水下耐压结构长时间累积变形的测量装置及方法

1.水下耐压结构长时间累积变形的测量装置，其特征在于：包括相互独立设置的测量单元及修正单元，所述测量单元包括用于模拟深海压力环境的压力筒(1)，待测耐压壳体(2)置于压力筒(1)内，待测耐压壳体(2)内充满液体，且待测耐压壳体(2)通过管路一(3)与位于压力筒(1)外部的容积变化读数器一(4)连通，压力筒(1)连接有注水管路和排水管路，所述注水管路上设有加压泵(5)及控制阀一(6)，压力筒(1)上装有压力表(7)，所述排水管路上设有控制阀二(8)；所述修正单元包括对比耐压壳体(9)，对比耐压壳体(9)内充满液体，且对比耐压壳体(9)通过管路二(10)与位于对比耐压壳体(9)外部的容积变化读数器二(11)连通；所述修正单元中的对比耐压壳体(9)、管路二(10)及容积变化读数器二(11)的结构分别与所述测量单元中的待测耐压壳体(2)、管路一(3)及容积变化读数器一(4)相同。
2.利用权利要求1所述的水下耐压结构长时间累积变形的测量装置进行水下耐压结构长时间累积变形测量的方法，其特征在于，包含以下步骤：
第一步，所述注水管路及所述排水管路均处于关闭状态，在待测耐压壳体(2)不承受静水压力的情况下，记录下容积变化读数器一(4)内自由液面所在的刻度值H0；
第二步，打开所述注水管路，所述排水管路仍处于关闭状态，通过所述注水管路对压力筒(1)注水施加静水压力，观察压力表(7)读数，当压力筒(1)内压力达到目标压力P1时，关闭所述注水管路，记录下此时容积变化读数器一(4)内自由液面所在的刻度值H1；同步调节所述修正单元中容积变化读数器二(11)的自由液面处于刻度值H1位置；
第三步，保持压力筒(1)的压力处于目标压力P1下t1时间后，记录下此时容积变化读数器一(4)内自由液面所在的刻度值H2和容积变化读数器二(11)内自由液面所在的刻度值H3；
第四步，计算待测耐压壳体(2)处于恒定静水压力P1下t1时间后的容积变化值△V1′：用第三步测得的刻度值H2与第二步测得的刻度值H1的差值乘以容积变化读数器一(4)的截面积；
第五步，对第四步计算得到的容积变化值△V1′进行修正：计算对比耐压壳体(9)在不承受静水外压的情况下经过t1时间后由温度变化导致的容积变化值△V1″，即用刻度值H3与刻度值H1的差值乘以容积变化读数器二(11)的截面积；△V1′与△V1″的差值即为完全由静水压力P1导致的随时间t1累积的容积变化值△V1；
第六步，每隔一定的时间ti重复上述第三步骤至第五步骤，得到一组静水压力P1下的由容积变化值△Vi和对应的时间ti组成的数据；
第七步，对第六步中测得的一组数据(△Vi，ti)采用数学方法进行拟合，得出待测耐压壳体(2)在静水压力P1下随时间累积的容积变化与时间的关系函数，根据待测耐压壳体(2)结构参数与容积的几何关系以及待测耐压壳体(2)的材料本构关系，可换算出相应的ti时间时待测耐压壳体(2)的结构变形值、应变、应力，由此得到待测耐压壳体(2)的结构变形值、应变、应力在静水压力P1下随时间的变化规律。
3.按权利要求2所述的水下耐压结构长时间累积变形的测量方法，其特征在于：改变所述静水压力P1至P2、P3……Pn，重复所述第二至第七步骤，得到不同静水压力下待测耐压壳体(2)的容积、结构变形值、应变、应力随时间的变化规律。
4.按权利要求3所述的水下耐压结构长时间累积变形的测量装置，其特征在于：取待测耐压壳体(2)在至少两种静水压力下的容积与时间构成的组数据，通过数学方法拟合出待测耐压壳体(2)所用材料的蠕变规律。

