1.本发明涉及材料力学性能试验测试技术领域，具体涉及一种用于固体推进剂动态双轴压缩的加载装置及加载方法。
背景技术：
2.目前，固体推进剂材料力学性能测试标准中涉及的试验方法主要包含测试体系较为成熟的准静态单轴拉伸和压缩测试方法，仍缺乏针对固体推进剂动态双轴压缩加载下的力学性能测试的有效试验方法。然而，固体推进剂的力学性能不仅受应变率变化因素影响显著，而且应力状态因素作用明显，单轴和双轴力学性能存在明显差异性。因此，为了精准把握推进剂在动态双轴压缩加载下的力学性能，确保满足实际工况下的应用需求，有必要开展相应的试验方法研究。
3.由于固体推进剂材料力学性能的复杂性以及设备测试原理的局限性，分离式霍普金森压杆(split hopkinson pressure bar,shpb)装置无法直接有效地开展双轴动态加载下固体推进剂的力学性能试验。此外，由于加载速率的限制，常规双轴力学性能试验机也无法直接开展动态加载下的力学性能试验。因此，当前仍缺乏针对动态双轴压缩加载下固体推进剂力学性能测试的试验方法，必须设计新的试验手段来开展相应的研究。相比较而言，美国instron公司生产的instron160/100
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20单轴高应变率液压伺服试验机最大压缩速度可达20m/s，最大测量力100kn，可以开展动态加载条件下材料的压缩力学性能测试，并且由于设备受液压控制，测量精度更高。然而，该试验机无法直接同试验件直接配合实现材料双轴力学性能测试，因此需要一种新的试验夹具配合试验机使用，进行固体推进剂材料双轴高速压缩力学性能研究。
技术实现要素：
4.本发明要解决的技术问题就是克服背景技术的不足和缺陷，提供一种新的用于固体推进剂动态双轴压缩的加载装置及加载方法。
5.本发明一种用于固体推进剂动态双轴压缩的加载装置，包括匹配相连的上夹具和下夹具，所述上夹具包括上夹具本体及固定设置在上夹具本体顶部的上加载台，所述上加载台上固定连接有圆盘状的上压盘；所述下夹具包括下夹具体和固定设置在下夹具体下端的下加载台，所述下加载台上固定连接有底部固定套座；所述上夹具体和下夹具体相互扣合，位于上夹具体和下夹具体之间的区域为装夹区域，所述装夹区域为长方体状，装夹区域的对角线所在平面中的一个平面与竖直面平行；所述上夹具体和下夹具体之间还设置有导向装置；所述上夹具体和下夹具体的两端分别设置有一悬挂装置，所述悬挂装置包括悬挂固定装置和细绳，所述细绳的一端与悬挂固定装置固定相连，另一端绕经上夹具体和下夹具体同一侧后与悬挂固定装置固定相连。
6.优选地，上夹具本体包括固定相连的第一加载臂和第二加载臂，所述第一加载臂和第二加载臂均为板状，所述第一加载臂的一端与第二加载臂的一端固定相连且第一加载臂和第二加载臂相互垂直设置；所述下夹具本体包括固定相连的第三加载臂和第四加载臂，所述第三加载臂和第四加载臂均为板状，所述第三加载臂的一端与第四加载臂的一端固定相连且第三加载臂和第四加载臂相互垂直设置；第二加载臂和第三加载臂的中部设置有一交叉贯穿槽，第一加载臂和第四加载臂中部设置有加载板，所述第一加载臂上的加载板和第三加载臂上的交叉贯穿槽匹配交叉相连，第二加载臂上的交叉贯穿槽和第四加载臂上的加载板匹配交叉相连；所述第一加载臂和第三加载臂、第二加载臂和第四加载臂还分别通过辅助导向结构相连。
7.优选地，辅助导向结构包括长条状通孔滑槽，所述第一加载臂、第二加载臂、第三加载臂及第四加载臂上均设置有通孔滑槽，第一加载臂和第四加载臂上的通孔滑槽设置在所在加载臂上加载板的两侧，第二加载臂和第三加载臂上的通孔滑槽设置在所在加载臂上交叉穿过孔的两侧；同一加载臂上的通孔滑槽均沿所在加载臂远离装夹区域的一端伸出，位于通孔滑槽远离交叉穿过孔或加载板一侧的加载臂为加载分臂；所述加载分臂交叉穿过相连加载臂上对应的通孔滑槽；第一加载臂上位于加载板同一侧上的通孔滑槽设置为一个，第二加载臂、第三加载臂上位于交叉穿过孔同一侧上的通孔滑槽设置为一个，第四加载臂上位于加载板同一侧的通孔滑槽设置为两个。
8.优选地，导向装置包括导向框及两个导向杆，上加载台的两端上分别设置有供导向杆穿过的导向孔；两个导向杆均竖直设置，且导向杆的一端与导向框的一侧边固定相连，该侧边为导向框底边，另一端穿过上加载台上的导向孔后与导向框底边相对应的另一侧边固定相连，该侧边为导向框顶边，所述导向框底边与下加载台固定相连，所述导向杆与上加载台均通过直线轴承相连；位于两个导向杆之间的导向框顶边设置有供上加载台上下移动的通道，所述上加载台设置在通道内。
9.优选地，还包括两个加载导向板，分别为第一加载导向板和第二加载导向板，第一加载导向板和第二加载导向板相互平行设置；所述第二加载臂上设置有第一加载导向孔，所述第一加载导向孔与该加载臂上的交叉贯穿槽相连通，所述第一加载导向板的一端穿过第二加载臂上的第一加载导向孔，并与第四加载臂上的加载板相抵；所述第三加载臂上设置有第二加载导向孔，所述第二加载导向孔与该加载臂上的交叉贯穿槽相连通，所述第二加载导向板的一端穿过第三加载臂上的第二加载导向孔，并与第一加载臂上的加载板相抵；第一加载导向板与第四加载臂上的加载板垂直设置，第二加载导向板与第一加载臂上的加载板垂直设置；
