本發(fā)明涉及船用非金屬?gòu)?fù)合材料測(cè)試，具體而言，涉及一種復(fù)合材料水壓環(huán)境下體積變化和吸水率測(cè)量的裝置及方法。
背景技術(shù)：
1、復(fù)合材料具有比強(qiáng)度與比模量高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、構(gòu)件制造一體化等特點(diǎn)，在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。而近年來(lái)，隨著對(duì)海洋資源探索、開(kāi)發(fā)和利用的深入，海洋工程也逐步由近海向深海拓展。但由于深海環(huán)境條件苛刻，復(fù)合材料在深海環(huán)境中的變形和吸濕行為研究的實(shí)驗(yàn)成本高，難度大。為滿(mǎn)足復(fù)合材料在海洋工程中應(yīng)用的需求，開(kāi)展復(fù)合材料在深海環(huán)境中的性能研究，了解其在高水壓環(huán)境下的變形情況和吸濕能力，成為復(fù)合材料海洋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究的當(dāng)務(wù)之急。
2、目前，多采用排量(排水量，位移)法測(cè)定復(fù)合材料在高水壓環(huán)境下的體積變化和吸水率。國(guó)際上的測(cè)試方法普遍參考美軍標(biāo)mil-s-24154a，該方法通過(guò)柱塞加壓測(cè)量液壓缸體中分別裝有不銹鋼塊和固體浮力材料時(shí)的水的體積變化，減去固體浮力材料的吸水體積，得到固體浮力材料的體積變化。該方法的不足之處在于需要專(zhuān)用的試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備要求精度高，試驗(yàn)成本高，難以廣泛推廣應(yīng)用。
3、還有一種測(cè)量體積變化的方法，例如，現(xiàn)有技術(shù)申請(qǐng)?zhí)朿n202110254591.5的專(zhuān)利公開(kāi)了一種彈性模量測(cè)量裝置以及測(cè)量方法，是通過(guò)將高壓位移計(jì)成對(duì)布放在長(zhǎng)方體或立方體形狀的固體浮力材料表面，通過(guò)位移計(jì)數(shù)據(jù)采集，得到靜水壓下材料在三個(gè)軸向的變形，進(jìn)而計(jì)算得到材料的體積變化。該方法只能測(cè)得均質(zhì)規(guī)則試樣的體積變化，無(wú)法測(cè)得不規(guī)則試樣的體積變化，而且無(wú)法評(píng)估水壓環(huán)境下的吸水率。
4、綜上，現(xiàn)有技術(shù)試驗(yàn)設(shè)備要求精度高，試驗(yàn)成本高，難以廣泛推廣應(yīng)用；此外，只能測(cè)得均質(zhì)規(guī)則試樣的體積變化，無(wú)法測(cè)得不規(guī)則試樣的體積變化，而且無(wú)法評(píng)估水壓環(huán)境下的吸水率。
5、有鑒于此，特提出本發(fā)明。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于提出一種復(fù)合材料水壓環(huán)境下體積變化和吸水率測(cè)量的裝置及方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中試驗(yàn)設(shè)備要求精度高，試驗(yàn)成本高，難以廣泛推廣應(yīng)用；此外，只能測(cè)得均質(zhì)規(guī)則試樣的體積變化，無(wú)法測(cè)得不規(guī)則試樣的體積變化，而且無(wú)法評(píng)估水壓環(huán)境下的吸水率的問(wèn)題。
2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：
3、一種復(fù)合材料水壓環(huán)境下體積變化和吸水率測(cè)量的裝置，所述裝置包括：
4、支撐架；
5、連接桿，所述連接桿的上端與所述支撐架連接，所述連接桿的下端與限位工裝連接；
6、限位工裝，所述限位工裝通過(guò)所述連接桿懸掛在所述支撐架上，試樣設(shè)置在所述限位工裝的中心，在所述限位工裝上安裝限位桿組件，所述限位桿組件至少包括第一限位桿、第二限位桿和第三限位桿，所述第一限位桿、第二限位桿和第三限位桿分別設(shè)置在所述試樣的相鄰的三個(gè)正交方向上，在所述試樣相鄰的三個(gè)正交方向的反方向上預(yù)留位移空間，所述限位桿組件與所述試樣相接觸，所述限位桿組件用于固定試樣；
7、應(yīng)變片組件，所述應(yīng)變片組件粘接在所述連接桿上。
8、進(jìn)一步的，所述裝置還包括高壓位移計(jì)組件，所述高壓位移計(jì)組件包括第一高壓位移計(jì)、第二高壓位移計(jì)和第三高壓位移計(jì)；第一高壓位移計(jì)、第二高壓位移計(jì)和第三高壓位移計(jì)分別設(shè)置在所述試樣相鄰的三個(gè)正交方向的反方向上，所述高壓位移計(jì)組件與所述試樣的相接觸，所述高壓位移計(jì)組件用于獲取試樣置于測(cè)試環(huán)境中的三個(gè)正交方向的位移變化。
