[发明专利]一种基于压入技术的冰力学特性测试方法及装置

权利要求书

1.一种基于压入技术的冰力学特性测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、开启制冷平台；

步骤二、在保温罩的环形腔室中通入液氮，降低外界温度与保温罩内部的温度差；

步骤三、放置冰样在制冷平台中央位置；

步骤四、开启激光位移传感器、压力传感器、高速摄像机、升降位移平台与数据处理终端的通信连接，并调控升降位移平台使压头垂直抵靠在冰样的顶端中间位置；

步骤五、设定升降位移平台的运行时速，使压头在冰样上进行下压，到达设定的压入深度时，记录激光位移传感器的最大位移值和压力传感器的最大压力值，随后调控升降平台开始向上运动，完成压力卸载的过程，并通过数据处理终端导出压力数据与位移数据的曲线图；

步骤六、将最大位移值和压头的尖端角度带入压入深度计算公式，计算得到压入接触面积；

步骤七、通过压力数据与位移数据的曲线图获取曲线斜率，并将曲线斜率和压入接触面积带入Oliver-Pharr计算模型中，计算得到压入折合模量；

步骤八、通过压入折合模量和压头的弹性模量，进行冰样的弹性模量转化；通过最大压力值和压入接触面积，计算得出冰样的硬度。

2.根据权利要求1所述的基于压入技术的冰力学特性测试方法，其特征在于，压入接触面积的计算公式为：

其中，Ac为压入接触面积，h为移传感器测得的最大位移值，α为压头的尖端角度；

压入折合模量计算公式为：

其中，E_r为压入折合模量，S为曲线斜率，Ac为压入接触面积。

3.根据权利要求1所述的基于压入技术的冰力学特性测试方法，其特征在于，弹性模量转化公式为：

其中，E_r为压入折合模量，E_i为压头的弹性模量，E为冰样的弹性模量，v为冰样的泊松比，v_i为压头的泊松比；

冰样的硬度计算公式为：

其中，H为冰样的硬度，P为压力传感器测得的最大压力值，Ac为压入接触面积。

4.根据权利要求1～3任一项所述的方法基于压入技术的冰力学特性测试装置，包括透明操作箱，以及设置在所述透明操作箱内的硬度检测机构，其特征在于：

位移检测机构，其设置在所述硬度检测机构上；

用于放置冰样的保温隔热机构，其设置在所述硬度检测机构的下方，且所述保温隔热机构与所述硬度检测机构的检测端贯通连接；

数据处理终端，其分别与所述硬度检测机构、位移检测机构通信连接。

5.根据权利要求4所述的基于压入技术的冰力学特性测试装置，其特征在于，还包括用于拍摄实验过程中冰样接触变化的高速摄像机，其架设在所述透明操作箱内，且所述高速摄像机与所述数据处理终端通信连接。

6.根据权利要求4所述的基于压入技术的冰力学特性测试装置，其特征在于，所述硬度检测机构包括：

支撑架，其设置在所述透明操作箱内；

升降位移平台，其竖直固定连接在所述支撑架上，且所述升降位移平台与所述数据处理终端通信连接；

压力传感器，其顶端通过转接接块与所述升降位移平台连接，且所述压力传感器与所述数据处理终端通信连接；

隔热座，其顶端中间位置与所述压力传感器的底端固定连接；

压头，其可拆卸连接在所述隔热座的底端中间位置。

7.根据权利要求6所述的基于压入技术的冰力学特性测试装置，其特征在于，所述压头与所述隔热座可拆卸连接的方式为：

所述隔热座的底端中间位置固定连接有连接筒，所述压头的端部套设在所述连接筒内，且所述连接筒上还对称的螺纹连接有多个螺栓，且各所述螺栓的末端通过螺纹拧动均与所述压头的端部抵靠。