一种复合材料壳体抗外压结构响应测量装置及方法与流程

本发明属于外压壳体试验装置技术领域，具体涉及一种复合材料壳体抗外压结构响应测量装置及方法。

背景技术：

随着深海探测需求的发展，传统金属材料制备的耐外压壳体已经无法提供足够的浮力，并且还会消耗大量续航动力，因此具有轻质高强特性的复合材料耐外压壳体越来越受关注。进行深海任务的复合材料外压壳体，随着下潜深度的增加，其承载的压力会不断增加，因此，为保证其使用安全性，通常需要对用于深海探测的外压壳体进行外压试验，测定外压承载极限。常规外压壳体的承载检测装置采用不可压缩介质-水在密闭容器内进行测试，中国专利文献cn204128906u公开了一种pe管外压试验装置，将待测pe管与外pe管端部连接，使二者之间形成收容腔，向收容腔中施加压力从而监测pe管随外压变化结构的稳定性。

然而，对于进行深海任务的复合材料外压壳体，随着下潜深度的增加其结构响应亦随之改变，不仅需要足够的安全系数亦需要准确评估其结构外形变化对浮力的影响，进而提高系统的续航能力和下潜深度的稳定控制，因此，需要对复合材料外压壳体随着下潜深度的增加，其外形变化的情况进行测定。由于具有可设计性的复合材料外压壳体为各项异性结构，其结构响应不同于常规的金属壳体，通常无法准确建立其外形尺寸与压力关联，因此需要实验测定。现有的检测装置可准确进行极限承载测试，但无法完成体积变化的准确测量，因此需要一个新的测试装置和方法实现外压工况下外压壳体结构响应的准确测量，实现其承载能力和体积变化同步测试，提高产品的检测质量并为结构优化设计提供支持。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供一种复合材料壳体抗外压结构响应测量装置及方法，可同时对复合材料壳体的承载能力和体积变化随外压变化的情况进行测定。

为了解决上述问题，本发明提供一种复合材料壳体抗外压结构响应测量装置，包括：

外壳，适于容纳待测复合材料壳体，外壳上设有打压口；

盖体，与外壳可拆卸配合形成封闭内腔，盖体的内侧适于与待测复合材料壳体的敞口端连接，盖体上设有出液孔，出液孔上连接体积测量装置，出液孔适于将体积测量装置与待测复合材料壳体的内腔连通；

