CN117233085B - 一种冰层粘附力测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于冰层粘附力测量技术领域，提供了一种冰层粘附力测试装置及方法。测试装置包括测试平台、结冰模具以及动力组件，结冰模具设置有结冰腔室以及与结冰腔室连通的第一开口，结冰模具放置于测试平台，以使至少部分测试平台位于第一开口中，且沿第一方向，结冰腔室的投影面积大于第一开口的投影面积的两倍，第一方向为结冰腔室的轴线方向；动力组件安装于结冰模具远离测试平台的一侧，且与测试平台沿第一方向分布，动力组件用于驱动结冰模具沿第一方向移动，以使结冰模具与测试平台分离，动力组件还包括用于测量动力组件和结冰模具之间作用力的力传感器。本发明中通过限制结冰腔室和第一开口的尺寸，提高法向粘附力数据的准确率。

Description

一种冰层粘附力测试装置及方法

技术领域

本发明属于冰层粘附力测量技术领域，具体涉及一种冰层粘附力测试装置及方法。

背景技术

飞机结冰严重危害飞行安全，目前多数成熟的防除冰技术，如机械振动除冰、热-力耦合防除冰、超疏水涂层-振动防除冰等，均是以降低冰-固界面粘附力为落脚点来降低除冰能耗。

冰-固界面粘附力是除冰问题中非常重要的影响因素。在研究冰-固界面粘附力时，可将其简化为法向和切向两个分量，分别进行实验测试。目前，对于切向粘附力测试的方法包括离心法、切向推拉法和应变传感法，基于这三种方法已有大量冰-固界面切向粘附力的测试数据。但是法向粘附力的测试数据几乎没有。

相关技术中，使用法向粘附力测试装置对法向粘附力进行测试时，获取的测试数据的不稳定性高，即使是相同条件下的测试结果也容易出现偏差较大的情况，因此，获取准确率较高的法向粘附力测试数据的难度较大，法向粘附力的测试数据不易得。

发明内容

本发明的目的是提供一种冰层粘附力测试装置及方法，解决背景技术中存在的上述技术问题。

本发明是这样实现的：

第一方面，本申请提供了一种冰层粘附力测试装置，包括测试平台、结冰模具以及动力组件，结冰模具设置有结冰腔室以及与结冰腔室连通的第一开口，结冰模具放置于测试平台，以使至少部分测试平台位于第一开口中，且沿第一方向，结冰腔室的投影面积大于第一开口的投影面积的两倍，第一方向为结冰腔室的轴线方向；动力组件安装于结冰模具远离测试平台的一侧，且与测试平台沿第一方向分布，动力组件用于驱动结冰模具沿第一方向移动，以使结冰模具与测试平台分离，动力组件还包括力传感器，力传感器用于测量动力组件和结冰模具之间的作用力。

第二方面，本申请还提供了一种冰层粘附力测试方法，使用第一方面提供的冰层粘附力测试装置，具体使用步骤如下：将结冰模具安装于测试平台；注入液体样品至结冰腔室中；冻结液体样品；将动力组件安装于结冰模具；启动动力组件，驱动结冰模具沿第一方向朝着远离测试平台的方向移动，直至结冰模具与测试平台分离；获取力传感器的测试数据；计算粘附力/>。

本发明的有益效果是：

本发明中，通过在结冰模具设置与结冰腔室连通的第一开口，通过第一开口容纳测试平台，使得待测液体样品仅能通过第一开口在测试平台表面结冰，对测试平台表面的结冰范围进行限制；并设置第一开口沿第一方向的投影面积小于结冰腔室沿第一方向的投影面积的一半，使得在动力组件驱动结冰模具沿第一方向与测试平台分离的情况下，结冰模具能够对结冰后的样品提供支撑作用，保证结冰后的样品能够顺利与测试平台分离；并且结冰后的样品在第一方向上与结冰模具接触面处的应力小于结冰后的样品与测试平台接触面的应力，从而避免在结冰后的样品与测试平台未分离的情况下，结冰后的样品与结冰模具接触位置的冰层已破裂的情况，保证结冰后的样品的结构完整，从而减少粘附力的测试误差，提高粘附力数据的准确率。

