本发明涉及固体材料性能检测技术领域，更具体地说，涉及一种等静压强度及体积模量的测试系统及测试方法。
背景技术：
随着深海开发活动的日益增加，应用于深海高压环境下的固体材料的强度和可靠性需要得到着重研究。等静压强度及体积模量是衡量固体材料是否适用于深海环境的重要性能参数。
目前，国际上并无针对固体材料等静压强度及体积模量的标准测试程序或标准测试仪器。实践中，一般通过对材料试样加压后取出观察来粗略估计其等静压强度，而没有实时在位精确测试的方法。对于固体材料的体积模量，一般通过测量固体材料的杨氏模量及泊松比经由计算得到。然而，该间接法测量体积模量的精确度难以保证。且该原理是基于对材料各向同性的假设，对许多各向异性或拉压不同性材料(如，聚合物、复合材料等)不适用。
所以，设计一种可行、精确、且易于标准化的固体材料等静压强度及体积模量测试系统及测试方法，对于应用于高压环境(如，深海环境)的固体材料的研究是十分有必要的。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的是提供一种等静压强度及体积模量的测试系统及测试方法，其可以在测试的过程中准确地确定试样的等静压-体积变形率曲线，进而确定试样的等静压强度及体积模量。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种等静压强度及体积模量的测试系统，包括：
储液罐，内部存放有不可压缩的液体；
高压容器，用于放置待测试的试样；
输液装置，用于将所述储液罐中的所述液体输送至所述高压容器中，所述输液装置的进液口与所述储液罐连接，所述输液装置的出液口与所述高压容器连接；
液体量检测系统，与控制系统电连接、用于检测所述储液罐中的液体量；
压力检测装置，与所述控制系统电连接、用于检测所述高压容器的压力；
所述控制系统，用于根据所述液体量检测系统检测到的液体量数据、所述压力检测装置检测到的压力数据、所述试样的原始体积、所述液体的密度确定所述试样的等静压-体积变形率曲线。
可选地，高压容器设有用于排出气体和泄压的阀门。
可选地，所述输液装置包括输液管路和设于所述输液管路的水泵，所述输液管路的进液口与所述储液罐连接，所述输液管路的出液口与所述高压容器连接。
可选地，所述控制系统包括：
daq，用于采集所述液体量数据和所述压力数据，所述称重系统、所述压力计分别与所述daq连接；
计算机，用于对所述液体量数据、所述压力数据、所述试样的原始体积、所述液体的密度进行数据处理，并确定所述等静压-体积变形率曲线；所述计算机与所述daq连接。
可选地，所述液体量检测系统为用于检测所述储液罐的重量的称重系统。
一种等静压强度及体积模量的测试方法，应用上述任意一种等静压强度及体积模量的测试系统，所述测试方法包括：
将待检测的所述试样放置在所述高压容器中，并排空所述高压容器中的空气；
通过输液装置将所述储液罐中的所述液体输送至所述高压容器中；
通过所述液体量检测系统检测所述储液罐中的液体量，通过所述压力检测装置检测所述高压容器的压力；
根据所述液体量检测系统检测到的液体量数据、所述压力检测装置检测到的压力数据、所述试样的原始体积、所述液体的密度确定所述试样的等静压-体积变形率曲线。
可选地，所述根据所述液体量检测系统检测到的液体量数据、所述压力检测装置检测到的压力数据、所述试样的原始体积、所述液体的密度确定所述试样的等静压-体积变形率曲线的过程包括：
根据所述液体量数据和所述压力数据确定实测等静压-进液量数据；
将实测等静压-进液量数据与基准等静压-进液量数据的差值作为实际等静压-进液量数据；其中，所述基准等静压-进液量数据为对未放置所述试样的所述高压容器进行空载实验所获得的数据。
根据所述实际等静压-进液量数据、所述液体的密度、所述试样的原始体积确定所述等静压-体积变形率曲线。
通过上述方案，本申请提供的等静压强度及体积模量的测试系统的有益效果在于：
本申请提供的等静压强度及体积模量的测试系统包括储液罐、高压容器、输液装置、液体量检测系统、压力检测装置、控制系统；其中，储液罐内部存放有不可压缩的液体，高压容器中放置待测试的试样，输液装置将储液罐中的液体输送至高压容器中。液体量检测系统检测储液罐中的液体量，压力检测装置检测高压容器的压力，控制系统根据液体量数据、压力数据、试样的原始体积、液体的密度确定试样的等静压-体积变形率曲线。