应变片，应变片通过导线与数据采集装置连接，应变片适于贴附于待测复合材料壳体内壁上。

优选地，外壳的敞口端设有第一下法兰盘；

盖体包括：

第一上法兰盘，第一上法兰盘与第一下法兰盘可拆卸连接；第一上法兰盘的通孔与待测复合材料壳体的内腔连通；

密封盖，可拆卸设于通孔上，出液孔设于密封盖上。

优选地，盖体的内侧还可拆卸设有第二上法兰盘，第二上法兰盘适于与待测复合材料壳体的敞口端的第二下法兰盘可拆卸连接。

优选地，还包括封头，封头上设有第三上法兰盘，第三上法兰盘适于与待测复合材料壳体的另一敞口端的第三下法兰盘可拆卸连接。

优选地，封头为半球形封头，封头的材质为强抗外压金属材质，强抗外压金属材质可承受压强大于600mpa。

优选地，第一上法兰盘的内侧设有环形凸缘，第一上法兰盘与第一下法兰盘配合时环形凸缘与外壳的内壁紧密装配；

和/或，第二上法兰盘的内侧设有环形凸缘，第二上法兰盘与第二下法兰盘配合时环形凸缘与待测复合材料壳体的内壁紧密装配；

和/或，第三上法兰盘的内侧设有环形凸缘，第三上法兰盘与第三下法兰盘配合时环形凸缘与待测复合材料壳体的内壁紧密装配。

优选地，环形凸缘的外侧套设有o形垫片。

优选地，第一上法兰盘或第一下法兰盘的内侧设有环形凹槽，环形凹槽中填装有密封圈；

和/或，第二上法兰盘或第二下法兰盘的内侧设有环形凹槽，环形凹槽中填装有密封圈；

和/或，第三上法兰盘或第三下法兰盘的内侧设有环形凹槽，环形凹槽中填装有密封圈。

优选地，密封盖上还设有信号线窗口，应变片的导线从信号线窗口引出，与外壳外的数据采集装置连接。

本发明的另一目的是提供一种复合材料壳体抗外压结构响应测量方法，使用权利要求上述的复合材料壳体抗外压结构响应测量装置完成。

优选地，具体包括以下步骤：

s1.将待测复合材料壳体的敞口端与盖体连接，将应变片贴附在待测复合材料壳体的内壁；

s2.向盖体与待测复合材料壳体形成的内腔中注满不可压缩介质；

s3.通过打压口向外壳中施加不同压力，通过应变片采集信号得到待测复合材料壳体的应变情况，并通过体积测量装置测量由内腔挤出的不可压缩介质的体积得到待测复合材料壳体的体积变化情况。

其中，不可压缩介质可以为水或其他不可压缩液体。

需要说明的是，上述第一上法兰盘、第一下法兰盘、第二上法兰盘、第二下法兰盘、第三上法兰盘、第三下法兰盘的内侧均指一对法兰盘面相对的一侧。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.本发明的复合材料壳体抗外压结构响应测量装置，通过将测量装置的盖体设置为内侧可与待测复合材料壳体的一个敞口端连接，并在盖体上的出液孔上连接体积测量装置，将应变片贴附在待测复合材料壳体内壁之后，向测量装置壳体中不断打压，应变片测定待测复合材料壳体的应变情况传送给数据采集装置，体积测量装置测定复合材料壳体受压发生形变而挤出的液体，即可实现在压力不断增加的条件下，复合材料壳体的应变历程和复合材料壳体抗外压体积变化情况；

2.本发明的复合材料壳体抗外压结构响应测量装置，进一步优化的结构，将盖体设置为与壳体连接的第一上法兰盘和设置在第一上法兰盘的通孔上的密封盖，待测复合材料壳体通过可拆卸设置在第一上法兰盘内侧的第二上法兰盘与第一上法兰盘连接，该结构可在现有的测量装置的基础上进一步改进得到，只需在现有的测量装置的第一上法兰盘底部通过紧固螺栓连接第二上法兰盘，并在第一上法兰盘的通孔处通孔紧固螺栓可拆卸连接密封盖，即可得到本发明的测量装置，无需再花费投资加工制作新的测量装置，大大节约了成本；

3.本发明的复合材料壳体抗外压结构响应测量装置，通过几对法兰盘的连接，并在几对法兰盘中设置相应的密封结构，使装置的连接位置处均具有很好的密封效果，在打压测量过程中不会漏液，因此，测量精确度更高；

4.本发明的复合材料壳体抗外压结构响应测量方法，使用复合材料壳体抗外压结构响应测量装置实现，可通过操作同时对复合材料壳体的抗外压应变历程和抗外压体积变化量进行实时测量，解决了复合材料壳体在外压作用下的体积与应变测量的技术难题，依据测得的应变历程与体积变化量数据，可对复合材料外压壳体结构外形变化与浮力进行更精确的控制，进而可以提高深海任务中复合材料外压壳体的续航能力与下潜深度。

附图说明

图1是本发明实施例所述的复合材料壳体抗外压结构响应测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例所述的复合材料壳体抗外压结构响应测量装置中a处的局部放大图。

其中：1-外壳；11-第一下法兰盘；2-待测复合材料壳体；21-第二下法兰盘；22-第三下法兰盘；3-打压口；4-盖体；41-第一上法兰盘；42-通孔；43-密封盖；44-第二上法兰盘；5-出液孔；6-体积测量装置；7-应变片；8-封头；81-第三上法兰盘；9-环形凸缘；10-环形凹槽；12-密封圈。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例所述的一种复合材料壳体抗外压结构响应测量装置，包括：