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是本申请一些实施例提供的测试装置结构示意图；

图2是本申请一些实施例提供的测试装置剖视图；

图3是本申请一些实施例提供的结冰模具与测试平台的结构示意图；

图4是本申请一些实施例提供的测试装置的使用示意图。

图中：100-测试平台，110-凸起部，200-结冰模具，210-结冰腔室，211-侧壁，212-底壁，213-弧面，220-第一开口，310-力传感器，320-动力源，330-第一连接销，340-第二连接销，350-中间件，360-挂钩，400-样品冰层。

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。

相关技术中的法向粘附力测试装置，具有测试平台，测试平台表面供液体样品进行结冰，然后设置有动力设备，动力设备与测试平台表面结冰后的样品连接，动力设备驱动结冰后的样品与测试平台分离，在结冰后的样品与测试平台分离时记录此时动力设备对结冰后的样品施加的载荷，根据载荷数据计算法向粘附力。但是这种测试方式测试得到的法向粘附力数据不稳定，误差较大。

发明人经过进一步研究发现，在动力设备驱动结冰后的样品与测试平台分离的过程中，结冰后的样品并不能完全脱离样品，通常是结冰后的样品在分离过程中断裂，一部分随着动力设备移动，另一部分始终留存在测试平台，这种情况下测试得到的数据并不是需要测量的冰层和固体界面的法向粘附力，使得获取的法向粘附力稳定性差、误差大；也有部分结冰后的样品在与测试平台分离的过程中，结冰后的样品的结构出现了破损，从而影响了测试得到的法向粘附力数据的准确率和稳定性。

鉴于此，本申请的一些实施例提供了一种冰层粘附力测试装置，通过对结冰模具200的结构、以及结冰模具200与测试平台100的装配结构进行限制，保证结冰后的样品能够在保持结构完整的情况下，顺利与测试平台100分离，获取准确率较高的法向粘附力测试数据。

本申请一些实施例提供的冰层粘附力测试装置可参考图1至图4所示，测试装置主要分为三部分，分别是测试平台100、结冰模具200以及动力组件。测试平台100可根据测试需求进行更换，选择不同的测试平台100，获取不同固体界面与冰层之间的法向粘附力。结冰模具200具有结冰腔室210以及与结冰腔室210连通的第一开口220，结冰模具200安装放置在测试平台100，并使得至少部分测试平台100位于第一开口220中。沿第一方向，结冰腔室210的投影面积大于第一开口220的投影面积的两倍，第一方向为结冰腔室210的轴线方向。

在结冰模具200靠近测试平台100的端部上，该端部设置有第一开口220，该端部设置第一开口220后余下的部分对应的结冰腔室210的内壁沿第一方向的投影大于第一开口220的投影，也就是说，在结冰腔室210内具有冰层的情况下，在第一方向上，冰层与结冰模具200的接触面积大于与冰层与测试平台100的接触面积。

结冰腔室210作为容纳冰层的结构，只有位于第一开口220内的测试平台100能够与结冰腔室210接触，对测试平台100表面的结冰范围进行了限制，有利于保证多次测试中结冰后的样品结构的一致性。需要注意的是，为排除外部因素对法向粘附力测试数据的影响，位于第一开口220内的测试平台100需要对第一开口220进行封堵，以在液体样品注入至结冰腔室210中的情况下，液体仅在测试平台100朝向结冰腔室210的表面以及结冰腔室210内壁结冰，避免液体样品流入至测试平台100和结冰模具200的装配间隙之间，对后续结冰模具200和测试平台100的分离造成影响，从而影响到法向粘附力数据的准确性。

动力组件安装于结冰模具200远离测试平台100的一侧，并且与测试平台100沿第一方向分布，即测试平台100和动力组件分别位于结冰腔室210的轴线两端，容纳测试平台100的第一开口220位于结冰模具200的其中一个端部。并且，动力组件用于驱动结冰模具200沿第一方向移动，使得测试平台100和结冰模具200分离。由于测试平台100和动力组件分别位于结冰腔室210的轴线两侧，动力组件沿第一方向驱动结冰模具200朝着远离测试平台100的方向移动，即可使得结冰模具200和测试平台100分离。动力组件还包括力传感器310，力传感器310用于测量动力组件和结冰模具200之间的作用力，力传感器310能够记录在结冰模具200和测试平台100分离过程中的作用力。在结冰模具200和测试平台100分离的一瞬间，力传感器310的数值达到最大。

