一種材料流變模型分析儀及建立材料流變模型的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種材料流變模型分析儀，包括置于環(huán)境溫度控制箱的樣品室，樣品室內(nèi)設(shè)有試驗材料、薄片和熱敏電阻；薄片與鋼帶連接，鋼帶穿過導(dǎo)輪與磁流變液中的上金屬塊連接，磁流變液中的下金屬塊通過鋼帶與拉力傳感器、微型電機、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、計算機依次連接；在薄片與導(dǎo)輪之間的鋼帶上設(shè)有平衡砝碼，在導(dǎo)輪與上金屬塊之間的鋼帶上設(shè)有光衰減器；在導(dǎo)輪的下方設(shè)有He?Ne激光器，He?Ne激光器發(fā)出的激光信號經(jīng)光衰減器后被CCD電荷耦合器接收，CCD電荷耦合器與信號放大器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、計算機依次連接。本發(fā)明還公開了一種建立材料流變模型的方法。本發(fā)明能通過材料流變模型的建立，以預(yù)測材料在不同條件下的流變特性。
【專利說明】
一種材料流變模型分析儀及建立材料流變模型的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于材料流變學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種材料流變模型分析儀及建立材料流變 模型的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 流變儀是用于測試材料的流變特性，以指導(dǎo)材料的開發(fā)、加工及應(yīng)用?，F(xiàn)有的流變 儀有:旋轉(zhuǎn)流變儀、毛細管流變儀、動態(tài)剪切流變儀、彎曲梁流變儀。旋轉(zhuǎn)流變儀用于測試恒 定溫度下的液體粘度，通過測試不同溫度下的液體粘度，可以獲得材料的粘溫特性;毛細管 流變儀用于測試恒定溫度下的聚合物熔體粘度，可以反映聚合物的高溫流變特性;動態(tài)剪 切流變儀主要用于測試材料的粘彈特性，可以獲得材料的復(fù)數(shù)剪切模量和相位角；彎曲梁 流變儀通過對材料進行低溫彎曲蠕變勁度的測試，得到材料的低溫流變特性。由于材料在 成型和使用過程中，所處的溫度環(huán)境、應(yīng)力應(yīng)變條件是變化的，依靠現(xiàn)有功能單一的材料流 變儀無法準(zhǔn)確模擬材料流變特性的試驗條件，因此無法全面掌握材料的流變特性。
[0003] 在流變學(xué)研究中，流變模型常用彈性元件、粘性元件和塑性元件這三個基本元件 來表示，將多個基本元件(二元件、三元件、四元件、???、n元件)通過不同串并聯(lián)方式組 合的流變模型就能夠模擬不同材料的粘彈塑性變形，即流變特性。一旦獲得了某材料的流 變方程及其流變參數(shù)，對于給定的應(yīng)力或應(yīng)變條件，通過數(shù)學(xué)運算即可得到給定應(yīng)力或應(yīng) 變條件下的應(yīng)變(或應(yīng)力）隨時間的變化關(guān)系，從而預(yù)測材料的流變特性。但是迄今還沒有 一種通過測試材料流變性能就能建立其流變模型和流變參數(shù)的流變儀。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種材料流變模型分析儀及建立材料流變模 型的方法，該分析儀和方法能為材料流變特性試驗提供不同溫度、不同應(yīng)力條件下的材料 流變數(shù)據(jù)，能建立材料的流變模型，獲得模型參數(shù)，以預(yù)測材料在不同條件下的流變特性。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0006] -種材料流變模型分析儀，包括置于環(huán)境溫度控制箱的樣品室，所述樣品室內(nèi)設(shè) 有試驗材料，以及預(yù)埋在試驗材料內(nèi)的薄片和熱敏電阻；
