CN204086042U - 一种复合材料静态力学体积模量测试装置 - Google Patents

Abstract

一种复合材料静态力学体积模量测试装置，包括一带内腔的测试本体，测试本体内腔为阶梯形，包括位于两端的两大台阶部、连接于两大台阶部的小台阶部，测试本体内腔经压力传动系统分隔为测试腔、增压腔；测试腔上连有压力变送器、液体介质储罐；增压腔上连有增压系统、压力微调器，压力传动系统上连有位移传感器，真空系统分别与测试腔、液体介质储罐和增压腔连接。本实用新型可全程记录测试过程中不同压力下样品的体积变化量，根据校准曲线计算出样品的体积模量。本装置对于研究复合材料的体积蠕变特性及初始孔隙率具有先进性，应用前景广阔，能参与对贮存或老化后的复合材料进行寿命评估，对材料的适用性进行预判，经济效益良好。

Description

一种复合材料静态力学体积模量测试装置

技术领域

本实用新型涉及一种静态力学体积模量测试装置，可以用此装置开展复合材料的体积模量测试，评估材料的体积蠕变特性、材料本体的孔隙率和寿命，属于复合材料技术领域。

背景技术

固体推进剂的力学性能在固体推进剂火箭发动机设计中占有相当重要的地位，因为作为结构材料必须具有足够的强度以减小贮存期间的蠕变，也不能过脆以至于在燃烧内压作用下产生裂纹，从而影响发动机的正常工作。因此有必要对固体推进剂在高压下的体积蠕变粘弹行为进行研究。研究固体推进剂蠕变粘弹行为的有效途径之一就是测试固体推进剂的体积模量，也就是测试固体推进剂在不同内压作用下的微小体积变形，从而提供固体火箭发动机药柱推进剂在燃烧内压作用下的体积模量值，进一步为药柱结构完整性分析人员提供用于分析药柱在高压下的体积蠕变粘弹行为的体积模量值。

体积模量测试是开展复合材料体积蠕变粘弹行为和材料本体孔隙率研究、寿命评估的基础。国内如北京理工大学于1995年从事相关研究工作，他们采用了电涡流位移传感器对受压下的立方体推进剂样品的体积变形进行了测试，进而测试其体积模量，测试过程未考虑样品尺寸上的各向异性造成变形上的各向异性，测试结果仅具有一定的参考价值。

目前国内尚没有固体推进剂等复合材料体积模量测试的装置和标准。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种复合材料静态力学体积模量测试装置，可实现低、中压静态力学体积模量的测试，可以全程监测测试样品不同压力下的样品体积变化量，完善了样品力学性能的评价方法。

本实用新型的技术方案是：包括一带内腔的测试本体，测试本体内腔为阶梯形，包括位于两端的两大台阶部、连接于两大台阶部的小台阶部，测试本体内腔经压力传动系统分隔为测试腔、增压腔；测试腔上连有压力变送器、液体介质储罐；增压腔上连有增压系统、压力微调器，压力传动系统上连有位移传感器，真空系统分别与测试腔、液体介质储罐和增压腔连接。

所述压力传动系统装于其中一大台阶部内。

所述测试本体上装有用于密封测试腔、增压腔的密封盖体。测试腔的端口可作为进样窗，样品通过进样窗置于测试腔后再安装密封测试腔的盖体。

所述密封盖体经螺栓装于测试本体上。

所述压力传动系统为活塞。

所述压力传动系统包括柱式活塞。

所述测试本体内腔上装有用于定位压力传动系统初始位置的定位杆。定位装置为螺栓连接于柱式活塞增压腔一端的一根定位杆。

所述测试腔内有液体介质、样品；所述液体介质为二甲基硅油。

所述测试本体为不锈钢制成。

还包括一个与压力变送器、位移传感器分别相连的数据采集系统；所述数据采集系统包括：用于采集压力变送器检测的测试腔内的压力信号的压力采集模块，用于采集位移传感器检测的压力传动系统的位移信号的位移采集模块，用于控制采集压力采集模块、位移采集模块采集的压力信号、位移信号的采集控制器；所述压力采集模块与压力变送器相连，位移采集模块与位移传感器相连，采集控制器经放大器与压力采集模块、位移采集模块分别相连。

