发明内容

针对现有技术中缺乏成熟可行的固体推进剂、炸药等具有粘弹性特性的含能材料蠕变性能试验装置和试验方法，本发明旨在提供一种测试含能材料纯剪切蠕变性能的试验方法和装置，用于突破当前研究中存在的不足，以提高对于固体推进剂、炸药等含能材料粘弹性性能的认识，为进一步建立本构关系、评估贮存工况下该类材料所制造药柱等结构完整性提供数据支撑。本发明的核心涉及试验件构型、试验夹具设计、试验装置设计和试验系统搭建以及相应试验方法的提出。

本发明一种测试含能材料纯剪切蠕变性能的装置，包括测试夹具套件，所述测试夹具套件包括匹配相连的上夹具和下夹具，上夹具和下夹具围成的区域为试验件夹持区域；

所述上夹具包括上夹具体及与支撑架固定相连的上夹持部，所述上夹持部远离支撑架的一端与上夹具体固定相连，所述上夹具体上设置有用于固定试验件一端的上容置开口，所述上容置开口内设置有试验件固定装置；

所述下夹具包括下夹具体及下夹持部，所述下夹具体通过设置在试验件夹持区域内的试验件与上夹具体相连，下夹具体上设置有用于固定试验件另一端的下容置开口，所述上容置开口和下容置开口位于同一竖直高度上，且上容置开口和下容置开口相对设置，下容置开口内同样设置有试验件固定装置；

所述上夹持部、试验件夹持区域及下夹持部在沿竖直方向从上至下对应设置。

优选地，上夹具体和下夹具体均包括水平设置的连接长臂和连接短臂，所述连接短臂的一端通过竖直设置的中间连接臂固定相连；

上夹具体的连接长臂设置在上夹具体上的连接短臂上方，下夹具体的连接长臂设置在下夹具体的连接短臂下方；

上夹具体上的连接长臂、连接短臂及中间连接臂围成的区域为上容置开口，下夹具体上的连接长臂、连接短臂及中间连接臂围成的区域为下容置开口；

上夹具体上的连接长臂和下夹具体上的连接长臂长度相等，上夹具体上的连接短臂和下夹具体上的连接短臂长度相等，且连接短臂的长度小于连接长臂一半的长度。

优选地，上夹具体上的中间连接臂和下夹具体上的中间连接臂长度相等；

当试验件的一端固定设置在上容置开口中，另一端固定设置在下容置开口中时，上夹具体的连接短臂与下夹具体的连接长臂相抵，下夹具体的连接短臂与上夹具体的连接长臂相抵。

优选地，试验件固定装置包括顶紧螺栓，与上夹具体相连的顶紧螺栓为上顶紧螺栓，与下夹具体相连的顶紧螺栓为下顶紧螺栓；

所述上顶紧螺栓穿过上夹具体的连接长臂后并伸入上容置开口内与试验件相抵，下顶紧螺栓穿过下夹具体的连接长臂后并伸入下容置开口内与试验件相抵，所述上顶紧螺栓与上夹具体的连接长臂螺纹相连，下顶紧螺栓与下夹具体的连接长臂螺纹相连。

优选地，试验件固定装置还包括调节夹块，设置在上容置开口内的调节夹块为上调节夹块，设置在下容置开口内的调节夹块为下调节夹块；

所述上调节夹块设置在上顶紧螺栓与试验件之间，下调节夹块设置在下顶紧螺栓与试验件之间。

优选地，还包括定位板，所述下夹具体的连接长臂上设置有V形凹槽，定位板竖直设置，且定位板的竖直向下的一端卡合在下夹具体的连接长臂上的V形凹槽内；

所述试验件为板状试验件，所述试验件包括左夹持部和右夹持部，左夹持部和右夹持部分别通过梯形变形部与标距部相连，标距部的宽度小于左夹持部或右夹持部的宽度，两个梯形变形部和标距部形成试验件两侧面上的V形凹槽；

当左夹持部设置在上容置开口内，右夹持部设置在下容置开口内时，下夹具体的连接长臂上的V形凹槽与试验件上的V形凹槽位置相对应，定位板竖直向下的一端卡合在下夹具体的连接长臂上的V形凹槽内，另一端卡合在试验件朝向下夹具体的连接长臂的一面上的V形凹槽内，且定位板的一端面与上夹具体上的连接短臂的端面相抵。

