[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

说明书

本发明公开了一种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，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。本发明，实现了对不同环境下、不同形状的冰样进行力学性能参数测试，具有精确度高、适用性强、便于携带的有益效果。

技术领域

本发明涉及冰力学特性测试，更具体的说，涉及一种基于压入技术的冰力学特性测试方法及装置。

背景技术

表面结冰现象存在于各种领域，结冰在航空航天，道路运输，高压输电线等方面具有很大的影响。因此，针对冰力学特性测试的试验越来越受到广泛的关注。

现有的冰力学特性测试都基于不同状态的冰和针对不同运用场景下进行特定的试验，实验结果并不能满足多场景下的需求。压缩-拉伸试验是一种常规的力学性能测试，采用施加不同量级的载荷观测被测物体的破坏特征，常用于固体材料的强度测量。冰样采用此种方式测量时，受环境温度的影响较大，特殊的测试冰样无法制成标准试样。还有相关的弯曲试验，超声波检测实验测冰力学特性测试方法均对测试冰样具有一定的要求，不能满足多场景下的测量，不能提供特殊状况下的冰的力学性能参数。如飞行器表面结冰的情况，利用常规的测试方法无法得到相关的冰力学性能参数，无法为后续的除冰与防结冰提供基础理论数据。

因此，如何实现对不同环境下、不同形状的冰样进行力学性能参数测试，是本技术领域人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于压入技术的冰力学特性测试方法，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。

优选的是，其中，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，Er为压入折合模量，S为曲线斜率，Ac为压入接触面积。

优选的是，其中，弹性模量转化公式为：