水下耐压结构长时间累积变形的测量装置及方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及水下耐压结构静水外压试验技术领域，具体涉及用于测量水下耐压结构在静水压力下长时间累积变形并且通过长时间累积变形的测量结果来研究水下耐压结构材料的抗压蠕变特性或粘弹性特性的装置及方法。\n背景技术\n[0002] 水下耐压结构是水下机器人、载人潜水器、深海空间站和潜艇等水下运载作业平台的重要组成部分，用于承受深海高压载荷并保障人员及设备的安全。目前，水下耐压结构静水外压力试验主要采用电阻应变片等传感器测量方法，通过测量水下耐压壳体关键部位的应变并将其换算为结构应力；而陆地上耐压管道(内压)的蠕变测量则通常采用蠕变测点测量法和蠕变测量标记测量法，前者使用千分尺在测点之间测量变形，后者使用特制的钢带尺缠绕在钢管或联箱体被测截面外表面上，来测量该部位的增值。对于电阻应变片等传感器测量方法，由于浸泡在水中的电阻应变片容易受潮老化、性能发生蠕变导致使用寿命低，不适用于水下耐压结构的长时间变形的测量，并且电阻应变片测量位置为局部测量，而材料的蠕变特性是一种全结构的变形，因此，传统的电阻应变片等传感器测量方法无法完成水下耐压结构的蠕变(或粘弹性)的长期观测和测量；对于蠕变测点测量法和蠕变测量标记测量法，由于这两种测量方法只能用于暴露的耐压管道，而水下耐压结构的长期累积变形试验需要在压力筒中进行，因此传统的陆地上耐压管道(内压)的蠕变测量方法也无法适应水下耐压结构试验过程中累积变形的测量。\n发明内容\n[0003] 本申请人针对现有技术中的上述缺点进行改进，提供一种水下耐压结构长时间累积变形的测量装置及方法，其能够实现静水压力下水下耐压结构的容积随时间的变化规律的测量，测量方便、准确，且基于容积变化测量结果通过数学换算能够得出静水压力下耐压结构的长时间累积变形，能够用于研究耐压结 构材料的蠕变特性或粘弹性特性。\n[0004] 本发明的技术方案如下：\n[0005] 本发明之水下耐压结构长时间累积变形的测量装置，包括相互独立设置的测量单元及修正单元，所述测量单元包括用于模拟深海压力环境的压力筒，待测耐压壳体置于压力筒内，待测耐压壳体内充满液体，且待测耐压壳体通过管路一与位于压力筒外部的容积变化读数器一连通，压力筒连接有注水管路和排水管路，所述注水管路上设有加压泵及控制阀一，压力筒上装有压力表，所述排水管路上设有控制阀二；所述修正单元包括对比耐压壳体，对比耐压壳体内充满液体，且对比耐压壳体通过管路二与位于对比耐压壳体外部的容积变化读数器二连通；所述修正单元中的对比耐压壳体、管路二及容积变化读数器二的结构分别与所述测量单元中的待测耐压壳体、管路一及容积变化读数器一相同。\n[0006] 本发明之水下耐压结构长时间累积变形的测量方法，包含以下步骤：\n[0007] 第一步，所述注水管路及所述排水管路均处于关闭状态，在待测耐压壳体不承受静水压力的情况下，记录下容积变化读数器一内自由液面所在的刻度值H0；\n[0008] 第二步，打开所述注水管路，所述排水管路仍处于关闭状态，通过所述注水管路对压力筒注水施加静水压力，观察压力表读数，当压力筒内压力达到目标压力P1时，关闭所述注水管路，记录下此时容积变化读数器一内自由液面所在的刻度值H1；同步调节所述修正单元中容积变化读数器二的自由液面处于刻度值H1位置；\n[0009] 第三步，保持压力筒的压力处于目标压力P1下t1时间后，记录下此时容积变化读数器一内自由液面所在的刻度值H2和容积变化读数器二内自由液面所在的刻度值H3；\n[0010] 第四步，计算待测耐压壳体处于恒定静水压力P1下t1时间后的容积变化值△V1′：\n用第三步测得的刻度值H2与第二步测得的刻度值H1的差值乘以容积变化读数器一的截面积；\n[0011] 