一种海水环境下复合材料力学性能的原位测试装置及方法

本发明涉及海洋承压设备的制造检测技术，具体涉及用于海水环境下复合材料力学性能的原位测试装置和方法。

背景技术：

1、随着资料短缺和环境污染问题的日益凸显，海洋因其丰富的资源在社会发展进程中发挥着愈来愈重要的作用。复合材料因具有比强度和比刚度高、性能可设计、制造工艺简单等特点，其在海洋领域的应用得到了迅速发展。海洋相比空气环境具有“高湿、高盐”特点，复合材料各组分易发生吸湿腐蚀老化，导致性能劣化甚至破坏。有研究表明，当试样受应力作用时其吸湿老化更为严重。因此，为保证复合材料在海洋环境下的长期、安全、可靠应用，有必要评估和测试其在海洋环境下的力学性能。

2、要研究海洋环境对复合材料力学性能的影响，需要开展海洋环境下复合材料力学性能试验。目前，研究工作主要围绕材料改性、海水盐度、环境温度、浸泡时间等影响因素展开。通常采用非原位的预浸泡方法进行力学性能测试，即先将试样在海水溶液中浸泡一段时间后取出，再置于空气环境下进行力学性能试验的方法。

3、相对于非原位测试，原位测试在试样完全浸泡于海水环境的情况下展开，能够更为真实地反映材料在海水环境中的力学性能。近年来，研究人员相继开展海洋原位测试装置和测试方法的研发。如中国发明申请cn201910695976.8提出了一种海底原位测试数据的处理方法，中国发明申请cn202010644965.x提出了一种搭载式海下多功能岩土原位测试机。这些装置主要针对海底探测时的岩土或沉积物分析，而不是针对海洋环境用复合材料开展相关的原位力学性能试验。在原位力学性能测试装置方面，中国发明申请cn202110266968.9提出了一种用于铅铋环境下的原位力学试验装置，该装置试验系统采用卧式结构，占地空间大，密封结构复杂；中国发明申请cn202210715775.1提出了一种湿度可控或液态环境原位力学实验装置、系统及检测方法，该装置未考虑液体盐度与温度控制，无法提供特定盐度与温度的海水环境，且装置采用低应力夹持方式，在进行复合材料测试时易发生拉脱。

4、除上述文献提及的技术特点外，现有试验设备存在不能提供必要的试验条件、不能让试样在进行力学性能试验前完全浸泡于海水环境中并持续受力的问题，因此在后续试验过程中，不能真实反映复合材料在实际应用场景下持续受力直至破坏的过程及力学性能变化。为此，部分技术人员提出直接利用试验系统对试样长时间施加持续应力，然后再进行力学性能试验。该做法存在的问题是，前置的拉伸预处理过程会长时间占用试验系统，设备利用率很低。此外，现有试验系统在更换试样时，需要先排尽环境箱中前一次试验所用的液体，该操作过程也降低了批量测试时的试验效率。

5、鉴于目前仍缺乏海水环境下原位力学性能测试装置和方法，本发明拟提出解决方案，为海水环境下复合材料性能测试提供新的解决方案。

技术实现思路

1、本发明要解决的关键问题是，克服现有技术的不足，提出一种海水环境下复合材料力学性能的原位测试装置及方法。

2、为解决关键问题，本发明的解决方案是：

3、提供一种海水环境下复合材料力学性能的原位测试装置，包括：海水制储系统、预处理系统、试验系统、输送循环系统、加热系统和控制系统；其中，

4、所述海水制储系统包括海水槽、蒸馏水槽、海水预混罐和海水回收槽，在海水预混罐内部设有搅拌桨；

5、所述预处理系统包括水浴箱，在水浴箱中设有多组牵引工装，用于对试样进行预处理时持续施加应力；

6、所述的试验系统包括拉伸试验系统和环境箱；环境箱安装在拉伸试验系统的两个牵引机构之间，在环境箱内部设有引伸计和相对布置的两个加载头，加载头分别通过牵引轴连接至对应的牵引机构；

7、所述的加热系统包括设于环境箱和水浴箱中的加热元件；

8、所述的输送循环系统包括用于连接各容器设备的管路，在管路上设有两个水泵和多个阀门；所述海水槽和蒸馏水槽通过管路接至海水预混罐的顶部；海水预混罐的底部出口连接第一水泵，第一水泵的出口通过管路分别接至海水预混罐的顶部、水浴箱入口和环境箱入口；环境箱底部出口通过管线接至海水回收槽的顶部，海水回收槽的底部出口连接第二水泵，第二水泵的出口通过管路接至环境箱入口；