外壳1，适于容纳待测复合材料壳体2，外壳1上设有打压口3；

盖体4，与外壳1可拆卸配合形成封闭内腔，盖体4的内侧适于与待测复合材料壳体2的敞口端连接，盖体4上设有出液孔5，出液孔5上连接体积测量装置6，出液孔适于将体积测量装置6与待测复合材料壳体2的内腔连通；

应变片7，应变片7通过导线与数据采集装置连接，应变片7适于贴附于复合材料壳体2内壁上。

本实施例所述的复合材料壳体抗外压结构响应测量装置的工作过程为：将应变片7贴附于待测复合材料壳体2的内壁上，将待测复合材料壳体2与盖体4连接，然后将盖体4与外壳1配合连接，使待测复合材料壳体2被包容于外壳1与盖体4形成的封闭内腔中，通过出液孔5向盖体4与待测复合材料壳体2形成的内腔中注满不可压缩液体，将打压口3与打压装置连接，通过打压装置向外壳1中打入水，并不断增加压力，过程中通过应变片7检测复合材料壳体的应变数据，并传送至数据采集装置对应变数据进行记录，同时，由于外压的施加使复合材料壳体产生形变从而体积发生变化，而体积变化使复合材料壳体中的不可压缩液体从出液孔5被挤出至体积测量装置6，体积测量装置对挤出的液体体积进行测量，从而得到复合材料壳体抗外压体积变化情况。

本实施例所述的复合材料壳体抗外压结构响应测量装置很好地解决了复合材料外压壳体在外压作用下的体积与应变测量的技术难题，简化了对外压壳体结构响应的测量，可在对复合材料壳体的外压应变历程的实施检测的同时实现对外压壳体体积变化量的实时测量，依据测得的应变历程与体积变化量数据，可对复合材料外压壳体结构外形变化与浮力进行更精确的控制，进而可以提高深海任务中复合材料外压壳体的续航能力与下潜深度。

其中，外壳1与盖体4的具体尺寸、形状、壁厚、材质可根据实际对外压的需求进行设计，外壳1与盖体4的材质优选金属材质，不易发生形变。

优选地，外壳1的敞口端设有第一下法兰盘11；盖体4包括：第一上法兰盘41，第一上法兰盘41与第一下法兰盘11可拆卸连接；第一上法兰盘41的通孔42与待测复合材料壳体2的内腔连通；密封盖43，可拆卸设于通孔42上，出液孔5设于密封盖43上。外壳1与盖体4之间通过第一上法兰盘与第一下法兰盘连接，可使二者连接结构稳定性更强，而设置密封盖43与通孔42的配合可更方便对壳体性能的选择测量，当只需要测定壳体的外压应变历程时，可拆卸密封盖43，仅通过第一上法兰盘与待测复合材料壳体连接，将应变片通过通孔42穿入待测复合材料壳体内并贴附于其内壁上，也可盖紧密封盖43，使应变片的导线穿过密封盖43上的通孔，进行测定；而需要测定其外压情况下体积变化时，则可将密封盖43盖紧，并向待测复合材料壳体内充满不可压缩液体进行测量。并且，通过该结构的设计，测量装置仅需在现有的壳体抗外压结构响应测量装置的基础上，在其第一上法兰盘的开口处加设一带出液孔的密封盖即可实现对外压应变历程和外压条件下体积变化的同时测量，无需再做其他结构修改，也无需重新投入资金制造新的测量装置。

进一步地，密封盖43与第一上法兰盘41之间可通过紧固螺栓与螺孔的配合可拆卸连接。

进一步地，密封盖43可选平面形、椭圆形等，优选椭圆形。

优选地，盖体4的内侧还可拆卸设有第二上法兰盘44，第二上法兰盘44适于与待测复合材料壳体2的敞口端的第二下法兰盘21可拆卸连接。盖体与待测复合材料壳体之间通过法兰连接，可使二者连接结构稳定性更强。

