一种高静水压环境下软材料的力学实验系统

技术领域

本发明涉及力学性能测试领域，尤其涉及一种高静水压环境下软材料的力学实验系统。

背景技术

材料的力学性能是指材料在不同环境(温度、介质、湿度)下，承受各种外加载荷(拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等)时所表现出的力学特征，现有的用于材料力学性能测试的装置普遍是在常规压力环境下开展材料的力学性能测试。

介电高弹体是一种电活性智能软材料，在电场作用下可以产生超过100％的可逆大应变，并具有能量密度高、响应速度快和成本低等优点，作为驱动器、能量收集器和柔性传感器等功能器件，在航空航天、软体机器人和智能仿生等工程领域具有很大的应用潜力。

随着软体机器人技术的不断探索，由介电高弹体驱动的软体机器人已经在深海环境中得以应用。与处于空气中相比，在低温高压中的深海环境中介电高弹体的力学性能会发生未知的改变。一般而言，材料的力学性能可以通过单轴拉伸实验较为简单而准确地得到，传统的单轴拉伸实验一般是在空气中进行，采用力传感器记录材料上的拉伸载荷。传统的单轴拉伸实验装置只能对材料施加单轴载荷一种外加载荷，而无法提供深海环境中的低温、高静水压力、导电、高盐和高腐蚀性等环境因素。因此传统的单轴拉伸实验装置和实验方法无法进行模拟深海环境的软体材料力学实验。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明目的在于克服传统单轴拉伸实验装置的拉力传感器无法在高静水压中工作以及无法模拟深海高静水压力环境的困难，提供一种可模拟深海环境中的软体材料在低温、高压和高盐等极端工况下的力学实验系统，而且还提供一种在高静水压环境中进行软体材料力学实验的方法。

本发明提供一种高静水压环境下软材料的力学实验系统，其特征在于，包括压力罐、深水相机、拉力施加装置、测力装置和加压装置；

所述拉力施加装置包括基座、下夹具、上夹具、深水电机、联轴器、滑块、丝杠、光杆1和中间板，所述深水电机固接在基座一端，所述中间板固接在底座中部，所述丝杠转动设置在中间板与底座之间，所述深水电机通过所述联轴器与所述丝杠转动连接，所述滑块设置有一螺纹通孔，所述滑块通过该螺纹通孔与所述丝杠螺纹连接，所述下夹具与所述滑块固定连接，所述上夹具与所述中间板固定连接；所述光杆固定设置在所述中间板与所述基座之间，所述滑块滑动设置在光杆上；

所述测力装置一端与所述底座固定连接，所述测力装置另一端与所述上夹具固定连接；

所述加压装置与所述压力罐流体连通。

进一步的，所述基座呈U型结构，所述基座包括上板、底板和下板，所述上板和所述下板分别与所述底座的两端固定连接或一体成型，所述光杆固定设置在所述中间板与所述下板之间。

进一步的，所述深水电机固接于上板靠近下板的一侧，所述丝杠与所述下板转动连接。

进一步的，所述测力装置包括弹簧测力计连接杆、弹簧测力计刻度盘和弹簧测力计指针，所述弹簧测力计连接杆与所述上夹具固定连接，所述弹簧测力计刻度盘与所述上板固定连接。

进一步的，所述加压装置包括液压泵、阀体、高压管路和水箱，所述液压泵一端与水箱连接，所述液压泵另一端通过阀体和高压管路与所述压力罐连接。

本发明的积极有益效果：

本发明通过数字图像相关法结合弹簧测力计获得试件的变形并用深水相机记录实验过程；将整套单轴拉伸实验系统置于高静水压的压力罐环境中进行实验，为实验样品提供低温高压等极端实验环境。

本发明实现了软体驱动材料在低温和高静水压力环境下的力学实验，本发明适用但不限于介电高弹体的低温和高静水压环境下的力学实验，对于所有软体材料同样适用，可高度模拟深海环境下软体材料的力学性能实验，为进一步开展深海应用中的软体材料的结构优化设计、疲劳失效分析和可靠性评估提供实验手段支撑，具有重要的科学意义和工程应用前景。