9、進(jìn)一步的，所述連接桿包括恒定橫截面部，所述應(yīng)變片組件粘接在所述恒定橫截面部上，所述連接桿的彈性模量為e，所述恒定橫截面部的橫截面的面積為a，所述連接桿的ea滿(mǎn)足下式要求：
10、；
11、其中，彈性模量e的單位為gpa，a的單位為mm2，m為試樣的質(zhì)量，m的單位為千克，g為重力加速度，g的單位為m/s2。
12、進(jìn)一步的，所述橫截面的形狀為圓形，所述橫截面的直徑不小于5mm；或，所述橫截面的形狀為環(huán)形，所述橫截面的外圓環(huán)的直徑不小于5mm；或，所述橫截面的形狀為矩形，所述橫截面的寬度不小于5mm，所述橫截面的長(zhǎng)度不小于30mm。
13、進(jìn)一步的，在所述恒定橫截面部的上方設(shè)置上連接部，在所述上連接部頂部設(shè)置上球形凹槽，在所述支撐架上設(shè)置球形掛桿，所述球形掛桿底部的第一球形連接頭與所述上球形凹槽相配合。
14、進(jìn)一步的，在所述恒定橫截面部的下方設(shè)置下連接部，在所述下連接部的底部設(shè)置下球形凹槽，在所述限位工裝的上方設(shè)置第二球形連接頭，所述第二球形連接頭與所述下球形凹槽相配合。
15、進(jìn)一步的，在所述限位工裝上設(shè)置限位塊組件，在所述限位工裝上設(shè)置第一定位孔，在所述限位塊組件上設(shè)置第二定位孔，所述第二定位孔與所述第一定位孔相配合，第一定位孔、第二定位孔用于對(duì)所述限位桿組件和高壓位移計(jì)組件進(jìn)行定位。
16、進(jìn)一步的，在所述限位塊組件上設(shè)置限位孔，所述限位孔的中軸線與所述第二定位孔的中軸線相垂直，且所述限位孔與所述第二定位孔相連通，在所述限位孔內(nèi)安裝限位件，所述限位件能夠固定第二定位孔中的限位桿組件或高壓位移計(jì)組件。
17、進(jìn)一步的，所述限位塊組件與所述限位工裝可拆卸連接。
18、本發(fā)明的第二方面，提出一種復(fù)合材料水壓環(huán)境下體積變化和吸水率測(cè)量的方法，所述方法使用任意一項(xiàng)所述的一種復(fù)合材料水壓環(huán)境下體積變化和吸水率測(cè)量的裝置，所述方法包括以下步驟：
19、s1、測(cè)量試樣初始質(zhì)量m0，然后將試樣放入測(cè)量裝置中，擺放好位置；將應(yīng)變片組件粘貼到連接桿上，做好防水措施；
20、s2、從進(jìn)口閥處向壓力釜中沖入介質(zhì)，直至出口閥有介質(zhì)流出，關(guān)閉進(jìn)出口閥；
21、s3、將整個(gè)測(cè)量裝置放入到壓力釜中，待位置穩(wěn)定后，引出數(shù)據(jù)線；
22、s4、對(duì)應(yīng)變進(jìn)行測(cè)試，記錄初始數(shù)值，應(yīng)變?chǔ)?；
23、s5、對(duì)壓力釜進(jìn)行打壓，直至達(dá)到預(yù)設(shè)壓力值，隨后進(jìn)行保壓測(cè)量應(yīng)變片數(shù)據(jù)，記錄此壓力下的數(shù)據(jù)，應(yīng)變?chǔ)?；
24、s6、得到浮力變化為：
25、；
26、s7、泄壓取出試樣，去除表面水分，測(cè)得打壓吸水后的質(zhì)量m1，可得吸水質(zhì)量為：
27、；
28、s8、若不考慮水的壓縮性，則：
29、；
30、由上式可得出材料在預(yù)設(shè)壓力值下的體積變化：
31、；
32、或，s8、初始加壓前水的密度為ρ0，打壓達(dá)到目標(biāo)靜水壓后水的密度為ρ1，限位工裝在不裝配試樣前的體積為v配，則通過(guò)對(duì)不含有試樣的限位工裝進(jìn)行打壓，通過(guò)連接桿上的應(yīng)變片組件獲得其在預(yù)設(shè)壓力值下的浮力變化△f配：
33、；
34、；
35、若考慮水的壓縮性，則：
36、；
37、由上式可得出材料在預(yù)設(shè)壓力值下的體積變化：
38、。
39、本發(fā)明的提出一種復(fù)合材料水壓環(huán)境下體積變化和吸水率測(cè)量的裝置及方法，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)而言，本發(fā)明所述的一種復(fù)合材料水壓環(huán)境下體積變化和吸水率測(cè)量的裝置及方法具有以下有益效果：
40、1）本發(fā)明所述的一種復(fù)合材料水壓環(huán)境下體積變化和吸水率測(cè)量的裝置及方法，能夠?qū)我淮蠛穸葟?fù)合材料層合板或芯材進(jìn)行定位，測(cè)量三個(gè)方向的位移變化，同時(shí)獲得水壓環(huán)境下的實(shí)時(shí)吸水量。
41、2）本發(fā)明所述的一種復(fù)合材料水壓環(huán)境下體積變化和吸水率測(cè)量的裝置及方法，能夠獲得大厚度復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)或不規(guī)則形狀試樣在特定水壓環(huán)境下的體積變化和吸水率。
42、3）本發(fā)明所述的一種復(fù)合材料水壓環(huán)境下體積變化和吸水率測(cè)量的裝置及方法，能夠保證應(yīng)變測(cè)量方向與重力方向的一致性，減少工裝安裝不當(dāng)產(chǎn)生的彎矩作用，提升測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。