[0007] 所述薄片與第一鋼帶的一端連接，第一鋼帶的另一端穿過導(dǎo)輪與磁流變液中的上 金屬塊連接，磁流變液中的下金屬塊通過第二鋼帶與拉力傳感器連接，所述拉力傳感器與 微型電機、第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器、計算機依次連接;在薄片與導(dǎo)輪之間的第一鋼帶上設(shè)有平衡砝 碼，在導(dǎo)輪與上金屬塊之間的第一鋼帶上設(shè)有光衰減器;在導(dǎo)輪的下方設(shè)有He-Ne激光器， He-Ne激光器發(fā)出的激光信號經(jīng)光衰減器后被CCD電荷耦合器接收，所述CCD電荷耦合器與 信號放大器、第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器、計算機依次連接；
[0008] 所述熱敏電阻通過溫控裝置與計算機連接。
[0009] 更進一步的方案是，所述第一鋼帶與導(dǎo)輪鑄成一體。
[0010] 更進一步的方案是，所述環(huán)境溫度控制箱內(nèi)設(shè)有導(dǎo)熱介質(zhì)。
[0011] 更進一步的方案是，所述導(dǎo)熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油。
[0012] 更進一步的方案是，所述樣品室用于盛放試驗材料，薄片垂直置于試驗材料中，且 薄片為矩形。
[0013] 樣品室、環(huán)境溫度控制箱、導(dǎo)熱介質(zhì)、熱敏電阻、溫控裝置組成環(huán)境條件控制系統(tǒng)， 用于控制試驗材料的溫度。薄片、第一鋼帶、導(dǎo)輪、磁流變液、上金屬塊、下金屬塊、平衡砝 碼、第二鋼帶、微型電機、拉力傳感器組成加卸載控制系統(tǒng)，加卸載控制系統(tǒng)能對置于試驗 材料中的薄片施加恒定剪應(yīng)力，實時采集在加卸載過程中試驗材料的應(yīng)變，獲得試驗材料 在恒定剪應(yīng)力條件下應(yīng)變與時間之間的定量關(guān)系。He-Ne激光器、光衰減器、CCD電荷耦合 器、信號放大器、第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器組成試驗數(shù)據(jù)實時采集裝置，用于對薄片的位移進行采 集。
[0014] 將試驗材料放置在樣品室中，并在其中央垂直埋設(shè)一薄片，通過微型電機、拉力傳 感器對薄片施加恒定拉力，使薄片對試驗材料產(chǎn)生均勻恒定的剪切力，通過電磁流變液控 制拉力的加卸載，通過He-Ne激光器、光衰減器、CCD電荷耦合器組成薄片的位移測量系統(tǒng)， 實時采集薄片受力后的瞬時位移、撥出位移及拉力卸載后的回復(fù)位移。
[0015]計算機通過與環(huán)境條件控制系統(tǒng)、加卸載控制系統(tǒng)、試驗數(shù)據(jù)實時采集裝置相連 接，智能建立試驗材料的流變模型、自動確定試驗材料的流變參數(shù)。
[0016] 本材料流變模型分析儀的工作原理為:將試驗材料放置在環(huán)境溫度控制箱中的樣 品室里，并在其中央垂直埋設(shè)一薄片，設(shè)置好測試參數(shù)(包括測試溫度、拉力、剪切時間）;靜 止一段時間；待其達到設(shè)定溫度后，控制拉力大小，對薄片施加恒定拉力，使薄片對試驗材 料產(chǎn)生均勻恒定的剪切力;保持一段時間后卸載(通過電磁流變液控制拉力的加卸載），通 過He-Ne激光器、梯形光衰減器、CCD陣列探測器組成的位移測量系統(tǒng)實時采集薄片受力后 的瞬時位移、撥出位移及拉力卸載后的薄片回復(fù)位移，計算機根據(jù)上述數(shù)據(jù)(測試溫度、拉 