李高春， 黃衛(wèi)東， 趙龍輝， 楊 能， 王玉峰， 劉著卿

(1. 海軍航空工程學(xué)院 飛行器工程系， 山東 煙臺(tái) 264001；2. 91172部隊(duì)， 海南 海口 570100)

電子拉伸試驗(yàn)機(jī)是獲取材料力學(xué)性能必不可少的試驗(yàn)儀器。通過拉伸試驗(yàn)?zāi)軌虻玫讲牧系目估瓘?qiáng)度、伸長(zhǎng)率等性能參數(shù)以及拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，了解上述參數(shù)就可以確定材料是否滿足設(shè)計(jì)要求，并且也可將這些參數(shù)作為材料力學(xué)性能好壞的標(biāo)志[1]。

目前使用較多的電子拉伸試驗(yàn)機(jī)由專門廠家生產(chǎn)，價(jià)格相對(duì)較貴，笨重，試樣尺寸大、材料消耗多。另外，電子拉伸試驗(yàn)機(jī)功能和操作步驟復(fù)雜，不利于開展自主性試驗(yàn)。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，人們?yōu)榱肆瞬牧暇植苛W(xué)特性，需要開展微型結(jié)構(gòu)拉伸試驗(yàn)研究，特別對(duì)于復(fù)合推進(jìn)劑這種非均質(zhì)材料，有必要開展微型結(jié)構(gòu)拉伸和動(dòng)態(tài)觀察試驗(yàn)[2-6]，掌握其力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系。國(guó)內(nèi)根據(jù)材料性能測(cè)試的特點(diǎn)，開發(fā)了多種類型的微型拉伸試驗(yàn)機(jī)[7-11]，但難以直接應(yīng)用于復(fù)合推進(jìn)劑試件的微型拉伸試驗(yàn)。

本文設(shè)計(jì)了應(yīng)用于復(fù)合推進(jìn)劑單向拉伸的微型拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)，包括拉伸試驗(yàn)機(jī)械平臺(tái)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合推進(jìn)劑微型拉伸試驗(yàn)的力學(xué)性能測(cè)試，為開展微型復(fù)合推進(jìn)劑拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

1 微型拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)總體功能

拉伸試驗(yàn)設(shè)備包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，軟硬件系統(tǒng)配合實(shí)現(xiàn)載荷和位移的采集。微型拉伸系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)包括機(jī)械平臺(tái)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，見圖1。在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)中，試樣用機(jī)械平臺(tái)上的夾具夾牢，計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)給運(yùn)動(dòng)控制器，運(yùn)動(dòng)控制器控制電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械平臺(tái)動(dòng)架進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，拉伸過程中試件受到載荷作用時(shí)，力傳感器輸出加載在試件上的載荷，通過信號(hào)調(diào)理電路送給數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)軟件處理后得到拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線和材料性能參數(shù)。

圖1 微型拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

(1) 機(jī)械平臺(tái):包括動(dòng)架、靜架等機(jī)械平臺(tái)以及動(dòng)架微定位調(diào)整的微定位調(diào)整機(jī)構(gòu)，依據(jù)試樣的尺寸、形狀，設(shè)計(jì)能夠與之相匹配的夾具，用以?shī)A持試件。

(2) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng):包括步進(jìn)電機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡和信號(hào)調(diào)理模塊。運(yùn)動(dòng)控制卡是運(yùn)動(dòng)控制器的核心，是控制拉伸機(jī)械平臺(tái)中動(dòng)架移動(dòng)的關(guān)鍵設(shè)備。對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡的要求：合理設(shè)置運(yùn)動(dòng)參數(shù)與運(yùn)動(dòng)速度，可以使平臺(tái)進(jìn)行完整的拉伸過程。信號(hào)調(diào)理模塊可以調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制卡，包括參數(shù)的重新設(shè)置、拉伸速度的調(diào)節(jié)等細(xì)節(jié)處理。

(3) 傳感器系統(tǒng):力傳感器將載荷轉(zhuǎn)變成毫伏級(jí)電壓并輸出，經(jīng)橋式電路放大器放大信號(hào)，然后輸入數(shù)據(jù)采集卡。

(4) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng):對(duì)在拉伸狀態(tài)下的復(fù)合推進(jìn)劑試件進(jìn)行實(shí)時(shí)的載荷采集，繪制出對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。同時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還需滿足運(yùn)動(dòng)控制功能，即控制拉伸機(jī)構(gòu)進(jìn)行試樣的拉伸等。

根據(jù)復(fù)合推進(jìn)劑微型試件拉伸試驗(yàn)需求，確定要求如下:推進(jìn)劑微型試件尺寸為厚2 mm、寬4 mm、長(zhǎng)25 mm，測(cè)量的應(yīng)變范圍為0.1%～300%，極限載荷小于50 N，測(cè)量溫度為常溫。

2 組件設(shè)計(jì)及裝配

2.1 機(jī)械平臺(tái)

拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)機(jī)械平臺(tái)的整體框架(見圖2)是平臺(tái)搭建的主體，總體框架的搭建充分考慮其他裝置在平臺(tái)的放置位置與方式。整體臺(tái)架總體規(guī)劃時(shí)，預(yù)留出安裝相關(guān)部件的空間。根據(jù)系統(tǒng)功能，最終選定平臺(tái)的總體框架的拉伸長(zhǎng)度為380 mm，此段距離留有一定的余地，主要是考慮到動(dòng)平臺(tái)的體積以及夾具、傳感器以及試件的基本長(zhǎng)度，還要考慮此段距離是否足夠?qū)⒃嚰瓟?。為了使平臺(tái)動(dòng)架能夠做直線運(yùn)動(dòng)，所以在底座的底部表面安裝導(dǎo)軌，方便后續(xù)設(shè)計(jì)。

圖2 機(jī)械平臺(tái)整體框架圖

機(jī)械平臺(tái)左端為固定平臺(tái)，平臺(tái)上放置夾具、傳感器，并將夾具與傳感器連接，確保傳感器所采集到的力的精度較高；右端為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，平臺(tái)上同樣放置夾具，通過兩邊的夾具對(duì)所測(cè)試件進(jìn)行夾持，然后控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的左右運(yùn)動(dòng)，使平臺(tái)實(shí)現(xiàn)拉伸功能。將傳感器、T型支架和夾具裝配好的拉伸系統(tǒng)見圖3。裝配時(shí)注意夾具上下高度一致，水平在一軸線上。

圖3 裝配好的拉伸系統(tǒng)

2.2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物體的運(yùn)動(dòng)的控制，通常包括運(yùn)動(dòng)控制卡和步進(jìn)電機(jī)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡的控制，還需要與計(jì)算機(jī)相連，計(jì)算機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制卡采用RS232接口轉(zhuǎn)換得到。通過RS232串行接口連接，向運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)出相應(yīng)控制指令。運(yùn)動(dòng)控制卡接受計(jì)算機(jī)的指令后，進(jìn)行相應(yīng)的操作，完成有關(guān)動(dòng)作。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成框圖見圖4。

圖4 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成框圖

2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

根據(jù)系統(tǒng)相關(guān)需求，軟件的功能模塊主要有狀態(tài)檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和數(shù)據(jù)記錄模塊等，圖5為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件框圖?？驁D顯示軟件操作與處理的大致流程，該流程充分考慮實(shí)驗(yàn)者使用軟件的思維方式，主路徑依次為用戶信息采集、硬件檢測(cè)、參數(shù)設(shè)置、控制采集、數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)與顯示。為了使軟件結(jié)構(gòu)和功能更加完整，方便操作者理解和使用采集系統(tǒng)軟件，增強(qiáng)可使用性，同時(shí)也使?jié)M足系統(tǒng)的各項(xiàng)要求，在主路的各部分分別設(shè)有硬件狀態(tài)監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)的查看等子功能部件。復(fù)合推進(jìn)劑微型拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件部分使用LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言[12]，根據(jù)系統(tǒng)的總體要求進(jìn)行模塊化的程序設(shè)計(jì)。

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件框圖

3 功能測(cè)試及結(jié)果分析

對(duì)系統(tǒng)調(diào)試機(jī)械平臺(tái)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能進(jìn)行測(cè)試。具體步驟如下:

(1) 測(cè)量微型試件的長(zhǎng)度和尺寸；

(2) 將微型推進(jìn)劑試件固定在夾具上，首先固定傳感器一端，夾住微型試件，然后手動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)，使平臺(tái)移動(dòng)到夾具能夠夾住試件位置，然后夾具試件的另一端，如圖6(a)所示；

(3) 開啟微型拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，輸入復(fù)合推進(jìn)劑微型試件的厚度和寬度，開始進(jìn)行測(cè)試，圖6(b)給出了復(fù)合推進(jìn)劑試件的拉伸過程，從圖中可以看出，夾具很好地夾住微型試件；

(4) 進(jìn)行試驗(yàn)，直至微型試件被拉斷，微型試件被拉斷后的圖片如圖6(c)所示，采集系統(tǒng)保存相關(guān)位移和載荷數(shù)據(jù)，并根據(jù)幾何關(guān)系，換算成應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線符合推進(jìn)劑的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，見圖7。由圖7可知，拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為拉伸直線區(qū)，平臺(tái)區(qū)和軟化區(qū)。拉伸試驗(yàn)平臺(tái)能夠滿足50 N以內(nèi)的復(fù)合推進(jìn)劑試件的拉伸試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的功能，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。

圖6 拉伸試驗(yàn)過程

圖7 拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線

4 結(jié)論

根據(jù)復(fù)合推進(jìn)劑微型拉伸試驗(yàn)要求，搭建了微型拉伸機(jī)械平臺(tái)，與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配合，對(duì)微型復(fù)合推進(jìn)劑試件進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合推進(jìn)劑微型試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線的測(cè)定和性能測(cè)試。調(diào)試表明，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能有效地對(duì)機(jī)械平臺(tái)進(jìn)行控制，拉伸機(jī)械平臺(tái)運(yùn)行平穩(wěn)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能有效進(jìn)行載荷的測(cè)量以及應(yīng)力-應(yīng)變曲線等實(shí)時(shí)顯示。參考文獻(xiàn)(References)

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