第五步，对第四步计算得到的容积变化值△V1′进行修正：计算对比耐压壳体在不承受静水外压的情况下经过t1时间后由温度变化导致的容积变化值△V1″，即用刻度值H3与刻度值H1的差值乘以容积变化读数器二的截面积；△V1′与 △V1″的差值即为完全由静水压力P1导致的随时间t1累积的容积变化值△V1；\n[0012] 第六步，每隔一定的时间ti重复上述第三步骤至第五步骤，得到一组静水压力P1下的由容积变化值△Vi和对应的时间ti组成的数据；\n[0013] 第七步，对第六步中测得的一组数据(△Vi，ti)采用数学方法进行拟合，得出待测耐压壳体在静水压力P1下随时间累积的容积变化与时间的关系函数，根据待测耐压壳体结构参数与容积的几何关系以及待测耐压壳体的材料本构关系，可换算出相应的ti时间时待测耐压壳体的结构变形值、应变、应力，由此得到待测耐压壳体的结构变形值、应变、应力在静水压力P1下随时间的变化规律。\n[0014] 其进一步技术方案为：\n[0015] 改变所述静水压力P1至P2、P3……Pn，重复所述第二至第七步骤，得到不同静水压力下待测耐压壳体的容积、结构变形值、应变、应力随时间的变化规律。\n[0016] 取待测耐压壳体在至少两种静水压力下的容积与时间构成的组数据，通过数学方法拟合出待测耐压壳体所用材料的蠕变规律。\n[0017] 本发明的技术效果：\n[0018] 本发明通过将测量目标由传统的水下耐压结构的变形量转换为耐压结构在静水压力下的长时间累积的容积变化量，将测量目标进行了放大，由此不仅能够通过测得的容积变化量通过数学换算以及数学拟合得出耐压结构的集合结构变形、应力、应变随时间的变化规律，而且能够进一步通过数学换算和拟合得出耐压结构所用材料的抗压蠕变特性或粘弹性特性，另一方面，克服了传统的电阻应变片等传感器测量方法因电阻应变片使用寿命短而无法适用于水下耐压结构长时间累积变形的测量以及电阻应变片测量位置的局部性的缺陷；本发明所述测量装置结构简单、测量直观便捷，试验成本低，维护方便，试验可持续强，解决了传统的水下耐压结构外压试验无法测量水下耐压结构长时间累积变形的技术问题；本发明通过修正装置的设置，能够消除由温度变化导致的测量误差，提高了测量精度。\n附图说明\n[0019] 图1为本发明所述测量单元的结构示意图。\n[0020] 图2为本发明所述修正单元的结构示意图。\n[0021] 图3为待测耐压壳体在两种静水压力下的应变——时间曲线图。\n[0022] 其中：1、压力筒；2、待测耐压壳体；3、管路一；4、容积变化读数器一；5、加压泵；6、控制阀一；7、压力表；8、制阀二；9、对比耐压壳体；10、管路二；11、容积变化读数器二。\n具体实施方式\n[0023] 下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。\n[0024] 见图1、图2，本发明之水下耐压结构长时间累积变形的测量装置包括相互独立设置的测量单元及修正单元，所述测量单元包括用于模拟深海压力环境的压力筒1，待测耐压壳体2置于压力筒1内，待测耐压壳体2内充满不可压缩的液体，且待测耐压壳体2通过管路一3与位于压力筒1外部的容积变化读数器一4连通，压力筒1连接有注水管路和排水管路，所述注水管路上设有加压泵5及控制阀一6，压力筒1上装有压力表7，所述排水管路上设有控制阀二8，控制阀一6及控制阀二8分别用于控制所述注水管路、所述排水管路的开、闭；所述修正单元包括对比耐压壳体9，对比耐压壳体9内充满不可压缩的液体，且对比耐压壳体9通过管路二10与位于对比耐压壳体9外部的容积变化读数器二11连通；所述修正单元中的对比耐压壳体9、管路二10及容积变化读数器二11的结构分别与测量单元中的待测耐压壳体2、管路一3及容积变化读数器一4相同，容积变化读数器一4及容积变化读数器二11为标有刻度的容器，形状优选为圆柱形细长容器。