力、位移）自動轉(zhuǎn)換為試驗全過程的應(yīng)變-時間曲線;根據(jù)內(nèi)置流變模型庫和內(nèi)置求解算法 對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到內(nèi)置流變模型庫中每個流變模型的應(yīng)變隨時間變化的擬合數(shù)據(jù) 及其初始模型參數(shù)，并根據(jù)擬合數(shù)據(jù)繪制內(nèi)置流變模型庫中每個流變模型的仿真流變曲 線;根據(jù)不同模型的仿真流變曲線與試驗應(yīng)變_時間曲線的吻合程度，選出與試驗應(yīng)變-時 間曲線最吻合的流變模型及其仿真流變曲線，并確定相應(yīng)的模型參數(shù)。
[0017] 本發(fā)明還提供一種建立材料流變模型的方法，包括如下步驟：
[0018] 1)、設(shè)定溫度、拉力、拉力加載時間參數(shù)；
[0019] 2)、實時采集薄片受力后的瞬時位移、拔出位移及拉力卸載后的薄片回復(fù)位移；
[0020] 3)、使試樣材料在設(shè)定的溫度和拉力加卸載條件下進行試驗，得到應(yīng)變隨時間變 化的試驗數(shù)據(jù)，并繪制試驗過程的應(yīng)變-時間曲線；
[0021] 4)、遞歸內(nèi)置流變模型庫中的流變模型，通過內(nèi)置求解算法對試驗數(shù)據(jù)進行擬合， 得到內(nèi)置流變模型庫中每個流變模型的應(yīng)變隨時間變化的擬合數(shù)據(jù)及其初始模型參數(shù)，并 根據(jù)擬合數(shù)據(jù)繪制內(nèi)置流變模型庫中每個流變模型的仿真流變曲線；
[0022] 5 )、分別計算試驗數(shù)據(jù)與內(nèi)置流變模型庫中每個流變模型的擬合數(shù)據(jù)的應(yīng)變方 差，最小方差對應(yīng)的擬合數(shù)據(jù)的內(nèi)置流變模型庫中的流變模型即為試驗材料的流變模型， 并從流變模型庫中自動獲得其流變方程；
[0023 ] 6 )、存儲并輸出試驗材料的流變模型及其仿真流變曲線、流變方程和模型參數(shù)。
[0024]更進一步的方案是，所述內(nèi)置流變模型庫包含由粘性元件、彈性元件和塑性元件 通過不同串并聯(lián)方式組合的二元件、三元件、四元件、五元件、六元件和七元件的流變模型 及其流變方程。
[0025]更進一步的方案是，所述內(nèi)置求解算法包括正規(guī)方程、QR分解、SVD分解、梯度下 降、高斯-牛頓、列文伯格-馬夸爾特。
[0026] 更進一步的方案是，所述初始模型參數(shù)包括流變模型中的粘性元件的粘度、彈性 元件的剪切彈性模量和塑性元件的極限剪切應(yīng)力。
[0027] -種建立材料流變模型的裝置，包括：
[0028]用于設(shè)定溫度、拉力、拉力加載時間參數(shù)的參數(shù)設(shè)定模塊，
[0029]用于實時采集薄片受力后的瞬時位移、拔出位移及拉力卸載后的薄片回復(fù)位移的 位移采集模塊，
[0030]用于使試樣材料在設(shè)定的溫度和拉力加卸載條件下進行試驗，得到應(yīng)變隨時間變 化的試驗數(shù)據(jù)，并繪制試驗過程的應(yīng)變-時間曲線的繪制曲線模塊，
[0031 ]用于遞歸內(nèi)置流變模型庫中的流變模型，通過內(nèi)置求解算法對試驗數(shù)據(jù)進行擬 合，得到內(nèi)置流變模型庫中每個流變模型的應(yīng)變隨時間變化的擬合數(shù)據(jù)及其初始模型參 數(shù)，并根據(jù)擬合數(shù)據(jù)繪制內(nèi)置流變模型庫中每個流變模型的仿真流變曲線的曲線擬合模塊 及繪制仿真流變曲線模塊，
[0032]用于分別計算試驗數(shù)據(jù)與內(nèi)置流變模型庫中每個流變模型的擬合數(shù)據(jù)的應(yīng)變方 差，最小方差對應(yīng)的擬合數(shù)據(jù)的內(nèi)置流變模型庫中的流變模型即為試驗材料的流變模型， 并從流變模型庫中自動獲得其流變方程的模型辨識模塊，