优选地，下夹具体的连接长臂上设置有加载装置；

所述加载装置为砝码，砝码上端面设置有挂钩，砝码通过挂钩与设置在下夹具体的连接长臂上的吊环与下夹具体相连；

下夹具体的连接长臂的中间位置设置有销孔，所述吊环通过与销孔匹配的销轴与下夹具体的连接长臂相连，且V形凹槽的对称中心面与销轴中心轴线所在垂面位于同一平面内；

还包括用于测量形变量的激光测距仪，激光测距仪上固定连接有发射头，所述发射头与激光测距仪电连接，激光测距仪固定设置在砝码底部，且发射头在竖直方向上朝远离砝码的方向伸出。

优选地，上夹持部为上夹持板，下夹持部为下夹持板，所述上夹持板与上夹具体上的连接长臂一体成型，所述下夹持板与下夹具体上的连接长臂通过螺栓固定相连。

优选地，还包括支撑架，所述支撑架上设置有若干个测试夹具套件，所述支撑架包括水平设置的夹具吊装横梁，所述夹具吊装横梁的两端上固定连接有安装套筒，安装套筒内设置有内螺纹，所述安装套筒通过伸缩支撑杆连接有三脚架底座，伸缩支撑杆与安装套筒螺纹相连；

所述测试夹具套件上的上夹持部均通过连接销与夹具吊装横梁相连。

一种测试含能材料纯剪切蠕变性能的方法，包括准静态纯剪切加载下含能材料的抗剪强度测试方法和纯剪切加载下含能材料的蠕变变形和累积损伤测试方法；

所述准静态纯剪切加载下含能材料的抗剪强度测试方法包括如下步骤：

步骤（1）：加工适用于含能材料纯剪切加载下力学性能试验的板状试验件；

步骤（2）：将板状试验件的一端设置在一种测试含能材料纯剪切蠕变性能的装置的上容置开口内，另一端设置在下容置开口内，并利用试验件固定装置固定板状试验件；

步骤（3）：将上夹具的上夹持部和下夹具的下夹持部分别与准静态材料试验机的上夹持端和下夹持端相连，并将装夹板状试验件的一种测试含能材料纯剪切蠕变性能的装置设置在温湿度箱内；

步骤（4）：调试准静态材料试验机所配备温湿度箱的位置、所配备上夹持端和下夹持端的位置，使得准静态材料试验机的上夹持端和下夹持端的位置处于所述温湿度箱的中部区域；

步骤（5）：将准静态材料试验机的上夹持端和下夹持端分别与一种测试含能材料纯剪切蠕变性能的装置的上夹持部和下夹持部在竖直方向上相连，然后，将板状试验件的一端通过试验件固定装置固定设置在下容置开口内，另一端通过试验件固定装置固定设置在上容置开口内；

步骤（6）：根据含能材料加工制造的药柱的贮存环境和使用工况，设定温湿度箱内温度和湿度；

步骤（7）：根据含能材料蠕变变形时所对应的应变率范围，设定准静态材料试验机的加载速率；

步骤（8）：基于装配好板状试验件的准静态材料试验机的测试系统和控制软件，开展预设温湿度条件以及加载速率条件的准静态纯剪切加载下的含能材料的力学性能试验，直至所述板状试验件完全断裂，记录含能材料变形时的载荷和位移情况，换算为该材料的纯剪切应力-应变曲线，并直接从曲线上确定相应试验工况下的最大剪应力，即抗剪强度；

纯剪切加载下含能材料的蠕变变形和累积损伤测试方法，包括如下步骤：

步骤（1）：加工适用于含能材料的纯剪切蠕变变形和累积损伤测试的板状试验件；

步骤（2）：加工适用于含能材料多试件长时纯剪切蠕变性能试验的一种测试含能材料纯剪切蠕变性能的装置；

步骤（3）：拆除下夹具的下夹持部，将满足试验要求数量的测试夹具套件与夹具吊装横梁相连，在测试夹具套件中安装板状试验件，安装板状试验件时，将板状试验件的一端设置在上容置开口内，另一端对应设置在下容置开口内，并利用试验件固定装置固定板状试验件；