进一步地，第二上法兰盘44与盖体4之间通过紧固螺栓与螺孔的配合可拆卸连接。

优选地，还包括封头8，封头8上设有第三上法兰盘81，第三上法兰盘81适于与待测复合材料壳体2的另一敞口端的第三下法兰盘22可拆卸连接。

其中，封头8的形状可选平板形、半球形、椭圆形、蝶形等，封头8优选半球形封头，在各种形状结构的封头中，半球形结构的封头产品受力效果最好，球形类产品的径向应力和环向应力相等，而且球壳应力只有筒体环向应力的二分之一，应力水平底，变形小。封头8的壁厚优选接近于待测复合材料壳体2的壁厚。封头8的材质优选强抗外压金属材质，可承受压强大于600mpa。可使测量过程中封头的结构变化最小，降低封头结构变形对测定结构的影响。

具体地，第一上法兰盘与第一下法兰盘、第二上法兰盘与第二下法兰盘、第三上法兰盘与第三下法兰盘之间通过紧固螺栓与螺母的配合紧密连接。第一上法兰盘与第一下法兰盘、第二上法兰盘与第二下法兰盘、第三上法兰盘与第三下法兰盘之间还可以设置橡胶垫片，进一步提高二者连接的密封性。

优选地，第一上法兰盘41的内侧设有环形凸缘9，第一上法兰盘41与第一下法兰盘11配合时环形凸缘9与外壳1的内壁紧密装配；

和/或，第二上法兰盘44的内侧设有环形凸缘9，第二上法兰盘44与第二下法兰盘21配合时环形凸缘9与待测复合材料壳体2的内壁紧密装配；

和/或，第三上法兰盘81的内侧设有环形凸缘9，第三上法兰盘81与第三下法兰盘22配合时环形凸缘9与待测复合材料壳体2的内壁紧密装配。

通过环形凸缘9与外壳1内壁、待测复合材料壳体2的内壁之间形成紧密装配，可进一步保证壳体与盖体、待测复合材料壳体与第二上法兰盘、第三上法兰盘之间连接的密封性，防止打压时漏液影响应变历程和体积变形量的测定。

优选地，环形凸缘9的外侧套设有o形垫片，进一步提高密封性。

优选地，如图2所示，第一上法兰盘41或第一下法兰盘11的内侧设有环形凹槽10，环形凹槽10中填装有密封圈12；

和/或，第二上法兰盘44或第二下法兰盘21的内侧设有环形凹槽10，环形凹槽10中填装有密封圈12；

和/或，第三上法兰盘81或第三下法兰盘22的内侧设有环形凹槽10，环形凹槽10中填装有密封圈12。

通过设置密封圈可进一步提高两法兰盘之间的连接密封性，而设置环形凹槽，并将密封圈设置在环形凹槽中，可进一步锁定密封圈的位置，密封圈不易移位，安装时更加方便快捷。

其中，应变片7可以为多个，分别贴附在待测复合材料壳体内壁上的不同部位处；应变片7具体地可以是电阻应变片，属于现有技术，其原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化。将应变片贴附在待测复合材料壳体2的内壁上待测处，当壳体内壁随外压发生机械变形时，使应变片相应发生变化，造成应变片电阻值的变化，通过采集应变片电阻值的变化获得待测复合材料壳体的应变。本实施例中所采用的应变片为华兰海电测科技公司生产的型号为bf250-2ha的应变片。

其中，数据采集装置可通过简单的数据采集电路实现，也可以采用现有的数据采集仪器实现，本实施例中，数据采集装置采用广州赛默信息科技有限公司的ucam-60b静态数据采集仪。