压力采集模块将测试腔内的压力转化为电信号，位移采集模块借助安装在压力传动系统的柱式活塞的位移传感器采集柱式活塞移动产生的电信号，两种电信号经放大器放大后，由采集控制器实施采集并转化为相应的数字信号，并由计算机存贮、记录。各种采集模块均通过数据采集板卡集成于测试电脑，同时实现压力、电流信号的同步采集，采集板卡在IT业已经是已有技术。

增压腔内的压力通过压力传动系统传递到测试腔，测试腔内的液体介质和校准样品或测试样品的体积变形反映在压力传动系统的柱式活塞的位移上。由于液体介质受压后体积会减小，柱式活塞会向测试腔方向移动，同时测试腔内压力会升高。通过压力变送器和位移传感器分别采集测试腔内的压力和压力传动系统的位移量，依据位移量和活塞横截面直径可计算时出校准试验时液体介质的体积变形或样品测试时液体介质和测试样品的体积变形，从而可计算出测试样品的体积模量。真空系统除了测试前对测试腔、增压腔、液体介质进行脱气处理外，还具有测试后对测试腔除油的功能。测试腔内部须具有适当的空间，保证能容纳不同规格的校准样品，又不至于注入过多的液体介质。腔体内不应存在液体填充死角。测试腔内还应有压力传动系统的过冲传递和样品的防撞装置设计。测试腔应能保证腔体内的压力通过压力变送器实时采集。

压力传动系统须与增压腔、测试腔具有良好的密封性，以保证良好的气密性和液封性能。压力传动系统应能保证其柱式活塞位移通过位移传感器实时采集。

数据采集与记录系统应能保证电流、位移、压力、体积变形、体积变化率等数据的实时采集与记录，同时还具备体积模量和样品孔隙率的计算功能。

本实用新型具备不同规格的校准样品及相应规格的测试样品制样模具，能对具有较宽体积模量范围内的不同复合材料的体积模量进行测试，具有良好的应用前景。可以用本实用新型开展复合材料的体积模量测试，评估材料本体的孔隙率和压应力作用下的体积蠕变特性，可作为贮存、老化后推进剂的寿命评估的一种手段。本测试装置适于开展复合材料（包括固体推进剂）体积模量测试，可以全程记录测试过程中不同压力下样品的体积变化量，根据校准曲线计算出样品的体积模量。本装置对于研究复合材料的体积蠕变特性及初始孔隙率具有先进性，应用前景广阔，能参与对贮存或老化后的复合材料进行寿命评估，对材料的适用性进行预判，经济效益良好。

本实用新型与现有技术相比具有如下有益效果：

（1）本实用新型静态力学体积模量装置通过增压腔增压，并配备减压调节阀，实现压力0MPa～7.0MPa（表压）连续可调，压力通过压力变送器及相应的压力数据采集系统采集，准确获得样品所处环境的压力，为样品提供准确的压力原始数据；

（2）本实用新型静态力学体积模量测试装置采用位移传感器测量体积变化量，为一种高精度的位移测量装置，可实现因样品体积变化量而导致的压力传动系统的位移精确测量；

（3）本实用新型静态力学体积模量测试装置在测试腔内部装有不同尺寸规格的校准样品，可测多种尺寸规格的样品；

（4）本实用新型静态力学体积模量测试装置中的压力微调器可以实现压力的精确调节，同时对压力变送器起到一定的保护作用；

（5）本实用新型静态力学体积模量测试装置中压力采集由高精度、高分辨率压力采集模块完成，采集精度优于0.5级，压力变送器通过螺纹与测试腔紧密连接，保证压力采集的准确性和及时性；

（6）本实用新型静态力学体积模量测试装置中压力传动系统和压力采集系统的设计可以保证压力变化与压力传动系统的位移的同步准确测量，建立压力-位移实时曲线；

（7）本实用新型静态力学体积模量测试装置对于研究复合材料的体积模量、体积蠕变特性、材料本体的初始孔隙率具有先进性，应用前景广阔，经济效益良好。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的数据采集部分示意图。