步骤（4）：根据纯剪切蠕变试验应力水平下板状试验件在竖直方向上的预估变形量，调整装夹有板状验件的一种测试含能材料纯剪切蠕变性能的装置在竖直方向上的位置，并紧固固定；

步骤（5）：将装配好板状试验件的一种测试含能材料纯剪切蠕变性能的装置放置于恒温恒湿箱内；

板状试验件在设定应力水平下的竖直方向上的预估变形量、一种测试含能材料纯剪切蠕变性能的装置上的加载装置高度及测量形变量部件高度之和小于恒温恒湿箱内部工作区域的高度；

步骤（6）：根据含能材料加工制造的药柱的贮存环境和使用工况，设定恒温恒湿箱工作区域温度和湿度；

步骤（7）：根据所述准静态纯剪切加载下含能材料的抗剪强度测试方法获得的抗剪强度，确定测试纯剪切加载下含能材料的蠕变性能的应力水平；

然后根据确定的蠕变性能的应力水平，调节加载装置的载荷；

步骤（8）：开始试验，板状试验件沿竖直方向向下运动变形；

板状试验件沿竖直方向向下运动同时，一种测试含能材料纯剪切蠕变性能的装置上的用于测量形变量的激光测距仪发射头开始工作，直至所述板状试验件拉断，实时记录发射头与所述恒温恒湿箱内部工作区域底部的距离和时间；

步骤（9）：基于记录的距离和时间，计算板状试验件的变形量随时间的变化关系；

步骤（10）：基于变形量随时间变化关系，计算某应力水平下的剪切蠕变应变随时间t变化情况，以及蠕变速率、蠕变柔量、蠕变断裂时间和累积损伤量D；

累积损伤量计算表达式为：

其中：D为累积损伤量；和分别为恒定纯剪切应力和对应的断裂时间或蠕变寿命；N为勒贝格应力范数，即使得材料在单位时间内发生纯剪切蠕变失效所需要的剪切蠕变应力水平；为线性累积损伤指数，当累积损伤量D=1时，对应时间为纯剪切蠕变断裂或破坏时间，即t=。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下所示：

1.本发明所述装置的构型和结构均比较简单，测试方法简便易行，通用性较强，可实现纯剪切加载下固体推进剂、炸药等多种含能材料抗剪强度、蠕变性能的测试，突破了目前含能材料纯剪切蠕变性能测试方法不足的局限，且能够满足长时稳定可靠测试的需求。

2.本发明基于纯剪切试验获得的抗剪强度确定纯剪切蠕变性能试验的应力水平，应力水平的设置能够更精准地涵盖从低到高的范围，能更全面地揭示固体推进剂、炸药等含能材料在不同纯剪切应力水平下的蠕变性能，以提高开展所述蠕变试验的针对性。

3.本发明装置，通过调节夹块压紧试验件，避免在试验件上打孔、直接夹持试验件以造成应力集中等现象的问题，减少了因试验件固定而造成的额外损伤，提高了试验结果的可靠性；此外，通过下夹具在竖直方向上支撑起上夹具，避免了试验前由于上夹具的重力对试验件造成的额外损伤，进一步提高了试验结果的可靠性。

4.本发明装置可同时满足多个所述板状试验件的测试，不仅可通过同一测试条件下求平均方法，降低试验结果误差，而且试验周期明显缩短，测试效率得到较大提高，试验成本和时间成本显著降低。

5.本发明采用激光测距仪通过测试相对位移来计算所述板状试验件的变形量，进而确定纯剪切蠕变应变随加载时间的变化关系，该方法相较传统引伸计、标尺等方法，既能够保证实时监测，提高测试精度，而且更简便，且能够避免形变测量装置与试验件直接相接触，即降低对试验件初始损伤的引入。

6.本发明通过所述可伸缩底座支撑杆调节所述夹具吊装横梁的高度，以满足不同应力水平时，固体推进剂、炸药等含能材料蠕变变形量的测试，且适应于不同恒温恒湿箱工作区域的高度，即实现对试验过程中温度和湿度的充分控制，以提高试验结果的可靠性。

7.本发明所述装置能够保证在重力作用下，试验过程中时刻给试验件施加纯剪切蠕变应力载荷。