[0033 ]用于存儲并輸出試驗材料的流變模型及其仿真流變曲線、流變方程和模型參數(shù)的 存儲及輸出模塊。
[0034] 更進一步的方案是，所述曲線擬合模塊包括流變模型庫和求解算法。所述流變模 型庫包含由粘性元件、彈性元件和塑性元件通過不同串并聯(lián)方式組合的二元件、三元件、四 元件、五元件、六元件和七元件的流變模型及其流變方程。所述求解算法包括正規(guī)方程、QR 分解、SVD分解、梯度下降、高斯-牛頓、列文伯格-馬夸爾特。
[0035] 更進一步的方案是，所述模型辨識模塊能計算試驗數(shù)據(jù)與擬合數(shù)據(jù)間的應(yīng)變方 差，并通過最小方差來確定與試驗材料流變特性最吻合的流變模型及流變模型參數(shù)。所述 模型辨識模塊的辨識方式包括專家模式、智能模式，以適應(yīng)不同用戶需求。
[0036]本發(fā)明的有益效果在于：
[0037] 本發(fā)明通過測試材料在恒定溫度和拉力條件下應(yīng)變隨時間的變化關(guān)系，建立材料 的流變模型，即可預(yù)測材料在不同條件下的流變特性。
[0038] 采用電磁流變液控制拉力的加卸載，電磁流變液在磁場的作用下，懸浮于磁流變 液中的軟磁性粒子會被磁化，后沿磁感線方向排列，形成有序結(jié)構(gòu)的剛體，瞬間從液態(tài)變?yōu)?固態(tài)，上金屬塊和下金屬塊被固定，微型電機產(chǎn)生的力可順利傳輸為對薄片產(chǎn)生的拉力；當(dāng) 磁場消失，磁流變液瞬間成為液態(tài)，上金屬塊和下金屬塊回復(fù)自由，此時對薄片產(chǎn)生的拉力 消失;采用電磁流變液控制拉力的加卸載可實現(xiàn)無沖擊加卸載，防止了加卸載時初始沖擊 動能對測試結(jié)果的影響，以準(zhǔn)確獲得材料的瞬時彈性形變；
[0039] 采用He-Ne激光器、光衰減器、(XD電荷耦合器組成的光柵位移測量系統(tǒng)，使試樣材 料在形變、回復(fù)過程中位移數(shù)據(jù)采集更加精確可靠，使得材料流變曲線的建立更加精準(zhǔn)；
[0040] 本發(fā)明適用范圍廣，能用于建立有機高分子材料、無機非金屬材料和復(fù)合材料等 材料的流變模型，以用于預(yù)測其在不同加工和使用溫度條件下的流變特性，指導(dǎo)材料的加 工與應(yīng)用；
[0041] 本發(fā)明可用于測試粘彈性材料在恒定剪切應(yīng)力下的應(yīng)變隨時間的變化曲線；
[0042]剪切力的加卸載，數(shù)據(jù)采集、模型的建立全部實現(xiàn)自動化，效率高，準(zhǔn)確性強。
【附圖說明】
[0043]圖1是本發(fā)明的一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖2是加載恒定剪切力的曲線圖；
[0045] 圖3是根據(jù)原始試驗數(shù)據(jù)生成試驗應(yīng)變一時間曲線圖；
[0046] 圖4是某一模型的仿真流變曲線與試驗應(yīng)變一時間曲線的吻合程度圖；
[0047]圖5是識別出的最能準(zhǔn)確反映該材料流變特性的流變模型。
[0048]圖中：1、樣品室，2、熱敏電阻，3、溫控裝置，4、環(huán)境溫度控制箱，5、薄片，6-1、第一 鋼帶，6-2、第二鋼帶，7、平衡砝碼，8、導(dǎo)輪，9、磁流變液，10、拉力傳感器，11、微型電機，12、 He-Ne激光器，13、光衰減器，14、CCD電荷耦合器，15、信號放大器，16、第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器，17、 計算機，18-1、上金屬塊，18-2，下金屬塊，19、第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器，20、試驗材料。