\n[0025] 利用本发明之水下耐压结构长时间累积变形的测量装置对水下耐压壳体长时间累积变形进行测量的方法包含以下步骤：\n[0026] 第一步，所述注水管路及所述排水管路均处于关闭状态，在待测耐压壳体2不承受静水压力的情况下，记录下容积变化读数器一4内自由液面所在的刻度值H0；\n[0027] 第二步，打开所述注水管路，所述排水管路仍处于关闭状态，通过所述注水管路对压力筒1注水施加静水压力，观察压力表7读数，当压力筒1内压力达到目标压力P1时，关闭所述注水管路，记录下此时容积变化读数器一4内自由液面所在的刻度值H1；同时，同步调节所述修正单元中容积变化读数器二11的自由液面处于刻度值H1位置；\n[0028] 第三步，保持压力筒1的压力处于目标压力P1下t1时间后，记录下此时容 积变化读数器一4内自由液面所在的刻度值H2和容积变化读数器二11内自由液面所在的刻度值H3；\n[0029] 第四步，计算待测耐压壳体2处于恒定静水压力P1下t1时间后的容积变化值△V1′：\n用第三步测得的刻度值H2与第二步测得的刻度值H1的差值乘以容积变化读数器一4的截面积，所述乘积值即为△V1′；\n[0030] 第五步，对第四步计算得到的容积变化值△V1′进行修正：计算对比耐压壳体9在不承受静水外压的情况下经过t1时间后由温度变化导致的容积变化值△V1″，即用刻度值H3与刻度值H1的差值乘以容积变化读数器二11的截面积，所述乘积值即为△V1″；△V1′与△V1″的差值即为完全由静水压力P1导致的待测耐压壳体2随时间t1累积的容积变化值△V1；\n[0031] 第六步，每隔一定的时间ti重复上述第三步骤至第五步骤，由此得到一组静水压力P1下的由容积变化值△Vi和对应的时间ti组成的数据(△Vi，ti)，其中，i＝1,2,……，n；\n[0032] 第七步，对第六步中测得的一组数据(△Vi，ti)采用数学方法进行拟合，得出待测耐压壳体2在静水压力P1下随时间累积的容积变化与时间的关系函数，根据待测耐压壳体2结构参数与容积的几何关系以及待测耐压壳体2的材料本构关系，可换算出相应的ti时间时待测耐压壳体2的结构变形值、应变、应力，由此得到待测耐压壳体2的结构变形值、应变、应力在静水压力P1下随时间的变化规律。\n[0033] 具体地，对第六步中测得的一组数据(△Vi，ti)采用数学方法进行拟合，得出待测耐压壳体2在静水压力P1下随时间累积的容积变化与时间的变化规律，根据第一步骤中的待测耐压壳体2初始容积V0，可以转化得到待测耐压壳体2在静水压力P1下随时间累积的容积与时间的变化规律：\n[0034] V＝f(t)    ①\n[0035] 根据待测耐压壳体2的几何结构参数与容积的几何关系以及待测耐压壳体所用材料的本构关系，可换算出待测耐压结构本体2的结构变形值、应变、应力等力学参数随时间的变化规律，如：\n[0036] r＝f′(f(t))    ②\n[0037] ε＝f″(f(t))    ③\n[0038] 式中：r表示待测耐压壳体2结构的几何参数之一，例如水下耐压球壳的半径；ε表示待测耐压壳体2具体位置在特定方向上的应变值，f′、f″为相应 的函数关系。\n[0039] 进一步地，通过改变所述静水压力P1至P2、P3……Pn，重复所述第二至第七步骤，能够得到不同静水压力下待测耐压壳体2的容积、结构变形值、应变、应力随时间的变化规律，用于待测耐压壳体2结构材料的蠕变特性或粘弹性特性研究。\n[0040] 取待测耐压壳体2在至少两种静水压力下的结构变形值、应变、应力与时间的两组数据，通过数学方法拟合出待测耐压壳体2所用材料的蠕变规律。