该测试系统通过实时测量、记录固体材料试样在高压容器中所受到的等静压及相应的进水量，得到试样的等静压-体积变形率曲线，用户可以根据等静压-体积变形率曲线确定试样的等静压强度及体积模量。
此外，应当理解的是，本申请提供的等静压强度及体积模量测试方法同样具备上述有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种等静压强度及体积模量的测试系统的结构示意图；
图2为试样的等静压-体积变形率曲线；
图3为本申请实施例提供的一种等静压强度及体积模量的测试方法的流程图。
图中的附图标记为：储液罐1、高压容器2、输液装置3、输液管路31、水泵32、液体量检测系统4、压力检测装置5、控制系统6、计算机61、daq62、阀门7、试样8。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，本申请提供的等静压强度及体积模量的测试系统可以包括：储液罐1、高压容器2、输液装置3、液体量检测系统4、压力检测装置5以及控制系统6。
储液罐1内部存放有测试所用的不可压缩的液体，该液体与待测试的试样8相容，即该液体与试样8不会发生化学反应；同时，测试所用的液体的体积模量需要大于试样8的体积模量。在实际使用时，该液体可以具体选用水、液压油等。
高压容器2内部可以放置待测试的试样8，试样8为固体材料。测试开始前，向高压容器2中注满液体，并其腔体中的空气排净，使得液体充满高压容器2的腔体。可选的，为了方便高压容器2排出自身腔体中的空气，可以在高压容器2上设置阀门7，阀门7既能够排出气体，也能够在测试完毕后进行泄压。
输液装置3用于将储液罐1中的液体输送至高压容器2中，使试样8所受到的等静压以一定速率升高。输液装置3的进液口与储液罐1连接，输液装置3的出液口与高压容器2连接。输液装置3的结构有多种选择，例如，输液装置3包括输液管路31和水泵32，输液管路31的进液口与储液罐1连接，输液管路31的出液口与高压容器2连接；水泵32设置在输液管路31中，水泵32可以是可调速的柱塞泵或离心泵。
液体量检测系统4用于实时检测储液罐1中的液体量，并将检测到的液体量数据发送至控制系统6。在测试时，从储液罐1中注入高压容器2的液体量与试样8被压缩的体积一致，因此，液体量检测系统4只要能够确定储液罐1中减少的液体量即可。在实际使用时，液体量检测系统4的结构有多种选择，例如，液体量检测系统4为用于检测储液罐1的重量的称重系统，称重系统可进行数据输出，其检测精度高于0.1g，储液罐1放置在称重系统上；则后续通过重量的变化、液体的密度可以计算出液体减少的体积，从而确定试样8缩小的体积。再例如，液体量检测系统4也可以为检测液位高度的液位计，则后续通过液位高度的变化、储液桶的截面积也可以计算液体减少的体积。再例如，通过活塞向高压容器2中供液，后续可以通过活塞的行程和内径计算高压容器2的进液量。
压力检测装置5用于实时检测高压容器2的压力，并将检测到的压力数据发送至控制系统6。在实际使用时，压力检测装置5可以设置在高压容器2中来检测压力，也可以设置在输液管路31上。压力检测装置5的精度为0.1mpa或相当。
控制系统6根据液体量数据、压力数据、试样8的原始体积、液体的密度确定试样8的等静压-体积变形率曲线。控制系统6通过预设的控制程序，对获取到的数据进行处理，并最终确定等静压-体积变形率曲线。通过数据确定等静压-体积变形率曲线的方式在下文具体说明，此处不再赘述。
在一个实施例中，控制系统6包括daq62(dataacquisition，数据采集装置)和计算机61。具体的，称重系统、压力计分别与daq62连接，daq62同时采集液体量数据和压力数据；并且，daq62与计算机61连接，daq62将数据传输到计算机61上，计算机61能够对数据进行处理、显示、储存，在测试结束后，计算机61根据所记录的数据通过简单换算得到试样8的等静压-体积变形率曲线，用以确定其等静压强度及体积模量；当然，计算机61也可以对获取到的数据以及确定的等静压-体积变形率曲线进行显示。
由上述实施方式可以见，本申请提供的等静压强度及体积模量的测试系统的有益效果在于：
本申请为固体材料试样8等静压强度及体积模量的测试提供了一种可行、精确、且易于标准化的测试系统，该测试系统通过实时测量、记录固体材料试样8所受到的液压及相应的进液量，得到试样8的等静压-体积变形率曲线。