【具體實施方式】
[0049]下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明的實施例。
[0050]參見圖1，一種材料流變模型分析儀，包括置于環(huán)境溫度控制箱4的樣品室1，樣品 室1內(nèi)設(shè)有試驗材料20,以及預(yù)埋在試驗材料20內(nèi)的薄片5和熱敏電阻2;薄片5垂直置于試 驗材料20中；
[0051]薄片5與第一鋼帶6-1的一端連接，第一鋼帶6-1的另一端穿過導(dǎo)輪8與磁流變液9 (包括磁性粒子和非磁導(dǎo)性溶液）中的上金屬塊18-1連接，磁流變液9中的下金屬塊18-2通 過第二鋼帶6-2與拉力傳感器10連接，拉力傳感器10與微型電機11、第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器19、計 算機17依次連接;在薄片5與導(dǎo)輪8之間的第一鋼帶6-1上設(shè)有平衡砝碼7,在導(dǎo)輪8與上金屬 塊18-1之間的第一鋼帶6-1上設(shè)有光衰減器13;在導(dǎo)輪8的下方設(shè)有He-Ne激光器12，He_Ne 激光器12發(fā)出的激光信號經(jīng)光衰減器13后被(XD電荷耦合器14接收，C⑶電荷耦合器14與信 號放大器15、第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器16、計算機17依次連接；
[0052]熱敏電阻2通過溫控裝置3與計算機17連接。
[0053]本發(fā)明中，為了使微型電機11產(chǎn)生的力能傳遞至薄片5上，可使第一鋼帶6-1與導(dǎo) 輪8鑄成一體，在運動過程中，第一鋼帶6-1不與導(dǎo)輪8產(chǎn)生相對滑移。為了保證樣品室1的溫 度均勻，可在環(huán)境溫度控制箱4內(nèi)設(shè)導(dǎo)熱介質(zhì)。在較佳實施例中，為了較好地控制實驗材料 的溫度，所述導(dǎo)熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油。
[0054]樣品室1、環(huán)境溫度控制箱4、導(dǎo)熱介質(zhì)、熱敏電阻2、溫控裝置3組成環(huán)境條件控制 系統(tǒng)，用于控制試驗材料的溫度。薄片5、第一鋼帶6-1、導(dǎo)輪8、磁流變液9、上金屬塊18-1、下 金屬塊18-2、平衡砝碼7、第二鋼帶6-2、微型電機11、拉力傳感器10、第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器19組成 加卸載控制系統(tǒng)，加卸載控制系統(tǒng)能對置于試驗材料20中的薄片5施加恒定剪應(yīng)力，實時采 集在加卸載過程中試驗材料的應(yīng)變。He-Ne激光器12、光衰減器13、CCD電荷耦合器14、信號 放大器15、第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器16組成試驗數(shù)據(jù)實時采集裝置，用于對薄片5的位移進行采集。 計算機17用于控制加卸載控制系統(tǒng)、環(huán)境條件控制系統(tǒng)，以及用于接收薄片5的位移數(shù)據(jù)。 [0055]采用上述材料流變模型分析儀建立材料流變模型的方法，包括如下步驟：
[0056] 1)、設(shè)定溫度、拉力、拉力加載時間參數(shù)；
[0057] 2)、控制溫控裝置使環(huán)境溫度箱保持在設(shè)定的溫度;控制微型電機使樣品室內(nèi)的 薄片受到恒定的設(shè)定拉力，使薄片對試樣材料產(chǎn)生均勻恒定剪切力;保持設(shè)定時間(拉力加 載時間）后，通過磁流變液進行卸載;在上述過程中，通過He-Ne激光器、光衰減器、CCD電荷 耦合器實時采集薄片受力后的瞬時位移、拔出位移及拉力卸載后的薄片回復(fù)位移，并將上 述位移信息傳遞給計算機；