\n[0041] 以水下耐压壳体的两种典型结构：金属精制球壳和环肋圆柱壳为示例，说明如何通过本发明所述测量装置及测量方法来得出静水压力下耐压壳体的长时间累积变形，并由此得出耐压结构材料的蠕变特性或粘弹性特性。\n[0042] 取待测耐压壳体2的金属材料的蠕变规律如下式：\n[0043] εc＝A1σntm 蠕变第一阶段  ④\n[0044] εc＝A2σnt 蠕变第二阶段  ⑤\n[0045] 式中：A、n、m均为需要通过测量结果进行拟合计算的系数，εc为蠕变应变，σ为相应静水压力下水下耐压壳体的应力。\n[0046] 按照本发明之水下耐压结构长时间累积变形的测量方法所述第一步至第六步骤，得到一组静水压力P1下的由容积变化值△Vi和对应的时间ti组成的数据(△Vi，ti)，根据第一步骤中的待测耐压壳体2初始容积V0，可以转化得到待测耐压壳体2在静水压力P1下由容积值Vi和对应的时间ti组成的数据(Vi，ti)，进行足够长时间的试验确保待测耐压壳体2进入了蠕变第二阶段；然后，改变所述静水压力P1至P2，在静水压力P2下重复所述第二步至第六步骤，得到待测耐压壳体2在静水压力P2下由容积值Vi'和对应的时间ti组成的数据(Vi'，ti)，同样得，可以通过试验测量其他静水压力下的容积与时间的数据，为了简要阐述，选用两种静水压力P1、P2来做说明。\n[0047] 当待测耐压壳体2为球壳时，在恒定静水压力P1和P2下分别经历时间tk后，此时，球壳在静水压力P1和P2的容积值分别为Vk和Vk'，球壳静水压力P1和P2的半径rk和rk'、应变分别为：\n[0048]\n[0049]\n[0050]\n[0051]\n[0052] 式中： 和 分别表示静水压力P1和P2对应时间tk时球壳中面任意点由蠕变导致的应变值，r0为待测耐压壳体2初始容积V0时的半径。根据上述的数学关系，则可以得到静水压力P1和P2对应时间tk时球壳应变的数据点： 则同一静水压力作用\n下，在不同时间点，能够得到相应的应变量，以应变量为纵坐标，以时间为横坐标，通过静水压力P1和P2下球壳的两组应变与时间的数据： 则可以绘制出球壳\n所用材料的两条应变——时间曲线，图3所示为通过测量得到的钛合金球壳所使用的材料钛合金在在恒定静水压力P1下的应变——时间曲线，从图中可以看到蠕变速率递减的蠕变第一阶段和蠕变速率几乎不变的第二阶段，另一条在静水压力P2下的应变——时间曲线并未给出，但是通过试验数据绘制，其应变——时间曲线与静水压力P1下的应变——时间曲线近似，即同样地揭示了蠕变速率递减的蠕变第一阶段和蠕变速率几乎不变的第二阶段。\n[0053] 见图3，舍去第一阶段和第二阶段过渡区域 的数据，根据两种静水压\n力P1和P2得出的应变和时间的数据，能够通过数学拟合出蠕变公式④和⑤中的系数A、n、m：\n[0054]\n[0055] 式中，σ1为静水压力为P1时球壳的轴向/周向应力，通过静水压力、球壳半径和球壳厚度进行数学计算能够计算出该应力； 和 分别为静水压力P1和P2时在蠕变第二阶段的蠕变速率，该蠕变速率能够通过P1和P2下的两组应变和时间的数据进行拟合计算，式中的上横线均表示取遍下标求平均。由此，即得 出了球壳材料的蠕变规律公式，能够用于研究球壳所用材料的抗压蠕变特性，当所用材料为有机玻璃时，则能够用于研究有机玻璃材料在静水压力下的粘弹性特性。\n[0056] 同样地，当待测耐压壳体2为环肋圆柱壳结构时，同样可以根据至少两种静水压力下的应变与时间的组数据，通过数学方法拟合出该结构下对应的蠕变公式④和⑤中的系数A、n、m，由此得出相应材料的抗压蠕变规律，此处计算过程不再详细说明。\n[0057] 以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。