所述装夹区域为两个加载板及两个加载导向板围成的区域。
10.优选地，第一加载导向板朝向装夹区域的一面与第二加载臂朝向装夹区域的一面平齐设置；第二加载导向板朝向装夹区域的一面与第三加载臂朝向装夹区域的一面平齐设置。
11.优选地，第一加载导向板与第一加载导向孔滑动相连，第二加载导向板与第二加载导向孔滑动相连。
12.优选地，下加载台为横截面为工字形的下加载台，所述底部固定套座为圆台状，底部固定套座上设置有与下加载台匹配的工字形盲孔，所述下加载台的一端与第三加载臂和第四加载臂连接处固定相连，另一端伸入工字形盲孔内，所述底部固定套座通过设置在底部固定套座周面上设置有螺纹孔及配合连接在螺纹孔内的螺栓与下加载台固定相连；所述底部固定套座上设置有用于连接试验机底座的多个固定螺纹孔，所述固定螺纹孔沿底部固定套座周向均布。
13.优选地，悬挂固定装置为双孔锁线器。
14.一种用于固体推进剂动态双轴压缩的加载方法，利用一种用于固体推进剂动态双轴压缩的加载装置进行加载，包括以下步骤：步骤1、通过与固定螺纹孔匹配的四个高强度螺钉将底部固定套座与试验机底座进行固定连接，确保底部固定套座与试验机底座完全固定；步骤2、将下加载台远离下夹具体的一端插入底部固定套座上的工字形盲孔中，并利用高强度螺钉从底部固定套座周面上的螺纹孔伸入并与下加载台进行固定，保证下夹具体和底部固定套座之间固定配合，并将上夹具体和下夹具体两端分别用细线缠绕，并将同一细线的两端通过悬挂固定装置相连；步骤3、将上夹具和下夹具相互匹配连接，并利用导向杆穿过导向孔，保证上夹具体和下夹具体相互对心，而后将第一加载导向板、第二加载导向板、第一加载臂、第二加载臂、第三加载臂、第四加载臂及加载臂上的加载分臂、通孔滑槽上均匀涂抹减少摩擦的减阻剂；步骤4、将金属校验试样放入装夹区域中，然后利用悬挂固定装置对细绳进行预紧，直至穿过第一加载导向孔的第一加载导向板微接触试样表面，以避免上夹具重力对材料造成预先损伤，此时利用双孔锁线器锁定细绳；步骤5、移动第一加载导向板，取出金属试样，并放入与金属校验试样同尺寸的待测固体推进剂正方体试样，并将第一加载导向板复位；步骤6、启动试验机，预留使试验机达到指定加载速率实现恒定应变率加载的加速位移；步骤7、根据不同试验条件设置加载速率，进行动态加载下双轴压缩测试，实验的应变率范围为1
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100s
‑1，通过传感器测量应变或变形，输出力
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位移曲线，并通过下式得到该应力状态下的真实应力
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应变曲线；应变曲线；
式中，f是作用在夹具上的加载力；σ
true
是真实应力；ε
true
是真实应变；u是夹具沿着竖直方向的位移；l0和w0分别为试件原始的长和宽。
15.本发明结构简单、使用方便、成本低，适配于高应变率材料试验机的动态双轴加载压缩力学试验。
16.本发明设计的夹具能够在instron160/100
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20高应变率液压伺服试验机上实现加载比例为1:1，应变率范围涵盖1
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100s
‑1的固体推进剂双轴压缩加载试验。
17.本发明设计夹具与试件的构型相匹配，将试件放在装夹区域中，通过悬挂装置使夹具和试验件表面微接触，避免直接在试件上操作，减少因固定试件和夹具自重而造成的预应力和损伤；本发明设计的导向装置和加载导向板，能够尽可能降低摩擦力对试验结果的影响；本发明设计的装置载荷分配均匀，具有足够的实现双轴压缩加载精度,最大承受载荷可以达到100kn，普适性好，可为较大强度的非金属材料力学性能试验提供参考。
附图说明
18.图1为本发明结构示意图。
19.图2为图1的左视图。
20.图3为本发明上夹具体结构示意图。
21.图4为图3的俯视图。
22.图5为本发明底部固定套座结构示意图。
23.图6为图5的俯视图。
24.附图标记：1
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上压盘，2
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上加载台，3
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导向杆，4