[0058] 3)、使試樣材料在設(shè)定的溫度和拉力加卸載條件下進行試驗，計算機得到應(yīng)變隨 時間變化的試驗數(shù)據(jù)，并繪制試驗過程的應(yīng)變-時間曲線；
[0059] 4 )、遞歸內(nèi)置流變模型庫中的流變模型(所述內(nèi)置流變模型庫包含由粘性元件、彈 性元件和塑性元件通過不同串并聯(lián)方式組合的二元件、三元件、四元件、五元件、六元件和 七元件的流變模型及其流變方程），通過內(nèi)置求解算法(所述內(nèi)置求解算法包括正規(guī)方程、 QR分解、SVD分解、梯度下降、高斯-牛頓、列文伯格-馬夸爾特)對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到內(nèi) 置流變模型庫中每個流變模型的應(yīng)變隨時間變化的擬合數(shù)據(jù)及其初始模型參數(shù)(所述初始 模型參數(shù)包括流變模型中的粘性元件的粘度、彈性元件的剪切彈性模量和塑性元件的極限 剪切應(yīng)力），并根據(jù)擬合數(shù)據(jù)繪制內(nèi)置流變模型庫中每個流變模型的仿真流變曲線；
[0060] 5 )、分別計算試驗數(shù)據(jù)與內(nèi)置流變模型庫中每個流變模型的擬合數(shù)據(jù)的應(yīng)變方 差，最小方差對應(yīng)的擬合數(shù)據(jù)的內(nèi)置流變模型庫中的流變模型即為試驗材料的流變模型， 并從流變模型庫中自動獲得其流變方程；
[0061 ] 6)、存儲并輸出試驗材料的流變模型及其仿真流變曲線、流變方程和模型參數(shù)。
[0062] -種建立材料流變模型的裝置，包括：
[0063]用于設(shè)定溫度、拉力、拉力加載時間參數(shù)的參數(shù)設(shè)定模塊，
[0064]用于實時采集薄片受力后的瞬時位移、拔出位移及拉力卸載后的薄片回復(fù)位移的 位移采集模塊，
[0065] 用于使試樣材料在設(shè)定的溫度和拉力加卸載條件下進行試驗，得到應(yīng)變隨時間變 化的試驗數(shù)據(jù)，并繪制試驗過程的應(yīng)變-時間曲線的繪制曲線模塊，
[0066] 用于遞歸內(nèi)置流變模型庫中的流變模型，通過內(nèi)置求解算法對試驗數(shù)據(jù)進行擬 合，得到內(nèi)置流變模型庫中每個流變模型的應(yīng)變隨時間變化的擬合數(shù)據(jù)及其初始模型參 數(shù)，并根據(jù)擬合數(shù)據(jù)繪制內(nèi)置流變模型庫中每個流變模型的仿真流變曲線的曲線擬合模塊 及繪制仿真流變曲線模塊，
[0067] 用于分別計算試驗數(shù)據(jù)與內(nèi)置流變模型庫中每個流變模型的擬合數(shù)據(jù)的應(yīng)變方 差，最小方差對應(yīng)的擬合數(shù)據(jù)的內(nèi)置流變模型庫中的流變模型即為試驗材料的流變模型， 并從流變模型庫中自動獲得其流變方程的模型辨識模塊，
[0068] 用于存儲并輸出試驗材料的流變模型及其仿真流變曲線、流變方程和模型參數(shù)的 存儲及輸出模塊。
[0069] 取一種瀝青材料作為試驗材料，進行流變性能測試分析：
[0070] 將瀝青試驗材料成型在樣品室1中，并在其中央埋設(shè)一薄片5,設(shè)定測試溫度、保溫 時間，調(diào)零(通過平衡砝碼7調(diào)節(jié)導(dǎo)輪8兩端平衡），后設(shè)定拉力大小，及作用時間；
[0071] 保溫結(jié)束后，開始測試，薄片5開始受到一垂直向上的作用力，使得薄片5對瀝青試 驗材料產(chǎn)生恒定剪切力（
