复合材料筒耐外压性能测试装置

技术领域

本发明属于材料测试领域，具体涉及一种复合材料筒耐外压性能测试装置。

背景技术

近年来，复合材料筒在航空航天、航海交通等领域得到了越来越广泛的应用。在某些领域中，复合材料筒需进行二次成型固化，此时复合材料筒会受到不同程度的温度及外压载荷作用，可能部分区域瞬间失去原有几何形状，发生屈曲失效，造成严重破坏。此外，在深海潜航等应用场景下，复合材料筒局部或整体会受到外压载荷作用，因此测试复合材料筒耐外压性能，对于防止屈曲失效，保证复合材料筒成型质量与应用极为重要。

中国专利CN 204085868 U中公开了一种外压加载用气囊，其采用耐磨材料制成，包括气囊、箍带和筋条，气囊套装在试验件的外表面上，箍带套装在气囊的外壁上，筋条内侧与气囊外壁固定连接，外侧与箍带的内侧固定连接；通过接口对气囊加载气体使其膨胀，从而挤压试验件测试筒体耐外压性能。但该装置及方法仍存在以下几个问题：（1）理论上气体可无限压缩，利用气体打压存在安全风险；（2）气压加压不适用于复合材料筒耐高压能力测试，压力载荷难以达到10MPa以上；（3）箍带与筋条配合气囊用于耐压测试时，气囊易从箍带与筋条形成的网眼处提前破坏，从而导致测试失败；（4）气压加压时，气囊轴向两端无限位机构，相比其他部位，更易发生膨胀，从而可能使气囊提前发生破坏，导致测试失败；（5）箍带为合成纤维等材质，难以承受高压，更不可长期用于复合材料筒耐高压耐久性测试；（6）复合材料筒试验件耐高温、耐外压双因素下性能测试难以实现。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中存在的缺点而提出的，其目的是提供一种复合材料筒耐外压性能测试装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种复合材料筒耐外压性能测试装置，包括压力加载测试机构和试验机构；所述试验机构包括内外套设的橡胶囊和外壳，外壳两端均设置挡环，挡环内侧设置内撑环；所述外壳中部形成圆孔，所述橡胶囊的器壁内形成内腔，管道一端穿过外壳的圆孔与内腔连通，另一端连通压力加载测试机构。

在上述技术方案中，所述外壳为中间形成阶梯通孔的圆柱型结构，阶梯通孔由两端的螺纹孔和中间的光孔组成，两端的螺纹孔孔径相同且大于中间光孔孔径。

在上述技术方案中，所述外壳中部形成凸环，所述圆孔形成于凸环上。

在上述技术方案中，所述挡环为中间形成阶梯通孔的阶梯轴结构，挡环的大径段外壁形成与外壳的螺纹孔相配合的外螺纹，且大径段边缘形成多个调节槽；所述阶梯通孔的大径端形成内螺纹。

在上述技术方案中，所述调节槽的槽截面为半圆形或者方形。

在上述技术方案中，所述内撑环为中间形成通孔的阶梯轴结构，其大径段外壁形成与挡环的阶梯通孔螺纹端相配合的外螺纹，且大径段边缘形成多个调节结构。

在上述技术方案中，所述调节结构为槽或孔，槽截面或孔截面的形状为圆形或方形。

在上述技术方案中，所述管道外壁形成外螺纹，且通过螺母固定于外壳外壁，管道的外径小于外壳圆孔的孔径。

在上述技术方案中，所述外壳外部设置至少一个把手。

在上述技术方案中，还包括设置于内撑环靠近外壳中心一侧的加热控温机构；所述加热控温机构加热范围为室温~250℃，控制精度为±0.5℃，升温速率在1℃~5℃/min间可控；所述加热控温机构的加热方式为红外加热，鼓风加热、电磁加热中的任意一种。

在上述技术方案中，所述压力加载测试机构包括多个不同量程的液压伺服缸，所提供的压力范围为0.1 MPa ~200MPa。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种复合材料筒耐外压性能测试装置，适用于多种尺寸规格复合材料筒的耐外压性能评价，拓宽复合材料筒耐外压测试的压力测试范围，提高测试方法安全度与测试装置牢固度，降低安装难度，提高测试成功率。

附图说明

图1是本发明复合材料筒耐外压性能测试装置中试验机构的结构示意图；

图2是本发明复合材料筒耐外压性能测试装置的局部剖视图（剖视试验机构）；

图3是图2中A部分的放大结构示意图。

其中：

1 外壳 11 凸环

2 橡胶囊 21 内腔

3 挡环 31 开槽

4 内撑环 41 调节结构

5 压力加载测试机构 6 加热控温机构

7 把手 8 管道

9 螺母 10 复合材料筒。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明技术方案，下面结合说明书附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明复合材料筒耐外压性能测试装置的技术方案。

如图1~3所示，一种复合材料筒耐外压性能测试装置，包括压力加载测试机构和试验机构。

所述试验机构包括内外套设的橡胶囊2和外壳1，外壳1两端均设置挡环3，挡环3内侧设置内撑环4。

所述外壳1为中间形成阶梯通孔的金属圆柱型结构，阶梯通孔由两端的螺纹孔和中间的光孔组成，两端的螺纹孔孔径相同且大于中间光孔孔径。外壳1中部形成圆孔，为了避免开设圆孔的位置影响外壳整体的承压能力，对于外壳1中部形成圆孔的位置壁厚加厚处理，形成凸环11，优选的，凸环11的厚度设置为3~20mm。