其中，体积测量装置6可以是直接倒置安装在密封盖上出液孔上的注射器筒体，通过注射器筒体上的刻度连续读取挤出的液体的体积，也可以是直接连接在出液孔上的带刻度的连接管，或者通过连接管连接至容器，使用天平测定连接管与容器的质量变化。

本发明的另一目的是提供一种复合材料壳体抗外压结构响应测量方法，使用上述的复合材料壳体抗外压结构响应测量装置完成。

优选地，具体包括以下步骤：

s1.将待测复合材料壳体2的敞口端与盖体4连接，将应变片7贴附在待测复合材料壳体2的内壁；

s2.向盖体4与待测复合材料壳体2形成的内腔中注满不可压缩介质；

s3.通过打压口3向外壳1中施加不同压力，通过应变片7采集信号得到待测复合材料壳体2的应变情况，并通过体积测量装置6测量由内腔挤出的不可压缩介质的体积得到待测复合材料壳体2的体积变化情况。

进一步地，具体包括以下步骤：

s1.将待测复合材料壳体2的一个敞口端的第二下法兰盘与第二上法兰盘连接，然后将第二上法兰盘与第一上法兰盘内侧连接，将应变片7贴附在待测复合材料壳体2的内壁的不同部位处，将待测复合材料壳体2的另一个敞口端的第三下法兰盘与封头的第三上法兰盘连接，然后将第一上法兰盘与外壳1的第一下法兰盘连接，将密封盖盖合在第二上法兰盘的通孔上；

s2.从出液孔处向待测复合材料壳体2与封头、第二上法兰盘、密封盖围成的内腔中注满水；

s3.通过打压装置，从打压口3处向外壳1中不断打入液体使外壳1内部液体压力不断升高，在不同压力下，通过应变片7采集信号得到待测复合材料壳体2的应变情况，通过导线将应变信号传送至数据采集装置记录应变历程，通过体积测量装置6测量由内腔中基础的水的体积，得到待测复合材料壳体2的体积变化情况。

本实施例的复合材料壳体抗外压结构响应测量装置，通过将测量装置的盖体设置为内侧可与待测复合材料壳体的一个敞口端连接，并在盖体上的出液孔上连接体积测量装置，将应变片贴附在待测复合材料壳体内壁之后，向测量装置外壳中不断打压，应变片测定待测复合材料壳体的应变情况传送给数据采集装置，体积测量装置测定复合材料壳体受压发生形变而挤出的液体，即可实现在压力不断增加的条件下，复合材料壳体的应变历程和复合材料壳体抗外压体积变化情况；本实施例进一步优化的结构，将盖体设置为与壳体连接的第一上法兰盘和设置在第一上法兰盘的通孔上的密封盖，待测复合材料壳体通过可拆卸设置在第一上法兰盘内侧的第二上法兰盘与第一上法兰盘连接，该结构可在现有的测量装置的基础上进一步改进得到，只需在现有的测量装置的第一上法兰盘底部通过紧固螺栓连接第二上法兰盘，并在第一上法兰盘的通孔处通孔紧固螺栓可拆卸连接密封盖，即可得到本发明的测量装置，无需再花费投资加工制作新的测量装置，大大节约了成本；本实施例进一步优化的结构，通过几对法兰盘的连接，并在几对法兰盘中设置相应的密封结构，使装置的连接位置处均具有很好的密封效果，在打压测量过程中不会漏液，因此，测量精确度更高；本实施例的复合材料壳体抗外压结构响应测量方法，使用复合材料壳体抗外压结构响应测量装置实现，可通过操作同时对复合材料壳体的抗外压应变历程和抗外压体积变化量进行实时测量，解决了复合材料壳体在外压作用下的体积与应变测量的技术难题，依据测得的应变历程与体积变化量数据，可对复合材料外压壳体结构外形变化与浮力进行更精确的控制，进而可以提高深海任务中复合材料外压壳体的续航能力与下潜深度。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。