等静压-体积变形率曲线如图2所示，图中横坐标表示试样8的体积变形率，纵坐标表示压强。固体材料试样8在等静压下的失效一般是由于其微观结构的溃缩。其宏观表现为在等静压下体积的急剧缩小，可以利用这一原理通过等静压-体积变形率曲线得到固体材料的等静压强度。试样8在高压作用下有三个阶段，分别是弹性阶段、溃缩阶段、压溃阶段，其中，试样8在弹性阶段所能达到的最大压强即为试样8的等静压强度；又根据体积模量的定义可知，在弹性阶段的等静压-体积变形率曲线的斜率即是该材料的体积模量。因此，用户在获得了等静压-体积变形率曲线之后，便可以根据等静压-体积变形率曲线确定试样8的等静压强度及体积模量。
请参考图3，本申请还提供了一种等静压强度及体积模量的测试方法，该测试方法应用上述任意一种等静压强度及体积模量的测试系统，该测试方法包括以下步骤：
步骤s1、将待检测的试样8放置在高压容器2中，并排空高压容器2中的空气。具体的，将试样8置于高压容器2中，并封闭高压容器2。在实际操作中，可以利用输液装置3和阀门7来排空高压容器2中空气，例如，保持阀门7开启，启动输液装置3，如具体启动输液装置3的水泵32，向高压容器2中注满液体，直至阀门7出口不再有气泡冒出，关闭阀门7。在高压容器2中放置有试样8、并且充满液体后，开始测试。
步骤s2、通过输液装置3将储液罐1中的液体输送至高压容器2中。具体的，在测试过程中，控制输液装置3动作，如调整水泵32速率，使高压容器2中的压力以10mpa/min或者其他速率上升，进而驱动液体从储液罐1持续进入高压容器2。
步骤s3、通过液体量检测系统4检测储液罐1中的液体量，通过压力检测装置5检测高压容器2的压力。具体的，在进行步骤s2的过程中，使用控制系统6中的daq62和计算机61实时采集、处理、显示和储存高压容器2中的压力数据和储液罐1中的液体量数据。当高压容器2中的压力达到预定的最高测试压力时停止输液装置3的水泵32，并打开阀门7，测试结束。
步骤s4、根据液体量检测系统4检测到的液体量数据、压力检测装置5检测到的压力数据、试样8的原始体积、液体的密度确定试样8的等静压-体积变形率曲线。具体的，控制系统6根据获取到的各个参数，通过运算处理，自动生成试样8的等静压-体积变形率曲线。
需要说明的是，试样8的原始体积和液体的密度这两个数据可以预先确定，并预存或者临时输入至计算机61中。在实际操作中，试样8的原始体积可以通过尺寸测量的方式、或者排水法测定的方式进行确定；测试中所用的液体的密度可以通过实验或者查阅物理特性的方式确定。
进一步的，在一个实施例中，步骤s4中的根据液体量检测系统4检测到的液体量数据、压力检测装置5检测到的压力数据、试样8的原始体积、液体的密度确定试样8的等静压-体积变形率曲线的过程包括：
步骤s41、根据液体量数据和压力数据确定实测等静压-进液量数据。具体的，在上述测试后得到等静压-进液量数据，即高压容器2的压力与进液量的对应关系。
步骤s42、将实测等静压-进液量数据与基准等静压-进液量数据的差值作为实际等静压-进液量数据；其中，基准等静压-进液量数据为对未放置试样8的高压容器2进行空载实验所获得的数据。
具体的，基准等静压-进液量数据通过空载实验确定，具体操作方式如下：在高压容器2中未放置试样8的情况下，利用测试所用的液体将高压容器2中的空气排空，然后通过输液装置3将储液罐1中的液体运送至高压容器2中，并通过压力检测装置5和液体量检测系统4实时检测压力数据和液体量数据，并将数据发送至控制系统6，控制系统6根据数据确定空载状态下高压容器2的压力与进液量的对应关系，该对应关系即为基准等静压-进液量数据。基准等静压-进液量数据可以预存在控制系统6中，或者通过现场试验临时存储在控制系统6中。
实际等静压-进液量数据通过以下方式确定：在相同压力下，将有载测试过程中获得的进液量数据与空载条件下的进液量数据的代数差，作为实际进液量数据，将实际进液量数据与压力的对应关系确定为实际等静压-进液量数据。
步骤s43、根据实际等静压-进液量数据、液体的密度、试样8的原始体积确定等静压-体积变形率曲线。
具体的，利用实际等静压-进液量数据除以液体密度和试样8原始体积后，得到材料试样8的等静压-体积变形率数据。由此可以确定材料试样8的等静压强度及体积模量。
