹头压板7内侧面(即固定连接时的配合面)设计为具有一定弧度(R＝8～12mm)的波浪形曲面，夹头6及夹头压板7外侧采用端头双排螺钉螺母8对端头所夹持的绳带材料进行整体加压固定，一方面可以调节对绳带试样的压紧力，一方面增加试样与波浪形夹头压板间的摩擦力。通过调节端头双排螺钉螺母的旋紧程度，可以实现对不同厚度绳带材料的夹持，使绳带在较大的恒定载荷作用下，也不会在端头处发生滑动。如图1所示，待测绳带样品的长度应大于100d+2a，其中d为绳带宽度，a为夹持与固定装置1中端头与标距段L0近端的距离。
标距参比排2用于对绳带材料样品的变形进行标定，标距参比排2为两对，两对标距参比排为左右对称结构，上端分别通过2个标距参比排固定夹具3与绳带标距段L0两端固定连接，标距参比排固定夹具3采用T形卡爪9与压辊10压接固定的方式，用两个直径为3mm的压辊10压在绳带两侧，其中，卡爪头部设置双排卡爪螺钉螺母11对压辊10进行加压固定，尾部设置单排卡爪螺钉螺母12与标距参比排2连接，如图5所示。
具体地，图1为绳带类材料蠕变性能试验装置夹持方式示意图，显示了绳带类材料夹持与固定装置1、标距参比排2、标距参比排固定夹具3与绳带的固定位置，绳带标距段L0，绳带宽度d、夹持与固定装置中端头与标距段L0一端的距离a，其中标距段L0长度至少为100d。
图2为绳带类材料夹持与固定装置1、标距参比排2、标距参比排固定夹具3及其连接方式示意图，标距参比排2用于对绳带材料样品的变形进行标定，标距参比排2为两对，两对标距参比排分别为左右对称结构，两对标距参比排的上端分别通过2个标距参比排固定夹具3与绳带标距段L0两端固定连接，两对标距参比排上端之间的距离差为标距段L0。
图3为标距参比排2、变形量导出装置4、接触式传感测试系统5及其连接部位示意图，标距参比排2下端与变形量导出装置4连接，两对标距参比排下端分别与变形量导出装置4中的两个导出板13紧密连接，通过双排连杆14及双排弹簧15实现四个位置的精准定位，标距参比排2随绳带的蠕变伸长而产生位移变化，并通过滚轮17带动变形量导出装置4沿绳带轴向进行移动，由变形量导出装置4将标距参比排2的位移导出到加热箱的外部。
图4为绳带类材料夹持与固定装置的组成结构示意图，材料夹持与固定装置1由上、下两个对称的端头组成，每个端头都由夹头6与夹头压板7组成，分别对绳带材料样品的两个端部进行固定；夹头6及夹头压板7内部设计为具有一定弧度的波浪形曲面结构，外部采用双排螺钉螺母8对端头进行整体加压固定。
图5为标距参比排固定夹具的组成结构示意图，标距参比排固定夹具3包括两个结构相同的固定件，分别为第一固定件和第二固定件。每个固定件主要由卡爪9与压辊10组成，卡爪9为T形，卡爪9头部中心固定一根直径为3mm的压辊10，加压固定时压辊10嵌入在卡爪9头部中心的凹槽中。
通过双排连杆14及双排弹簧15将标距参比排2下端与变形量导出装置4紧密连接，通过第一排连杆和第二排连杆、第一排弹簧和第二排弹簧四个位置的精准定位，将标距参比排2随绳带蠕变位移的变化由变形量导出装置4导出到加热箱的外部。
与绳带标距段L0上端连接的标距参比排2导出的变形通过变形量导出装置4传递至接触式传感探测器16的上端部，与绳带样品标距段L0下端连接的标距参比排2导出的变形通过变形量导出装置4传递至接触式传感探测器16的下端部。接触式传感测试系统5与数据采集系统联用，用于实现绳带变形量的测试与采集。
为实现对绳带材料变形量的精确导出，试验前对绳带材料进行预加初载，并在蠕变温度条件下加热保温10min，使绳带材料因热膨胀引发的变形进行充分地释放，之后再进行蠕变变形量的测试，将测试过程中因绳带热膨胀所引起的干扰因素减少，用于降低绳带热膨胀引起的伸长所造成的测量不确定度。
进一步的，试验前预加初载的初荷载允许达到绳带额定拉断力的2％。试验过程中的加载时间为5min±10s，均匀加载至试验荷载，不能过载。