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第四加载臂，5
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第二加载臂，6
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下加载台，7
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第一加载导向板，8
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第一加载臂，9
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第三加载臂，10
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通孔滑槽，11
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装夹区域，12
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第二加载导向板，13
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底部固定套座，14
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导向框，15
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直线轴承，16
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第一加载导向孔，17
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导向孔。
具体实施方式
25.本发明一种用于固体推进剂动态双轴压缩的加载装置，包括匹配相连的上夹具和下夹具，所述上夹具包括上夹具本体及固定设置在上夹具本体顶部的上加载台2，所述上加载台2上固定连接有圆盘状的上压盘1；所述下夹具包括下夹具体和固定设置在下夹具体下端的下加载台6，所述下加载台6上固定连接有底部固定套座13；所述上夹具体和下夹具体相互扣合，位于上夹具体和下夹具体之间的区域为装夹区域11，所述装夹区域11为长方体状，装夹区域11的对角线所在平面中的一个平面与竖直面平行；所述上夹具体和下夹具体之间还设置有导向装置；所述上夹具体和下夹具体的两端分别设置有一悬挂装置，所述悬挂装置包括悬挂固定装置和细绳，所述细绳的一端与悬挂固定装置固定相连，另一端绕经上夹具体和下夹具体同一侧后与悬挂固定装置固定相连。
26.优选地，上夹具本体包括固定相连的第一加载臂8和第二加载臂5，所述第一加载臂8和第二加载臂5均为板状，所述第一加载臂8的一端与第二加载臂5的一端固定相连且第一加载臂8和第二加载臂5相互垂直设置；
所述下夹具本体包括固定相连的第三加载臂9和第四加载臂4，所述第三加载臂9和第四加载臂4均为板状，所述第三加载臂9的一端与第四加载臂4的一端固定相连且第三加载臂9和第四加载臂4相互垂直设置；第二加载臂5和第三加载臂9的中部设置有一交叉贯穿槽，第一加载臂8和第四加载臂4中部设置有加载板，所述第一加载臂8上的加载板和第三加载臂9上的交叉贯穿槽匹配交叉相连，第二加载臂5上的交叉贯穿槽和第四加载臂4上的加载板匹配交叉相连；所述第一加载臂8和第三加载臂9、第二加载臂5和第四加载臂4还分别通过辅助导向结构相连。
27.辅助导向结构包括长条状通孔滑槽10，所述第一加载臂8、第二加载臂5、第三加载臂9及第四加载臂4上均设置有通孔滑槽10，第一加载臂8和第四加载臂4上的通孔滑槽10设置在所在加载臂上加载板的两侧，第二加载臂5和第三加载臂9上的通孔滑槽10设置在所在加载臂上交叉穿过孔的两侧；同一加载臂上的通孔滑槽10均沿所在加载臂远离装夹区域11的一端伸出，位于通孔滑槽10远离交叉穿过孔或加载板一侧的加载臂为加载分臂；所述加载分臂交叉穿过相连加载臂上对应的通孔滑槽10；第一加载臂8上位于加载板同一侧上的通孔滑槽10设置为一个，第二加载臂5、第三加载臂9上位于交叉穿过孔同一侧上的通孔滑槽10设置为一个，第四加载臂4上位于加载板同一侧的通孔滑槽10设置为两个。
28.导向装置包括导向框14及两个导向杆3，上加载台2的两端上分别设置有供导向杆3穿过的导向孔17；两个导向杆3均竖直设置，且导向杆3的一端与导向框14的一侧边固定相连，该侧边为导向框14底边，另一端穿过上加载台2上的导向孔17后与导向框14底边相对应的另一侧边固定相连，该侧边为导向框14顶边，所述导向框14底边与下加载台6固定相连，所述导向杆3与上加载台2均通过直线轴承15相连；位于两个导向杆3之间的导向框14顶边设置有供上加载台2上下移动的通道，所述上加载台2设置在通道内。