本实施例中，在测试过程中扣除了空载条件下的基准等静压-进液量数据，从而消除了高压容器2以及输液装置3的相关管线在高压下的形变、以及测试所用液体在高压下的微小压缩等因素，对测试结果干扰，从而提高测试的准确性。当然，若不考虑基准等静压-进液量数据对实验结果的影响，则可以直接将实测等静压-进液量数据作为实际等静压-进液量数据使用。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上对本发明所提供的等静压强度及体积模量的测试系统及测试方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
1.一种等静压强度及体积模量的测试系统，其特征在于，包括：
储液罐(1)，内部存放有不可压缩的液体；
高压容器(2)，用于放置待测试的试样(8)；
输液装置(3)，用于将所述储液罐(1)中的所述液体输送至所述高压容器(2)中，所述输液装置(3)的进液口与所述储液罐(1)连接，所述输液装置(3)的出液口与所述高压容器(2)连接；
液体量检测系统(4)，与控制系统(6)电连接、用于检测所述储液罐(1)中的液体量；
压力检测装置(5)，与所述控制系统(6)电连接、用于检测所述高压容器(2)的压力；
所述控制系统(6)，用于根据所述液体量检测系统(4)检测到的液体量数据、所述压力检测装置(5)检测到的压力数据、所述试样(8)的原始体积、所述液体的密度确定所述试样(8)的等静压-体积变形率曲线。
2.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，高压容器(2)设有用于排出气体和泄压的阀门(7)。
3.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述输液装置(3)包括输液管路(31)和设于所述输液管路(31)的水泵(32)，所述输液管路(31)的进液口与所述储液罐(1)连接，所述输液管路(31)的出液口与所述高压容器(2)连接。
4.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述控制系统(6)包括：
daq(62)，用于采集所述液体量数据和所述压力数据，所述称重系统、所述压力计分别与所述daq(62)连接；
计算机(61)，用于对所述液体量数据、所述压力数据、所述试样(8)的原始体积、所述液体的密度进行数据处理，并确定所述等静压-体积变形率曲线；所述计算机(61)与所述daq(62)连接。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的测试系统，其特征在于，所述液体量检测系统(4)为用于检测所述储液罐(1)的重量的称重系统。
6.一种等静压强度及体积模量的测试方法，其特征在于，应用于权利要求1至5任意一项所述的等静压强度及体积模量的测试系统，所述测试方法包括：
将待检测的所述试样(8)放置在所述高压容器(2)中，并排空所述高压容器(2)中的空气；
通过输液装置(3)将所述储液罐(1)中的所述液体输送至所述高压容器(2)中；
通过所述液体量检测系统(4)检测所述储液罐(1)中的液体量，通过所述压力检测装置(5)检测所述高压容器(2)的压力；
根据所述液体量检测系统(4)检测到的液体量数据、所述压力检测装置(5)检测到的压力数据、所述试样(8)的原始体积、所述液体的密度确定所述试样(8)的等静压-体积变形率曲线。
7.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于，所述根据所述液体量检测系统(4)检测到的液体量数据、所述压力检测装置(5)检测到的压力数据、所述试样(8)的原始体积、所述液体的密度确定所述试样(8)的等静压-体积变形率曲线的过程包括：
根据所述液体量数据和所述压力数据确定实测等静压-进液量数据；
将实测等静压-进液量数据与基准等静压-进液量数据的差值作为实际等静压-进液量数据；其中，所述基准等静压-进液量数据为对未放置所述试样(8)的所述高压容器(2)进行空载实验所获得的数据；
根据所述实际等静压-进液量数据、所述液体的密度、所述试样(8)的原始体积确定所述等静压-体积变形率曲线。
技术总结