进一步的，需要逐步加载，每次的增量不应超过试验荷载的20％。当逐步加载时，应确保加载曲线应力时间图所覆盖的面积等于预加载或零加载至最终试验荷载之间的直线所覆盖的面积。
进一步的，对绳带材料进行不同时间下应变的测量时，需要对原始参考长度Lro和参考长度的增量ΔLrt进行精确测试，计算不同时间点下(t时刻)蠕变伸长率Af的确定方法为：
式中：Lro为原始参考长度，ΔLrt为原始参考长度的增量，Af为t时刻蠕变伸长率。
本发明一种用于测试绳带类材料蠕变性能的试验装置及方法，包括如下步骤：
步骤一，将测试绳带蠕变性能的试验装置中材料夹持与固定装置1的上端头和下端头分别通过上、下转接头与力学试验机相连接，将绳带穿过夹头6和夹头压板7之间，利用端头双排螺钉螺母8将夹头6和夹头压板7进行连接，通过旋紧螺母对端头进行加压至绳带被牢固固定；
步骤二，打开力学试验机进行预加载，允许初荷载达到绳带额定拉断力的2％。将标距参比排2上端与绳带材料进行连接，采用卡爪9与压辊10压接固定的方式，将标距参比排固定夹具中的第一固件与第二固定件头部相对，通过旋紧两个固定件头部的卡爪双排螺钉螺母11将两个嵌入凹槽的压辊分别压在绳带两侧。卡爪9尾部通过卡爪单排螺钉螺母12与标距参比排2进行连接；
步骤三，通过双排连杆14及双排弹簧15将标距参比排2的下端与变形量导出装置4进行连接。标距参比排2随绳带的蠕变伸长而产生位移变化，标距参比排2下端通过滚轮17沿与绳带轴向平行的导轨滑动进行位移，带动变形量导出装置4将标距参比排2的位移导出到加热箱的外部；
步骤四，绳带变形量导出装置4中两个导出板13的两端分别与接触式传感测试系统5中两个与导出板垂直的接触式传感探测器16紧密接触，与绳带标距段L0上端连接的标距参比排2导出的变形通过变形量导出装置4传递至接触式传感探测器16的上端部，与绳带样品标距段L0下端连接的标距参比排2导出的变形通过变形量导出装置4传递至接触式传感探测器16的下端部，接触式传感探测器16探测出绳带的微变形并将信号传输到数据采集系统中；
步骤五，为对炉体内部温度进行实时监测与控制，将三个热电偶分别粘贴在标距段两端和中间。其中，两个热电偶分别粘贴在夹持绳带的2个标距参比排固定夹具3上，一个热电偶粘贴在标距参比排2上。控制温度使蠕变试验期间内绳带温度变化小于±2℃；
步骤六，将加热箱盖上，设定好温度后通过力学试验机逐步加载至试验荷载，不能过载，加载时间应为5min±10s。逐步加载中，每次的增量不应超过试验荷载的20％。试验持续时间不小于1000h，以充分精确地预测绳带长期蠕变量；
步骤七，对绳带材料进行不同时间下应变的测量，按照公式(1)的方法计算绳带不同时间点的蠕变应变伸长率，绘制蠕变应变-时间曲线。
采用蠕变温度保持时间内的测量值作为特定温度和特定拉伸载荷下的绳带蠕变数据，建立蠕变方程，线性回归得到方程系数并推算以年为计算时长的绳带蠕变量。
进一步的，采用加载载荷与断裂失效时间测试数据，对试验数据进行曲线拟合，外推预测给定载荷绳带蠕变寿命或以实现所需的蠕变寿命计算可承载的载荷范围。
实施例1
下面以聚酰亚胺绳带材料的蠕变性能试验方法为例，对本发明专利的实施方式进行详细说明。
(1)将测试绳带蠕变性能试验装置中材料夹持与固定装置1的上、下两个端头分别通过上、下转接头与力学试验机相连接，将绳带穿过夹头6和夹头压板7之间，利用双排端头螺钉螺母8将夹头6和夹头压板7进行连接，通过旋紧螺母对端头进行加压至绳带被牢固固定，用同样的方式将绳带样品的上、下端头固定；
(2)打开力学试验机，对绳带进行预加载，允许初荷载达到绳带额定拉断力的2％。通过标距参比排固定夹具3将标距参比排2上端与绳带进行连接，标距参比排固定夹具3中采用卡爪9与压辊10压接固定的方式，将标距参比排固定夹具中的第一固件与第二固定件中的卡爪头部相对，通过旋紧卡爪双排螺钉螺母11将两个嵌入凹槽中的压辊分别压在绳带两侧。卡爪9尾部通过卡爪单排螺钉螺母12与标距参比排2进行连接；