由于本申请一些实施例中根据结冰腔室210的尺寸限制了第一开口220的尺寸，使得第一开口220沿第一方向的投影面积小于结冰腔室210沿第一方向的投影面积的一半。在结冰腔室210中的液体样品结冰的情况下，为便于后续的撰写和理解，可将结冰后样品称为样品冰层400，样品冰层400下表面不仅与测试平台100表面接触，还会与结冰腔室210内壁接触，参考图4所示，样品冰层400与结冰模具200的连接面包括样品冰层400沿围绕第一方向的周向侧壁211以及样品冰层400的部分底壁212。在动力组件驱动结冰模具200沿第一方向远离测试平台100的情况下，样品冰层400的部分底壁212能够受到结冰模具200的支撑作用，驱动结冰模具200整体朝着远离测试平台100的方向移动，保证样品冰层400能够与测试平台100顺利分离。可以理解，由于结冰腔室210和位于其内部的样品冰层400是同步移动的，结冰模具200与测试平台100分离，也表示位于结冰模具200内的样品冰层400与测试平台100分离。

在动力组件的驱动下，在第一方向上，样品冰层400在其与结冰模具200的接触面上所受载荷，与样品冰层400在其与测试平台100的接触面上所受载荷的大小相等，数值上等于动力组件对结冰模具200施加的拉伸载荷，根据应力计算公式：，其中，/>为载荷，/>为接触面积，在载荷数值相等的情况下，接触面积越大则应力越小。同时，由于结冰腔室210尺寸和第一开口220尺寸的限制，样品冰层400与结冰模具200接触的面积大于样品冰层400与测试平台100接触的面积，因此，在动力组件的驱动下，样品冰层400与模具的接触面处的应力小于样品冰层400与测试平台100的接触面的应力，可以避免在样品冰层400与测试平台100的分离过程中，样品冰层400还未与测试平台100分离之前，与结冰模具200接触的样品冰层400已碎裂的情况出现。如此布局下，可以避免在样品冰层400与结冰模具200的接触面出现应力集中、导致样品冰层400结构受损的情况，从而影响测得的法向粘附力的数据。

动力组件对结冰模具200的拉伸载荷逐渐增加，直到样品冰层400与测试平台100之间的法向粘附力达到两者的分离极限，样品冰层400开始从样品冰层400、测试平台100以及结冰模具200三者的连接处与测试平台100开始分离，分离波在样品冰层400与测试平台100的接触面上由外向内扩散，此时力传感器310的数值达到最大，记录此时力传感器310的数值，便于后续进行法向粘附力的计算。

本申请实施例提供的测试装置，将样品冰层400限制在结冰模具200的结冰腔室210内结冰，并限制样品冰层400与测试平台100的接触面积以及样品冰层400与结冰模具200的接触面积，使得在样品冰层400与测试平台100分离的过程中，样品冰层400能够受到结冰模具200的支撑，辅助样品冰层400与测试平台100的分离。同时，通过限制结冰腔室210和第一开口220的尺寸关系，使得样品冰层400与结冰模具200的接触面处的应力小于样品冰层400与测试平台100的接触面处的应力，避免样品冰层400还未与测试平台100分离之前与结冰模具200接触的样品冰层400碎裂的情况，有效防止样品冰层400出现应力集中限制，保护样品冰层400的结构完整性，使得测试获得的法向粘附力数据的准确率更高，稳定性更强。

在本申请的另一些实施例中，参考图3所示，结冰腔室210包括围绕第一方向的侧壁211以及与第一方向垂直的底壁212，结冰模具200与测试平台100装配的第一开口220则位于底壁212，侧壁211和底壁212之间通过弧面213连接。由于侧壁211和底壁212之间连接有弧面213，在动力组件驱动结冰模具200沿第一方向与测试平台100分离的过程中，样品冰层400与结冰模具200的接触面处的应力分布均匀，拉伸载荷通过弧面213传入样品中，样品冰层400不会产生应力集中而断裂，保证样品冰层400结构的完整性，从而提高法向粘附力数据的准确性。