29.还包括两个加载导向板，分别为第一加载导向板7和第二加载导向板12，第一加载导向板7和第二加载导向板12相互平行设置；所述第二加载臂5上设置有第一加载导向孔16，所述第一加载导向孔16与该加载臂上的交叉贯穿槽相连通，所述第一加载导向板7的一端穿过第二加载臂5上的第一加载导向孔16，并与第四加载臂4上的加载板相抵；所述第三加载臂9上设置有第二加载导向孔17，所述第二加载导向孔17与该加载臂上的交叉贯穿槽相连通，所述第二加载导向板12的一端穿过第三加载臂9上的第二加载导向孔17，并与第一加载臂8上的加载板相抵；第一加载导向板7与第四加载臂4上的加载板垂直设置，第二加载导向板12与第一加载臂8上的加载板垂直设置；所述装夹区域11为两个加载板及两个加载导向板围成的区域，根据需要设置第一加载导向板7和第二加载导向板12的宽度，使得装夹区域11呈正方体形。
30.第一加载导向板7朝向装夹区域11的一面与第二加载臂5朝向装夹区域11的一面
平齐设置；第二加载导向板12朝向装夹区域11的一面与第三加载臂9朝向装夹区域11的一面平齐设置。
31.第一加载导向板7与第一加载导向孔16滑动相连，第二加载导向板12与第二加载导向孔17滑动相连。
32.下加载台6为横截面为工字形的下加载台6，所述底部固定套座13为圆台状，底部固定套座13上设置有与下加载台6匹配的工字形盲孔，所述下加载台6的一端与第三加载臂9和第四加载臂4连接处固定相连，另一端伸入工字形盲孔内，所述底部固定套座13通过设置在底部固定套座13周面上设置有螺纹孔及配合连接在螺纹孔内的螺栓与下加载台6固定相连；所述底部固定套座13上设置有用于连接试验机底座的多个固定螺纹孔，所述固定螺纹孔沿底部固定套座13周向均布。
33.悬挂固定装置为双孔锁线器。
34.一种用于固体推进剂动态双轴压缩的加载方法，利用一种用于固体推进剂动态双轴压缩的加载装置进行加载，包括以下步骤：步骤1、通过与固定螺纹孔匹配的四个高强度螺钉将底部固定套座13与试验机底座进行固定连接，确保底部固定套座13与试验机底座完全固定；步骤2、将下加载台6远离下夹具体的一端插入底部固定套座13上的工字形盲孔中，并利用高强度螺钉从底部固定套座13周面上的螺纹孔伸入并与下加载台6进行固定，保证下夹具体和底部固定套座13之间固定配合，并将上夹具体和下夹具体两端分别用细线缠绕，并将同一细线的两端通过悬挂固定装置相连；步骤3、将上夹具和下夹具相互匹配连接，并利用导向杆3穿过导向孔17，保证上夹具体和下夹具体相互对心，而后将第一加载导向板7、第二加载导向板12、第一加载臂8、第二加载臂5、第三加载臂9、第四加载臂4及加载臂上的加载分臂、通孔滑槽10上均匀涂抹减少摩擦的减阻剂；步骤4、将金属校验试样放入装夹区域11中，然后利用悬挂固定装置对细绳进行预紧，直至穿过第一加载导向孔16的第一加载导向板7微接触试样表面，以避免上夹具重力对材料造成预先损伤，此时利用双孔锁线器锁定细绳；步骤5、移动第一加载导向板7，取出金属试样，并放入与金属校验试样同尺寸的待测固体推进剂正方体试样，并将第一加载导向板7复位；步骤6、启动试验机，预留使试验机达到指定加载速率实现恒定应变率加载的加速位移；步骤7、根据不同试验条件设置加载速率，进行动态加载下双轴压缩测试，实验的应变率范围为1
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100s
‑1，通过传感器测量应变或变形，输出力
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位移曲线，并通过下式得到该应力状态下的真实应力
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应变曲线；应变曲线；式中，f是作用在夹具上的加载力；σ
true
是真实应力；ε
true
是真实应变；u是夹具沿着
竖直方向的位移；l0和w0分别为试件原始的长和宽。
35.本发明结构简单、使用方便、成本低，适配于高应变率材料试验机的双轴动态加载压缩力学试验。
36.本发明设计的夹具能够在instron160/100
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20高应变率液压伺服试验机上实现加载比例为1:1，应变率涵盖1
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‑1动态加载等双轴压缩加载试验。
37.本发明设计夹具与试件的构型相匹配，将试件放在夹具形成的区域中，通过双孔锁线器及细绳组成的悬挂结构使夹具和试验件表面微接触，避免直接在试件上操作，减少因固定试件和夹具自重而造成的预应力和损伤；本发明设计的导向装置和加载导向板，能够尽可能降低摩擦力对试验结果的影响；本发明设计的装置载荷分配均匀，具有足够的实现双轴压缩加载精度。