(3)通过双排连杆14及双排弹簧15将标距参比排2的下端与变形量导出装置4进行连接，通过四个位置的精准定位，增加稳定性。标距参比排2随绳带的蠕变伸长而产生位移变化，并通过滚轮17沿着与绳带轴向平行的导轨滑动带动变形量导出装置4移动，由变形量导出装置4将标距参比排2的位移导出到加热箱的外部；
(4)变形量导出装置4中2个导出板13的两端分别用接触式传感测试系统5中两个与导出板垂直的接触式传感探测器16顶住，其中与绳带标距段L0上端连接的标距参比排2导出的变形通过变形量导出装置4传递至接触式传感探测器16的上部顶针，与绳带样品标距段L0下端连接的标距参比排2导出的变形通过变形量导出装置4传递至接触式传感探测器16的下端，接触式传感探测器16探测出绳带的微变形并将信号传输到数据采集系统中；
(5)将热电偶粘贴在标距段两端和中间。其中，两个热电偶分别粘贴在夹持绳带的两个标距参比排固定夹具3上，一个热电偶粘贴在标距参比排2上。控制温度使蠕变试验期间内绳带温度变化小于±2℃；
(6)将加热箱盖上，设定好温度后通过力学试验机逐步加载，加载时间应为5min±10s，每次的增量不应超过试验荷载的20％，试验载荷不超过绳带断裂载荷的60％。试验持续时间不小于1000h，以充分精确地预测绳带长期蠕变量；
(7)对绳带材料进行不同时间下应变的测量，按照公式(1)的方法计算绳带在不同时刻的蠕变应变伸长率，采用蠕变温度保持时间内的测量值作为特定温度和特定拉伸载荷下的绳带蠕变数据，绘制蠕变应变-时间曲线；
(8)对1000h蠕变试验数据进行处理，可以实现绳带长期服役寿命下的蠕变量。采用从1h～1000h的测量值作线性回归线推导出蠕变方程，得到方程系数并推算出绳带5～10年蠕变量。对聚酰亚胺绳带进行100℃恒温，5kN恒定载荷的绳带蠕变试验，得到图6所示的蠕变应变-时间曲线。使用上述100℃、5kN载荷绳带蠕变数据，建立蠕变方程：
ε＝A×lgt， (2)
式中：ε为绳带经历一定时间后的蠕变应变，A为方程线性回归系数，t为总的蠕变时间。
线性回归得到系数A＝0.0558299，按5年43800h计算，绳带总的蠕变应变为0.26％。
实施例2
下面以Vectran绳带(56×4tex)材料在125℃下的高温蠕变寿命试验及预测方法为例，对本发明专利的实施方式进行详细说明。
(1)将测试绳带蠕变性能试验装置中材料夹持与固定装置3的上、下两个端头分别通过上、下转接头与力学试验机相连接，将绳带穿过夹头6和夹头压板7之间，利用双排端头螺钉螺母8将夹头和夹头压板进行连接，通过旋紧螺母对端头进行加压至绳带被牢固固定，用同样的方式将绳带样品的上、下端头固定；
(2)打开力学试验机，对每一轴绳带进行不少于5次的极限拉断试验，得出平均断裂力(断裂强度)，并以平均断裂力设置Vectran绳带蠕变测试的负载，代表为断裂力的百分比；
(3)对Vectran绳带进行预加初载，允许初荷载达到绳带额定拉断力的2％。通过标距参比排固定夹具3将标距参比排2上端与绳带进行连接，标距参比排固定夹具3中采用卡爪9与压辊10压接固定的方式，将标距参比排固定夹具中的第一固件与第二固定件中的卡爪头部相对，通过旋紧卡爪双排螺钉螺母11将两个嵌入凹槽中的压辊分别压在绳带两侧。卡爪9尾部通过卡爪单排螺钉螺母12与标距参比排2进行连接；
(4)通过双排连杆14及双排弹簧15将标距参比排2的下端与变形量导出装置4进行连接，通过四个位置的精准定位，增加稳定性。标距参比排2下端通过滚轮17沿与绳带轴向平行的导轨滑动进行位移，由变形量导出装置4将标距参比排2的位移导出到加热箱的外部；
(5)变形量导出装置4中2个导出板13的两端分别与接触式传感测试系统5中两个与导出板13垂直的接触式传感探测器16紧密接触，其中与绳带标距段L0上端连接的标距参比排2导出的变形通过变形量导出装置4传递至接触式传感探测器16的上端部，与绳带样品标距段L0下端连接的标距参比排2导出的变形通过变形量导出装置4传递至接触式传感探测器16的下端部，接触式传感探测器16探测出绳带的微变形并将信号传输到数据采集系统中；
