復合推進劑微型試件拉伸試驗系統研制

李高春， 黃衛東， 趙龍輝， 楊 能， 王玉峰， 劉著卿

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

電子拉伸試驗機是獲取材料力學性能必不可少的試驗儀器。通過拉伸試驗能夠得到材料的抗拉強度、伸長率等性能參數以及拉伸應力應變曲線，了解上述參數就可以確定材料是否滿足設計要求，并且也可將這些參數作為材料力學性能好壞的標志[1]。

目前使用較多的電子拉伸試驗機由專門廠家生產，價格相對較貴，笨重，試樣尺寸大、材料消耗多。另外，電子拉伸試驗機功能和操作步驟復雜，不利于開展自主性試驗。隨著材料技術的發展，人們為了了材料局部力學特性，需要開展微型結構拉伸試驗研究，特別對于復合推進劑這種非均質材料，有必要開展微型結構拉伸和動態觀察試驗[2-6]，掌握其力學性能與微觀結構的關系。國內根據材料性能測試的特點，開發了多種類型的微型拉伸試驗機[7-11]，但難以直接應用于復合推進劑試件的微型拉伸試驗。

本文設計了應用于復合推進劑單向拉伸的微型拉伸試驗系統，包括拉伸試驗機械平臺、運動控制系統以及數據采集系統等，實現了復合推進劑微型拉伸試驗的力學性能測試，為開展微型復合推進劑拉伸力學性能試驗奠定了基礎。

1 微型拉伸試驗系統總體功能

拉伸試驗設備包括硬件系統和軟件系統，軟硬件系統配合實現載荷和位移的采集。微型拉伸系統主要結構包括機械平臺、運動控制系統、傳感器系統和數據采集系統，見圖1。在進行拉伸試驗中，試樣用機械平臺上的夾具夾牢，計算機輸出信號給運動控制器，運動控制器控制電機，電機驅動機械平臺動架進行運動，拉伸過程中試件受到載荷作用時，力傳感器輸出加載在試件上的載荷，通過信號調理電路送給數據采集卡，數據采集卡采集數據經計算機軟件處理后得到拉伸應力應變曲線和材料性能參數。

圖1 微型拉伸試驗系統總體設計

(1) 機械平臺:包括動架、靜架等機械平臺以及動架微定位調整的微定位調整機構，依據試樣的尺寸、形狀，設計能夠與之相匹配的夾具，用以夾持試件。

(2) 運動控制系統:包括步進電機、運動控制卡和信號調理模塊。運動控制卡是運動控制器的核心，是控制拉伸機械平臺中動架移動的關鍵設備。對運動控制卡的要求：合理設置運動參數與運動速度，可以使平臺進行完整的拉伸過程。信號調理模塊可以調節運動控制卡，包括參數的重新設置、拉伸速度的調節等細節處理。

(3) 傳感器系統:力傳感器將載荷轉變成毫伏級電壓并輸出，經橋式電路放大器放大信號，然后輸入數據采集卡。

(4) 數據采集系統:對在拉伸狀態下的復合推進劑試件進行實時的載荷采集，繪制出對應的應力-應變曲線。同時數據采集系統還需滿足運動控制功能，即控制拉伸機構進行試樣的拉伸等。

根據復合推進劑微型試件拉伸試驗需求，確定要求如下:推進劑微型試件尺寸為厚2 mm、寬4 mm、長25 mm，測量的應變范圍為0.1%～300%，極限載荷小于50 N，測量溫度為常溫。

2 組件設計及裝配

2.1 機械平臺

拉伸試驗系統機械平臺的整體框架(見圖2)是平臺搭建的主體，總體框架的搭建充分考慮其他裝置在平臺的放置位置與方式。整體臺架總體規劃時，預留出安裝相關部件的空間。根據系統功能，最終選定平臺的總體框架的拉伸長度為380 mm，此段距離留有一定的余地，主要是考慮到動平臺的體積以及夾具、傳感器以及試件的基本長度，還要考慮此段距離是否足夠將試件拉斷。為了使平臺動架能夠做直線運動，所以在底座的底部表面安裝導軌，方便后續設計。

圖2 機械平臺整體框架圖

機械平臺左端為固定平臺，平臺上放置夾具、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；右端為運動平臺，平臺上同樣放置夾具，通過兩邊的夾具對所測試件進行夾持，然后控制運動平臺的左右運動，使平臺實現拉伸功能。將傳感器、T型支架和夾具裝配好的拉伸系統見圖3。裝配時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

2.2 運動控制系統

控制系統實現物體的運動的控制，通常包括運動控制卡和步進電機，為了實現對運動控制卡的控制，還需要與計算機相連，計算機與運動控制卡采用RS232接口轉換得到。通過RS232串行接口連接，向運動控制卡發出相應控制指令。運動控制卡接受計算機的指令后，進行相應的操作，完成有關動作。運動控制系統組成框圖見圖4。

圖4 運動控制系統組成框圖

2.3 數據采集系統

根據系統相關需求，軟件的功能模塊主要有狀態檢測模塊、數據采集模塊、運動控制模塊、數據分析模塊和數據記錄模塊等，圖5為數據采集系統軟件框圖。框圖顯示軟件操作與處理的大致流程，該流程充分考慮實驗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、參數設置、控制采集、數據分析、存儲與顯示。為了使軟件結構和功能更加完整，方便操作者理解和使用采集系統軟件，增強可使用性，同時也使滿足系統的各項要求，在主路的各部分分別設有硬件狀態監測、運動狀態監測、歷史試驗數據的查看等子功能部件。復合推進劑微型拉伸試驗數據采集系統的軟件部分使用LabVIEW圖形化編程語言[12]，根據系統的總體要求進行模塊化的程序設計。

圖5 數據采集系統軟件框圖

3 功能測試及結果分析

對系統調試機械平臺、運動控制系統以及數據采集系統的功能進行測試。具體步驟如下:

(1) 測量微型試件的長度和尺寸；

(2) 將微型推進劑試件固定在夾具上，首先固定傳感器一端，夾住微型試件，然后手動移動平臺，使平臺移動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) 開啟微型拉伸試驗數據采集系統，輸入復合推進劑微型試件的厚度和寬度，開始進行測試，圖6(b)給出了復合推進劑試件的拉伸過程，從圖中可以看出，夾具很好地夾住微型試件；

(4) 進行試驗，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，采集系統保存相關位移和載荷數據，并根據幾何關系，換算成應力-應變關系。

通過數據采集系統得到的應力-應變曲線符合推進劑的拉伸應力-應變曲線，見圖7。由圖7可知，拉伸應力-應變曲線分為拉伸直線區，平臺區和軟化區。拉伸試驗平臺能夠滿足50 N以內的復合推進劑試件的拉伸試驗，實現了相應的功能，系統運行平穩。

圖6 拉伸試驗過程

圖7 拉伸應力應變曲線

4 結論

根據復合推進劑微型拉伸試驗要求，搭建了微型拉伸機械平臺，與數據采集系統配合，對微型復合推進劑試件進行了拉伸試驗，實現了復合推進劑微型試樣的拉伸應力-應變曲線的測定和性能測試。調試表明，運動控制系統能有效地對機械平臺進行控制，拉伸機械平臺運行平穩，數據采集系統能有效進行載荷的測量以及應力-應變曲線等實時顯示。參考文獻(References)

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