图3为位移传感器的位移～电流输出特性曲线。

图4为液体介质在不同压力下的体积变形校准试验压力～电流曲线。

图5为液体介质在不同压力下的体积变形校准试验压力～位移曲线。

图6为液体介质在不同压力下的体积变形校准试验体积变化量～压力曲线。

图7为测试样品体积模量测试时的压力～电流曲线。

图8为测试样品体积变化量随压力的变化曲线。

具体实施方式

图1中，测试本体带一内腔，测试本体内腔为三种直径的通孔，包括位于两端的两种大直径的孔，中间为最小直径的孔，最小直径的孔连通两端的较大直径的孔，同时在中间出现一个小台阶，形成避免柱式活塞（4）因过冲传递而导致与校准样品或待测样品的相撞防撞部（16），压力传动系统（4）装于左侧大台阶部内。测试本体内腔经压力传动系统（4）分隔为测试腔（11）、增压腔（7）。测试腔（11）上连有压力变送器（13）、液体介质储罐（5），测试腔（11）内有液体介质（10）、样品（9），液体介质（10）为二甲基硅油，样品（9）分为校准样品、测试样品。校准样品为不锈钢圆柱体，尺寸为：Ф25mm×100mm、Ф60mm×140mm、Ф25mm×140mm，材质为1Cr18Ni9Ti不锈钢，认为其受压时，不产生体积变形，用于校准测试腔内液体介质和测试腔本体在同等压力条件下的体积变形。测试样品为复合材料，如固体推进剂，选用的尺寸规格与校准样品一致。液体介质（10）采用DC-550，确保校准过程中既有一定的变形量，也确保测试过程中的精确性。增压腔（7）上连有增压系统（2）、压力微调器（12），增压腔（7）由增压系统（2）提供压力，并通过压力微调器（12）调节压力大小，增压腔（7）压力调节范围为0MPa~15MPa（表压）。压力传动系统（4）的柱式活塞上连有位移传感器（1），真空系统（6）分别与测试腔（11）、液体介质储罐（5）和增压腔（7）连接，测试本体上经螺栓（14）装有用于密封测试腔（11）、增压腔（7）的密封盖体（8）。增压腔（7）上经螺栓装有用于定位压力传动系统（4）初始位置的定位杆（15）。

压力传动系统（4）由增压腔（7）直接提供压力，并直接作用于测试腔（11），由测试腔上的压力变送器（13）输出压力信号，由压力采集系统实时采集测试样品所处环境的压力。压力传动系统（4）紧密连接位移传感器（1），用于测量校准/测试样品、液体介质（10）和测试腔体（11）的体积变形量，并紧密作用于校准/测试样品和液体介质（10），压力传动系统（4）在增压腔内设计有柱式活塞初始位置定位装置（15），真空系统（6）用于抽空测试腔（11）中液体介质（10）中微量的气体，压力变送器（13）的探头部分依靠螺纹连接安装在测试腔体（11）中部，并连接数据采集系统，用于实时检测测试腔（11）中的压力。

样品和液体介质（10）装填于测试腔内，通过真空系统（6）确保测试腔中无气体存在。液体介质（10）为二甲基硅油，既具有较高的变形量，且对测试样品有良好的惰性。增压腔（7）和测试腔（11）通过压力传动系统（4）紧密连接在一起，既保证了测试腔内部的密闭性，又实时地将压力传递至样品、液体介质（10）上。压力传动系统（4）为活塞传递增压系统，活塞是实现压力传动的关键构件，压力传动系统（4）的柱式活塞上安装有位移传感器，且连接数据采集系统，用于测量测试腔（11）中校准/测试样品、液体介质（10）的体积变形量。

数据采集系统（3）分别与压力变送器（13）、位移传感器（1）相连。数据采集系统（3）通过位移传感器（1）实时采集测试腔（11）校准/测试样品、液体介质（10）的形变量，并进行连续记录，实现信号的连续采集，通过压力变送器（13）实时采集测试腔（11）中校准/测试样品、液体介质（10）所处环境的压力，记录数据作为计算校准/测试样品体积模量的依据。

腔体（11）、校准样品（9）、液体介质储罐（5）以及所有连接件所用材料为1Cr18Ni9Ti不锈钢，腔体厚30mm，腔体（11）与密封盖体（8）通过直径为8mm的固定螺栓（14）密封相连。压力传动系统（4）与腔体（11）紧密相连，且配备位移传感器（1），确保位移量的精确测量。压力变送器（13）与腔体（11）紧密相连，确保压力测量的准确性和实时性。液体介质储罐（5）为1Cr18Ni9Ti不锈钢，罐壁厚1mm，容积2L，确保液体介质完全充满整个测试腔（11），提高实验数据的可靠性和重复性。