设置测试平台100的位于第一开口220内的部分的半径为，设置结冰腔室210的半径为/>，弧面213对应的半径为/>。在一些优选的实施方式中，为使得弧面213能够尽量均衡样品冰层400和结冰模具200的接触面处的应力，/>、/>和/>需满足：/>，。在/>的大小固定的情况下，R ₂为R ₁的1.6~2倍较合适，如果R ₂远大于R ₁，不仅不会提升法向粘附力测试数据的准确性，反而会影响测试装置的经济性；R ₃为R ₁的0.3~0.5倍较合适，如果R ₃较小，并不能有效解决样品冰层400中应力集中的问题，如果R ₃较大，将会导致测试平台100、结冰模具200以及样品冰层400三者的交界处不处于同一平面，从而影响到测试结构的准确性。

参考图1至图4，在本申请的一些实施例中，第一开口220与结冰腔室210同轴设置。如此布局下，使得在样品冰层400与测试平台100的分离过程中，结冰模具200对样品冰层400的支撑作用能够围绕第一开口220均匀分布，进一步避免样品冰层400出现应力集中的情况。

在一些实施例中，测试平台100可以整体均位于第一开口220内部。在另一些实施例中，可在测试平台100设置凸起部110，凸起部110安装于第一开口220内，参考图1和图2所示。如此布局下，测试装置放置在操作基座上进行法向粘附力测试的情况下，测试平台100与操作基座的接触面积更大，操作基座与测试平台100之间的连接稳定性更高，在样品冰层400与测试平台100分离的过程中，测试平台100能够始终保持位置的稳定，保证测试平台100和样品冰层400的顺利分离。

另外，为进一步避免样品冰层400在分离过程中出现应力集中的情况，设置凸起部110朝向结冰腔室210的表面与结冰腔室210的底壁212齐平设置，参考图4所示，使得样品冰层400靠近测试平台100的表面为光滑的表面，结冰腔室210的底壁212是指结冰腔室210与第一方向垂直并且靠近测试平台100的内壁。

动力组件驱动结冰模具200沿第一方向移动的过程中，需要严格控制结冰模具200的移动方向，避免结冰模具200偏离第一方向移动。因此，在本申请一些实施例中，设置动力组件位于结冰腔室210的轴线上。如此布局下，动力组件启动后，驱动结冰模具200沿第一方向移动，结冰模具200和动力组件沿第一方向排布，结冰模具200也不易出现偏移。

动力组件还包括动力源320和连接结构。其中，连接结构与结冰模具200可拆卸连接，在批量开展试验的情况下可快速更换不同的结冰模具200和测试平台100。力传感器310位于连接结构远离结冰模具200的一侧，并且连接在连接结构和动力源320之间，参考图1和图2所示。

在本申请一些实施例中，连接结构包括第一连接销330、第二连接销340、中间件350以及挂钩360。参考图1和图2所示，第一连接销330沿结冰腔室210的径向穿设于结冰模具200中，第二连接销340沿结冰腔室210的径向穿设置于中间件350，挂钩360可拆卸连接在第一连接销330和第二连接销340之间，中间件350与力传感器310固定。优选的，第一连接销330、第二连接销340位于同一平面，均与力传感器310沿结冰腔室210的轴线排布，保证样品冰层400仅受到动力组件的法向拉力。

在一些优选实施例中，结冰腔室210的横截面为圆形结构，第一开口220的横截面也为圆形结构。

本申请还提供了一种冰层粘附力测试方法，使用上述任一实施例提供的冰层粘附力测试装置，具体使用步骤如下：

S1：将结冰模具200安装于测试平台100，然后注入液体样品至结冰腔室210中，对液体样品进行冻结或冷冻，被冻结后的液体样品可以表示为样品冰层400，或者冻结后样品，液体的种类一般为水，也可根据试验需求选择其他液体。

S2：将动力组件安装于结冰模具200，具体的，将挂钩360挂接在第一连接销330或者第二连接销340，以将位于结冰模具200的第一连接销330与位于中间件350的第二连接销340连接稳定。

其中，步骤S1和步骤S2的先后顺序可调节，对于批量试验，可一次准备多个结冰模具200以及与其对应的测试平台100，一次性冷冻多个样品冰层400，然后依次与动力组件组装进行试验。

S3：启动动力组件，驱动结冰模具200沿第一方向朝着远离测试平台100的方向移动，直至结冰模具200与测试平台100分离，可以理解，由于结冰腔室210和位于其内部的样品冰层400是同步移动的，结冰模具200与测试平台100分离，也表示位于结冰模具200内的样品冰层400与测试平台100分离。