(6)将热电偶粘贴在标距段两端和中间。其中，两个热电偶分别粘贴在夹持绳带的2个标距参比排固定夹具3上，一个热电偶粘贴在标距参比排2上。控制温度使蠕变试验期间内绳带温度变化小于±2℃；
(7)将加热箱盖上，设定好温度后通过力学试验机加载设定不同平均断裂力百分比(55％～95％断裂力)的载荷，记录不同载荷的断裂失效时间(试验持续时间)；
(8)通过每组数据进行曲线拟合，对曲线进行外推预测给定载荷蠕变寿命或以实现所需的蠕变寿命计算可承载的载荷范围，拟合出的绳带寿命曲线如图7所示。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种用于测试绳带类材料蠕变性能的试验装置，其特征在于，包括材料夹持与固定装置(1)、标距参比排(2)、标距参比排固定夹具(3)、绳带变形量导出装置(4)和接触式传感测试系统(5)；
材料夹持与固定装置(1)包括结构相同的上端头和下端头，上端头和下端头均包括夹头(6)和夹头压板(7)，上端头和下端头中的夹头(6)和夹头压板(7)固定连接后，分别对绳带的两端进行夹紧固定；
标距参比排(2)为两对，两对标距参比排的上端分别通过2个标距参比排固定夹具(3)与绳带标距段两端固定连接，两对标距参比排的下端与绳带变形量导出装置(4)连接；
标距参比排固定夹具(3)包括结构相同的第一固定件和第二固定件，第一固定件或第二固定件包括卡爪(9)和压辊(10)，所述卡爪(9)为T形，卡爪(9)尾部与标距参比排(2)固定连接，卡爪(9)头部中间设有凹槽，压辊(10)嵌入所述凹槽中；第一固定件和第二固定件中的卡爪(9)头部相对，第一固定件和第二固定件固定连接后，利用第一固定件和第二固定件中的压辊(10)压紧绳带；
外部力学试验机通过材料夹持与固定装置(1)对绳带施加载荷，标距参比排(2)随绳带的蠕变伸长而产生位移变化，所述位移变化通过标距参比排(2)带动变形量导出装置(4)产生位移，接触式传感测试系统(5)检测所述位移输出至外部数据采集系统。
2.根据权利要求1所述的一种用于测试绳带类材料蠕变性能的试验装置，其特征在于，所述夹头(6)和夹头压板(7)固定连接时的配合面均为波浪形曲面，且夹头(6)的配合面与夹头压板(7)的配合面形状互补；所述波浪形曲面的曲率半径R＝8～12mm；
所述上端头和下端头中，还包括端头双排螺钉螺母(8)，端头双排螺钉螺母(8)中包括第一排端头螺钉螺母和第二排端头螺钉螺母，所述第一排端头螺钉螺母和第二排端头螺钉螺母分别设于上端头和下端头的两侧，第一排端头螺钉螺母和第二排端头螺钉螺母中各包含≥2组且与绳带轴向平行排布的螺钉螺母，通过端头双排螺钉螺母(8)实现夹头(6)和夹头压板(7)的固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于测试绳带类材料蠕变性能的试验装置，其特征在于，所述标距参比排固定夹具(3)还包括卡爪双排螺钉螺母(11)和卡爪单排螺钉螺母(12)，卡爪头部设计双排螺钉螺母(11)用于固定连接第一固定件和第二固定件，卡爪单排螺钉螺母(12)用于固定连接卡爪(9)尾部与标距参比排(2)上端；
所述卡爪双排螺钉螺母(11)包括第一排固定件螺钉螺母和第二排固定件螺钉螺母，所述第一排固定件螺钉螺母和第二排固定件螺钉螺母分别设于卡爪(9)头部，且位于凹槽两侧，第一排固定件螺钉螺母和第二排固定件螺钉螺母中各包含≥2组且与绳带轴向平行排布的螺钉螺母；
所述卡爪单排螺钉螺母(12)包含≥2组且与绳带轴向平行排布的螺钉螺母。
4.根据权利要求1或3所述的一种用于测试绳带类材料蠕变性能的试验装置，其特征在于，所述卡爪(9)头部的凹槽通过卡爪(9)头部端面的形心且凹槽方向与绳带轴向垂直。