图2中，数据采集系统（3）包括压力采集模块、位移采集模块、放大器和采集控制器，其中压力采集模块由压力变送器（13）直接采集实时压力数据；位移采集模块由位移传感器（1）采集因为压力传动系统（4）在压力传递时导致校准/测试样品和液体介质（10）在压力下的体积变形而最终导致的压力传动系统（4）的位移信号，位移采集模块将位移信号转化为电信号，经放大器放大后输出给采集控制器，由采集控制器实现位移信号的连续采集与记录，采集控制器记录的数据作为计算液体介质（10）或测试样品的体积模量的依据。压力采集模块由高精度、高分辨率压力采集模块完成，采集精度大于0.5级，压力分辨率为0.001MPa；位移采集模块具有较高的位移高分辨率，其位移测量分辨率为0.1μm。压力传动系统（4）的柱式活塞上安装位移传感器（1），保证压力变化与位移变化的同步性，通过位移的变化计算测试腔（11）内部体积变形，计算方法为：

                          （Ⅰ）

式中、、分别为校准时测试腔内液体介质（10）的体积变化量或样品测试时液体介质（10）与测试样品的体积变化量、压力传动系统的活塞直径和位移量。

压力变送器（13）安装在测试腔（11）上，确保所测压力真实地反映测试腔（11）内校准/测试样品所处环境的压力。压力变送器（13）采用膜片式石英压力变送器，此类传感器适用于高压密闭容器内的瞬间压力测量，压力变送器（13）的探头部分通过螺纹连接安装在测试腔（11）的外壁表面上。测试腔（11）材料为1Cr18Ni9Ti不锈钢，内径90mm，通过螺栓连接密封进样窗盖体（8）。压力变送器（13）将采集到的测试腔（11）的压力信号通过放大器输出给采集控制器，由采集控制器实现压力信号的连续采集与记录，采集控制器记录的数据作为液体介质在不同压力下的体积变形校准或测试样品体积模量最终计算的依据之一。

数据采集系统采集到的和测试腔（11）压力P可用于计算测试样品（9）在压力P作用下的体积模量K。K的计算方法如下：

                           （Ⅱ）

式中、、、分别为测试腔（11）内的压力、样品的原始体积、由（Ⅰ）式计算出的体积变化量、样品在压力P作用下的体积模量。因为为测试值，是一个正值，故公式（Ⅱ）右边与体积模量的原始定义不同，少一个“-”号。

图3为位移传感器的位移～电流输出特性曲线，位移传感器采用具有较高的位移分辨率的位移采集模块对其电流～位移输出特性曲线进行校准，其位移测量分辨率为0.1μm。采用分辨率为0.00001mA高精度电流采集模块对传感器在不同位移条件下的输出电流进行实时采集。

图4为液体介质在不同压力下的体积变形校准试验压力～电流曲线，在测试腔（11）内置入校准样品后针对校准样品时进行液体介质（10）的校准试验压力～电流曲线。试验时采集位移传感器（1）输出电流，同时压力变送器（13）通过压力采集模块将测试腔（11）的压力信号输出给采集控制器，由采集控制器实现压力信号的连续采集与记录。

图5为液体介质在不同压力下的体积变形校准试验压力～位移曲线，在测试腔（11）内置入校准样品（不锈钢圆柱体）后针对校准样品时进行液体介质（10）的校准试验压力～位移曲线。借助图3中的位移传感器（1）的电流～位移输出特性曲线和数据采集系统中的数据转换模块将图4中的电流数据转换成位移传感器（1）测得的位移数据，由数据采集系统绘制图5所示的曲线。

图6为液体介质在不同压力下的体积变形校准试验体积变化量～压力曲线，在测试腔（11）内置入校准样品后针对校准样品时进行液体介质（10）的校准试验，试验得到的压力传动系统（4）在传递压力给测试腔（11）时压力传动系统（4）的位移随压力的变化曲线，即压力～位移曲线。借助图5中的位移传感器（1）测得的位移数据和公式（Ⅰ），由数据采集系统中的数据转换模块将图5中的位移数据转换成测试腔（11）中的液体介质（10）体积变化量，最后由数据采集系统绘制图6所示的液体介质（10）体积变形随压力的变化曲线。

图3～图6为通用数据曲线。如果校准样品规格、液体介质的类型发生变化以及位移传感器超过检定有效期，图3～图6的曲线需重新绘制。针对上述通用数据，以规格为Ф25mm×100mm的CSP固体推进剂为测试样品进行体积模量测试。