S4：获取力传感器310的测试数据，在样品冰层400与测试平台100分离的过程中，力传感器310的数据会一直变化，本申请实施例采集的在样品冰层400的分离过程中力传感器310采集的数据最大值，最大值一般出现在样品冰层400与测试平台100分离时。

S5：计算粘附力，/>，其中，/>为测试平台100与冻结后的液体样品的接触面积，直接通过测量即可得到。

需要注意的是，在启动动力组件之前，需要确保测试平台100与操作基座的连接稳定性，要限制测试平台100在6个方向上的自由度，保证测试平台100不会在结冰模具200传入样品冰层400的拉伸载荷的作用下产生垂直向上的运动趋势，与样品冰层400同步移动。动力源320产生的拉伸载荷通过其与结冰模具200之间的一系列部件传入结冰模具200，力传感器310实时采集拉伸载荷数值，并可将数值传入电脑端进行记录，根据测量数值可计算法向粘附力强度。

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 (6)

1.一种冰层粘附力测试装置，其特征在于，包括：

测试平台（100）；

结冰模具（200），所述结冰模具（200）设置有结冰腔室（210）以及与所述结冰腔室（210）连通的第一开口（220），所述结冰模具（200）放置于所述测试平台（100），以使至少部分所述测试平台（100）位于所述第一开口（220）中，且沿第一方向，所述结冰腔室（210）的投影面积大于所述第一开口（220）的投影面积的两倍，所述第一方向为所述结冰腔室（210）的轴线方向；

动力组件，所述动力组件安装于所述结冰模具（200）远离所述测试平台（100）的一侧，且与所述测试平台（100）沿第一方向分布，所述动力组件用于驱动所述结冰模具（200）沿第一方向移动，以使所述结冰模具（200）与所述测试平台（100）分离，所述动力组件还包括力传感器（310），所述力传感器（310）用于测量所述动力组件和所述结冰模具（200）之间的作用力；

所述结冰腔室（210）包括围绕所述第一方向的侧壁（211）以及垂直第一方向的底壁（212），所述第一开口（220）位于所述底壁（212），所述侧壁（211）和所述底壁（212）之间通过弧面（213）连接；

所述第一开口（220）与所述结冰腔室（210）同轴设置；

所述测试平台（100）设置有凸起部（110），所述凸起部（110）位于所述第一开口（220）中，所述凸起部（110）朝向所述结冰腔室（210）的表面与所述结冰腔室（210）的底壁（212）齐平设置，所述底壁（212）为所述结冰腔室（210）与所述第一方向垂直并靠近所述测试平台（100）的内壁。

2.根据权利要求1所述的一种冰层粘附力测试装置，其特征在于，

所述动力组件位于所述结冰腔室（210）的轴线上。

3.根据权利要求1所述的一种冰层粘附力测试装置，其特征在于，

所述动力组件还包括动力源（320）和连接结构，所述连接结构与所述结冰模具（200）可拆卸连接，所述力传感器（310）位于所述连接结构远离所述结冰模具（200）的一侧，且连接在所述连接结构和所述动力源（320）之间。

4.根据权利要求3所述的一种冰层粘附力测试装置，其特征在于，

所述连接结构包括第一连接销（330）、第二连接销（340）、中间件（350）以及挂钩（360）；所述第一连接销（330）沿所述结冰腔室（210）的径向穿设于所述结冰模具（200），所述第二连接销（340）沿所述结冰腔室（210）的径向穿设于所述中间件（350），所述挂钩（360）可拆卸连接在所述第一连接销（330）和所述第二连接销（340）之间，所述中间件（350）与所述力传感器（310）固定。

5.一种冰层粘附力测试方法，其特征在于，使用权利要求1-4任一项提供的冰层粘附力测试装置，具体使用步骤如下：

将结冰模具（200）安装于测试平台（100）；

注入液体样品至结冰腔室（210）中；

冻结液体样品；

将动力组件安装于结冰模具（200）；

启动动力组件，驱动所述结冰模具（200）沿第一方向朝着远离所述测试平台（100）的方向移动，直至所述结冰模具（200）与所述测试平台（100）分离；

获取力传感器（310）的测试数据；

计算粘附力。

6.根据权利要求5所述的一种冰层粘附力测试方法，其特征在于，

所述的计算粘附力中，/>；其中，/>为测试平台（100）与冻结后的样品的接触面积。