5.根据权利要求1所述的一种用于测试绳带类材料蠕变性能的试验装置，其特征在于，所述绳带变形量导出装置(4)包括2个导出板(13)、双排连杆(14)和双排弹簧(15)；
所述2个导出板(13)垂直绳带轴向，且沿绳带轴向排布，两对标距参比排的下端分别与2个导出板(13)连接；
所述双排连杆(14)包括分别设于2个导出板(13)上的第一排连杆和第二排连杆，第一排连杆和第二排连杆中各包含2个垂直绳带轴向排布的连杆；所述双排弹簧(15)包括第一排弹簧和第二排弹簧，第一排弹簧连接于第一排连杆中的2个连杆之间，第二排弹簧连接于第二排连杆中的2个连杆之间，所述双排弹簧(15)的伸缩方向与2个连杆的排布方向平行，双排连杆(14)和双排弹簧(15)用于标距参比排(2)和变形量导出装置(4)的连接与固定。
6.根据权利要求5所述的一种用于测试绳带类材料蠕变性能的试验装置，其特征在于，所述接触式传感测试系统(5)包含2个设于2个导出板(13)之间的接触式传感探测器(16)，用于检测绳带变形量导出装置(4)中2个导出板(13)的位移。
7.根据权利要求1所述的一种用于测试绳带类材料蠕变性能的试验装置，其特征在于，还包括滚轮(17)，标距参比排(2)下端通过滚轮(17)沿与绳带轴向平行的导轨滑动进行位移。
8.一种用于测试绳带类材料蠕变性能的试验方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的一种用于测试绳带类材料蠕变性能的试验装置实现，包括以下步骤：
S1将材料夹持与固定装置(1)的上端头和下端头分别与力学试验机连接，通过上端头和下端头中的夹头(6)和夹头压板(7)的固定连接，分别对绳带的两端进行夹紧固定；
S2将加热箱升温并到达试验温度，并同时通过力学试验机对绳带进行预加初载，对绳带进行保温至绳带材料因热膨胀引发的变形得到充分释放；
S3将两对标距参比排的上端分别通过标距参比排固定夹具(3)与绳带标距段两端固定连接，两对标距参比排的下端与绳带变形量导出装置(4)连接；将绳带变形量导出装置(4)与接触式传感测试系统(5)连接；
S4在试验温度下，通过力学试验机对绳带逐步加载至试验荷载，在试验载荷下通过接触式传感测试系统(5)获取不同时间下变形量导出装置(4)的位移，进而得到不同时间下绳带的蠕变应变；
S5根据步骤S4所得绳带的应变量绘制绳带蠕变应变-时间曲线；
所述材料夹持与固定装置(1)、标距参比排(2)和标距参比排固定夹具(3)置于加热箱内，绳带变形量导出装置(4)和接触式传感测试系统(5)置于加热箱外。
9.根据权利要求8所述的一种用于测试绳带类材料蠕变性能的试验方法，其特征在于，试验过程中绳带标距段温度变化小于±2℃；
所述步骤S2中，通过力学试验机对绳带进行预加初载的初载荷不大于绳带额定拉断力的2％；
所述步骤S4中，对绳带逐步加载过程中，每次加载时间为5min±10s，每次加载增量不超过试验载荷的20％，试验持续时间不小于1000h；
所述步骤S4中，通过接触式传感测试系统(5)获取不同时间下变形量导出装置(4)的位移，根据所述位移得到绳带参考长度的增量ΔLrt，根据如下公式得到不同时间点下绳带的蠕变伸长率：
式中：Lro为原始参考长度，ΔLrt为原始参考长度的增量，Af为t时刻蠕变伸长率。
10.根据权利要求8所述的一种用于测试绳带类材料蠕变性能的试验方法，其特征在于，还包括采用蠕变温度保持时间内的测量值作为试验温度和试验拉伸载荷下的绳带蠕变数据，建立长期蠕变方程，线性回归得到方程系数并推算以年为计算时长的绳带材料蠕变量；或获取加载载荷与断裂失效时间数据，通过曲线拟合预测给定载荷蠕变寿命或以实现所需的蠕变寿命计算可承载的载荷范围。
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