图7为CSP固体推进剂测试样品体积模量测试时的压力～电流曲线，在测试腔（11）内置入固体推进剂测试样品后进行的体积模量测试得到的压力～电流曲线。试验时采集位移传感器（1）得到相应电流，同时压力变送器（13）通过压力采集模块将测试腔（11）的压力信号输出给采集控制器，由采集控制器实现压力信号的连续采集与记录。最后由数据采集系统绘制图7所示的因液体介质（10）和测试样品两者的体积变形总量而导致的压力～电流变化曲线，图中I、P、R分别为位移传感器输出电流、测试腔内压力、电流与压力之间的相关系数。

借助图3中的位移传感器（1）的电流～位移输出特性曲线和数据采集系统中的数据转换模块将图7中的电流数据转换成位移传感器（1）测得的位移数据， 再借助公式（Ⅰ），由数据采集系统中的数据转换模块将位移数据转换成测试腔（11）中的液体介质（10）和测试样品两者在相应压强条件下的体积变形总量数据。

图8为CSP固体推进剂测试样品体积变化量随压力的变化曲线，在测试腔（11）内置入固体推进剂测试样品后进行的体积模量测试得到测试样品的体积变化量随压力的变化曲线。借助图6所示的液体介质（10）体积变化量随压力的变化曲线，由数据采集系统中的数据转换模块消除样品测试时对应压强下的液体介质（10）的体积变化量，从而得到对应压强条件下的被测样品的体积变化量，最后由数据采集系统绘制图8所示的测试样品的体积变化量～压力变化曲线。图中、P、R分别为固体推进剂的体积变化量、测试腔内压力、体积变化量与压力之间的相关系数。由公式（Ⅱ）可发现 ：

                       （Ⅲ）

通过公式（Ⅲ）可知图8所示的固体推进剂测试样品体积变化量随压力变化曲线的斜率与样品原始体积和样品体积模量之间的关系。在已知样品原始体积的前提下，便可计算得到样品的体积模量。数据处理结果得到该固体推进剂样品在常温下的体积模量为293.8MPa。

Claims (10)

1.一种复合材料静态力学体积模量测试装置，其特征在于：包括一带内腔的测试本体，测试本体内腔为阶梯形，包括位于两端的两大台阶部、连接于两大台阶部的小台阶部，测试本体内腔经压力传动系统（4）分隔为测试腔（11）、增压腔（7）；测试腔（11）上连有压力变送器（13）、液体介质储罐（5）；增压腔（7）上连有增压系统（2）、压力微调器（12），压力传动系统（4）上连有位移传感器（1），真空系统（6）分别与测试腔（11）、液体介质储罐（5）和增压腔（7）连接。

2.根据权利要求1所述的复合材料静态力学体积模量测试装置，其特征在于：所述压力传动系统（4）装于其中一大台阶部内。

3.根据权利要求1所述的复合材料静态力学体积模量测试装置，其特征在于：所述测试本体上装有用于密封测试腔（11）、增压腔（7）的密封盖体（8）。

4.根据权利要求3所述的复合材料静态力学体积模量测试装置，其特征在于：所述密封盖体（8）经螺栓（14）装于测试本体上。

5.根据权利要求1所述的复合材料静态力学体积模量测试装置，其特征在于：所述压力传动系统（4）为活塞。

6.根据权利要求5所述的复合材料静态力学体积模量测试装置，其特征在于：所述压力传动系统（4）包括柱式活塞。

7.根据权利要求1所述的复合材料静态力学体积模量测试装置，其特征在于：所述测试本体内腔上装有用于定位压力传动系统（4）初始位置的定位杆（15）。

8.根据权利要求1所述的复合材料静态力学体积模量测试装置，其特征在于：所述测试腔（11）内有液体介质（10）、样品（9）；所述液体介质（10）为二甲基硅油。

9.根据权利要求1所述的复合材料静态力学体积模量测试装置，其特征在于：所述测试本体为不锈钢制成。

10.根据权利要求1所述的复合材料静态力学体积模量测试装置，其特征在于：还包括一个与压力变送器（13）、位移传感器（1）分别相连的数据采集系统（3）；所述数据采集系统（3）包括用于采集压力变送器（13）检测的测试腔（11）内的压力信号的压力采集模块，用于采集位移传感器（1）检测的压力传动系统（4）的位移信号的位移采集模块，用于控制采集压力采集模块、位移采集模块采集的压力信号、位移信号的采集控制器；所述压力采集模块与压力变送器（13）相连，位移采集模块与位移传感器（1）相连，采集控制器经放大器与压力采集模块、位移采集模块分别相连。