附图说明

图1为本发明的系统结构图。

附图中：1-深水相机，2-下夹具，3-实验样品(软体材料)，4-上夹具，5-弹簧测力计连接杆，6-弹簧测力计刻度盘，7-弹簧测力计指针，8-基座，9-深水电机，10-联轴器，11-滑块，12-丝杠，13-光杆，14-加压装置，15-压力罐。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。

如附图1所示，本发明提供一种高静水压环境下软材料的力学实验系统，包括压力罐15、深水相机1、拉力施加装置、测力装置和加压装置14；所述拉力施加装置包括基座8、下夹具2、上夹具4、深水电机9、联轴器10、滑块11、丝杠12和中间板，所述深水电机9固接在基座8一端，所述中间板固接在底座8中部，所述丝杠12转动设置在中间板与底座8之间，所述深水电机9通过所述联轴器10与所述丝杠12转动连接，所述滑块11设置有一螺纹通孔，所述滑块11通过该螺纹通孔与所述丝杠12螺纹连接，所述下夹具2与所述滑块11固定连接，所述上夹具4与所述中间板固定连接；所述测力装置一端与所述底座8固定连接，所述测力装置另一端与所述上夹具4固定连接；所述加压装置14与所述压力罐15流体连通。

本发明通过所述加压装置14为所述压力罐15加压并保压，所述压力罐15为实验系统提供高压环境，当所述压力罐15中的压力达到110MPa时，所述压力罐15中的压力水平即与全球最深海底的压力相当。本发明通过所述深水电机9带动所述联轴器10，从而驱动丝杠12旋转。由于所述丝杠12与所述滑块11通过螺纹通孔螺纹连接，滑块11与光杆13滑动连接，光杆13固定在中间板与基座之间，因此，当丝杠12旋转时，所述滑块11将沿丝杠12和所述光杆13直线运动，从而带动与所述滑块11固定连接的下夹具2直线运动，从使实验样品3受拉。

本发明中的所述测力装置优选为弹簧测力计，弹簧测力计中的金属弹簧的弹性模量大，其在高静水压状态下的弹性几乎不变，因此，由金属弹簧被拉伸状态即可反映与之串联的实验样品3的所受拉力的状态。在此过程中，再通过深水相机记录金属弹簧在实验过程中的位置变化，并结合数字图像法便可准确记录实验样品3在高压状态下的拉伸过程中受力状态的变化。

本发明中的所述基座8呈U型结构，所述基座8包括上板、底板和下板，所述上板和所述下板分别与所述底座的两端固定连接或一体成型，所述光杆13固定设置在所述中间板与所述下板之间，所述滑块11上设置有光孔，所述滑块11通孔该光孔滑动设置在所述光杆上。

本发明的所述深水电机9固接于所述上板靠近所述下板的一侧，所述丝杠12与所述下板转动连接。

本发明的所述测力装置包括弹簧测力计连接杆5、弹簧测力计刻度盘6和弹簧测力计指针7，所述弹簧测力计连接杆6与所述上夹具固定连接，所述弹簧测力计刻度盘6与所述上板固定连接。

本发明的所述加压装置14包括液压泵、阀体、高压管路和水箱，所述液压泵通过高压管路与所述压力罐15流体连接，所述液压泵一端与水箱连接，所述液压泵另一端通过阀体和高压管路与所述压力罐连接。在液压泵与高压管路之间设置阀体，从而便于控制流体的流量。在压力罐中添加冰块后加压可模拟低温高压环境，加盐调节盐度加压可以模拟深海中低温、高压、高盐、高腐蚀性的环境中。可通过对压力罐中载体性质的调制可模拟多种极端环境，为被测样品提供多种实验环境。

本发明的积极有益效果：

本发明通过数字图像相关法结合弹簧测力计获得试件的变形并用深水相机记录实验过程；将整套单轴拉伸实验系统置于高静水压的压力罐环境中进行实验，为实验样品提供低温高压等极端实验环境。

本发明实现了软体驱动材料在低温和高静水压力环境下的力学实验，本发明适用但不限于介电高弹体的低温和高静水压环境下的力学实验，对于所有软体材料同样适用，可高度模拟深海环境下软体材料的力学性能实验，为进一步开展深海应用中的软体材料的结构优化设计、疲劳失效分析和可靠性评估提供实验手段支撑，具有重要的科学意义和工程应用前景。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。