9、所述的控制系统包括上位的工控机，通过信号线分别连接设于各系统中的传感器件和动力设备。

10、作为本发明的优选方案，牵引工装包括平行布置上夹头和下夹头，两者之间以至少两组牵引丝杠连接；两个夹头均由对拼的两个夹持件组成，待测试样的端部位于夹持件之间并以紧固螺丝进行紧固安装；在牵引工装上还设有负荷传感器并通过信号线接至上位机，用于监测对试样施加的牵引力。

11、作为本发明的优选方案，所述引伸计通过引伸计支架固定在环境箱内部；在牵引轴与环境箱箱体之间、引伸计支架与环境箱箱体之间分别设有密封部件。

12、作为本发明的优选方案，在海水槽、海水预混罐和环境箱中，分别设有在线盐度检测仪；在海水预混罐、环境箱和海水回收槽中，分别设有液位计；所述在线盐度检测仪和液位计通过信号线连接至上位机。

13、作为本发明的优选方案，所述加热元件是电加热器；或者，加热系统还包括一个加热单元，所述加热元件是加热盘管，加热单元与加热盘管之间通过管路构成加热介质的循环回路。

14、作为本发明的优选方案，在连接各容器设备的管路上设有流量控制阀或闸阀；在水泵出口的管路上设有流量控制阀；在海水回收槽入口的管路上设有过滤器；在水浴箱和海水回收槽的底部分别设有放空阀。

15、作为本发明的优选方案，在环境箱正面的箱门上设有人手操作窗口和玻璃观察窗，人手操作窗口位于箱门的中上部；在环境箱和海水预混罐的顶部设有透气口，用于平衡压力。

16、作为本发明的优选方案，在拉伸试验系统中设有水平方向的导轨，所述环境箱的底部可移动地嵌装在导轨上。

17、本发明进一步提供了利用前述原位测试装置实现海水环境下复合材料力学性能测试的方法，包括以下步骤：

18、s1、向海水槽中加入真实海水，向蒸馏水槽中加入蒸馏水；向海水预混罐中导入海水，或根据试验方案补充添加蒸馏水以控制盐度；启动第一水泵进行自循环，启动搅拌桨使海水混匀；

19、s2、将待测试样固定在牵引工装上，调整牵引力度至预设范围后固定于水浴箱中；

20、s3、利用第一水泵将海水注入水浴箱；根据试验方案控制水浴箱中的加热条件，使待测试样按预设条件进行海水全浸没环境下的预处理；

21、s4、将两个加载头安装在环境箱内部，压紧密封部件后关上箱门，将与加载头相连的牵引轴固定在拉伸试验系统上；

22、s5、试验操作人员戴上隔热防腐蚀手套，从水浴箱中取出经预处理的待测试样；从人手操作窗口将试样装夹在加载头上，然后关闭窗口；

23、s6、利用第一水泵将海水注入环境箱，监测液位直至满足试验要求；利用加热系统控制环境箱内部温度，并保持在设定温度±0.1℃范围内，保温至少20分钟；

24、s7、在工控机上输入试样宽度、试样厚度、试验速度的参数后，启动拉伸试验系统对试样实施加载直至试样断裂；实时记录试验过程的力-位移和应力-应变曲线，并计算试样弹性模量；

25、s8、试验结束后关闭环境箱内部加热，将环境箱内液体排至回收槽中；

26、s9、打开环境箱的箱门，取出断裂的试样，清扫环境箱内部。

27、作为本发明的优选方案，还包括：

28、(1)在需要对批量试样进行连续测试时，在步骤s2中对多个试样同时进行预处理；

29、(2)在步骤s7结束后，不关闭环境箱内部加热，将海水排至海水回收槽中，并控制液位低于人手操作窗口下沿；在更换试样后启动第二水泵，将回收的海水送入环境箱；并根据环境箱中液位降低情况和在线盐度检测仪的监测数据，利用海水槽、蒸馏水槽和海水预混罐补充适量的新的海水。

30、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

31、(1)本发明在对复合材料层合板试样进行力学性能试验时，试样从安装到最终断裂破坏一直浸泡在海水环境中，解决了海水环境下复合材料力学性能原位测试的问题。

32、(2)本发明可满足复合材料在海水环境下多种试验条件的力学性能试验需要；可选择使用真实海水或制备不同盐度的人工海水；通过加热单元和环境箱上在线盐度检测仪实现了环境箱长时间温度和盐度调控。

33、(3)本发明通过施加持续应力的牵引工装实现了试样在应力作用下的海水浸泡预处理，通过环境箱与海水回收槽循环，可在不排尽环境箱内海水的情况下更换试样，降低了试验成本，提高了试验效率。

34、(4)本发明结构简单，安装方便，可用于室温和高温条件、不同盐度海水环境下复合材料性能的快速筛选。

35、(5)本发明中各设备、管路和阀门仪表等部件均采用耐腐蚀的不锈钢材质(如s31603奥氏体)制成，能够避免发生温度多变的海水实验条件下的腐蚀问题。