所述橡胶囊2为采用橡胶材质的套筒型结构，其器壁内形成内腔21。管道8一端穿过外壳1的圆孔与橡胶囊2的内腔21连通，另一端连通压力加载测试机构5。管道8外壁形成外螺纹，且通过螺母9固定于外壳1外壁，管道8的外径小于外壳1圆孔的孔径。

所述挡环3为中间形成阶梯通孔的阶梯轴结构，挡环3的大径段外壁形成与外壳1的螺纹孔相配合的外螺纹，且大径段边缘形成多个调节槽31，优选的，调节槽31的数量为2~8个；所述调节槽31的槽截面为半圆形或者方形。所述阶梯通孔的大径端形成内螺纹。所述调节槽31的设置，便于旋转装卡固定。

所述内撑环4为中间形成通孔的阶梯轴结构，其大径段外壁形成与挡环3的阶梯通孔螺纹端相配合的外螺纹，且大径段边缘形成多个调节结构41，优选的，调节结构41的数量为2~8个。所述调节结构41为槽或孔，槽截面或孔截面的形状为圆形或方形。所述调节结构41的设置，便于旋转装卡固定。

所述压力加载测试机构5包括多个不同量程的液压伺服缸，压力加载测试机构通过管道8向橡胶囊2的内腔21内输送加载介质。所压力加载测试机构提供的压力范围为0.1MPa ~200MPa，所述压力加载测试模块能加压、保压及卸压，精度为不同液压伺服缸量程的±1%。所述压力加载测试模块加压及卸压速率在0.1MPa~200MPa/min间可控。优选的，所述压力加载测试机构由1~5个不同量程液压伺服缸组成。所述采用的加载介质为液体，包括并不限于水和液压油。

在本装置中，挡环3的大径段与外壳1的螺纹孔螺纹连接，两者安装到位后，挡环3的一端端面与橡胶囊2的端面贴合，限制橡胶囊2向两端膨胀；内撑环4的大径端与挡环3的阶梯通孔螺纹端螺纹连接，其小径端与挡环3光孔段内壁之间存在环形间隙，用于复合材料筒10两端伸入完成安装，复合材料筒10安装到位后，其上端内壁与内撑环4的小径段光滑外壁贴合，其上端外壁与挡环3的光孔段内壁贴。所述内撑环将复合材料筒10内部空间与外部隔绝。

在本实施例中，为了进一步方便整体装置的移动及操作，所述外壳1外部设置至少一个把手7；优选的，所述把手7的数量为两个，设置于外壳1两端，且安装把手7处的外壳1壳壁加厚处理，比外壳1常规位置壁厚加厚5~20mm。

在本实施例中，为了满足了在不同温度及升温速率下测试复合材料筒耐外压性能的需求，所述复合材料筒耐外压性能测试装置还包括设置于内撑环4靠近外壳1中心一侧的加热控温机构6；所述加热控温机构6加热范围为室温~250℃，控制精度为±0.5℃，升温速率在1℃~5℃/min间可控。所述加热控温机构6的加热方式包括但不限于红外加热，鼓风加热或电磁加热。同时，为了保证加热过程中，形成封闭的受热空间，保证加热与控温效果，所述内撑环4远离外壳1中心一侧设置端盖，以保证内撑环将复合材料筒内部空间与外部隔绝，保证加热与控温效果。

本发明的工作过程：

将橡胶囊2放入外筒1内腔中，一端与橡胶囊2连接的管道8由外筒圆孔处伸出，便于接通加载介质；将挡环3安装于外筒1内腔两端，安装到位后，橡胶囊2两端侧壁将与挡环3贴合，限制橡胶囊2向两端膨胀；将复合材料筒10放入橡胶囊2中间空腔内，将内撑环4安装固定于外筒1内腔两端，安装到位后，内撑环2外圆面与复合材料筒10内壁贴合；将管道8与压力加载测试机构5连接，向橡胶囊2的内腔21以不同速率分阶段注入加载介质，保压一段时间后，以不同速率分阶段卸压，记录复合材料筒10变形情况，测试其耐外压能力。

本发明采用液体介质，安全，满足高压测试要求，最高可加压至200MPa；不同的金属厚度保证了外筒体的安全与牢固度，可满足不同压力范围的长期耐外压测试；不同量程的液压伺服缸可满足0.1MPa以内低压以及接近200MPa高压耐外压测试，可加压、保压、卸压，且加压及卸压速率可调，测试精度高；挡环限制了橡胶囊向两端轴向膨胀，保证了橡胶囊仅向内挤压复合材料筒试验件，避免了橡胶囊过度膨胀引发的提前破坏；内撑环在复合材料筒试验件两端内部支撑，防止复合材料筒两端变形过大，从而避免橡胶囊进入变形产生的间隙中，进一步导致橡胶囊提前破坏；加热控温模块满足了在不同温度及升温速率下测试复合材料筒耐外压性能的需求；各组件装卸简单，测试过程中仅需1人花费20分钟即可完成装配；各组件配合及密封效果好，均可长期反复使用，测试成功率高。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。