?（F為拉力大小，S為埋沒在材料中的薄片總面積，r為剪切 力）），保持一定時間后卸載(如圖2)，實時采集薄片5受力后的瞬時位移、受力過程中的位 移、卸載瞬時位移、及卸載后薄片5的回復(fù)位移隨時間的變化，獲得原始試驗數(shù)據(jù)；
[0072] 根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制試驗應(yīng)變一時間曲線（如圖3);根據(jù)內(nèi)置流變模型庫和內(nèi)置求 解算法對應(yīng)變-時間試驗數(shù)據(jù)進行擬合，以確定每個內(nèi)置流變模型的模型參數(shù)，并根據(jù)擬合 數(shù)據(jù)繪制每個流變模型的仿真流變曲線;根據(jù)不同流變模型的仿真流變曲線與試驗應(yīng)變-時間曲線的吻合程度(如圖4)，識別出最能準(zhǔn)確反映該材料流變特性的流變模型（如圖5)， 并自動獲得其流變方程;存儲并輸出最吻合的流變模型及其仿真流變曲線、流變方程和模 型參數(shù)。
【主權(quán)項】
1. 一種材料流變模型分析儀，其特征在于:包括置于環(huán)境溫度控制箱的樣品室，所述樣 品室內(nèi)設(shè)有試驗材料，以及預(yù)埋在試驗材料內(nèi)的薄片和熱敏電阻； 所述薄片與第一鋼帶的一端連接，第一鋼帶的另一端穿過導(dǎo)輪與磁流變液中的上金屬 塊連接，磁流變液中的下金屬塊通過第二鋼帶與拉力傳感器連接，所述拉力傳感器與微型 電機、第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器、計算機依次連接;在薄片與導(dǎo)輪之間的第一鋼帶上設(shè)有平衡砝碼， 在導(dǎo)輪與上金屬塊之間的第一鋼帶上設(shè)有光衰減器;在導(dǎo)輪的下方設(shè)有He-Ne激光器，He-Ne激光器發(fā)出的激光信號經(jīng)光衰減器后被CCD電荷親合器接收，所述CCD電荷親合器與信號 放大器、第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器、計算機依次連接； 所述熱敏電阻通過溫控裝置與計算機連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料流變模型分析儀，其特征在于:所述第一鋼帶與導(dǎo)輪鑄成 一體。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料流變模型分析儀，其特征在于:所述環(huán)境溫度控制箱內(nèi)設(shè) 有導(dǎo)熱介質(zhì)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的材料流變模型分析儀，其特征在于:所述導(dǎo)熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油。5. -種建立材料流變模型的方法，其特征在于包括如下步驟： 1 )、設(shè)定溫度、拉力、拉力加載時間參數(shù)； 2) 、實時采集薄片受力后的瞬時位移、拔出位移及拉力卸載后的薄片回復(fù)位移； 3) 、使試樣材料在設(shè)定的溫度和拉力加卸載條件下進行試驗，得到應(yīng)變隨時間變化的 試驗數(shù)據(jù)，并繪制試驗過程的應(yīng)變-時間曲線； 4) 、遞歸內(nèi)置流變模型庫中的流變模型，通過內(nèi)置求解算法對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到 內(nèi)置流變模型庫中每個流變模型的應(yīng)變隨時間變化的擬合數(shù)據(jù)及其初始模型參數(shù)，并根據(jù) 擬合數(shù)據(jù)繪制內(nèi)置流變模型庫中每個流變模型的仿真流變曲線； 5) 、分別計算試驗數(shù)據(jù)與內(nèi)置流變模型庫中每個流變模型的擬合數(shù)據(jù)的應(yīng)變方差，最 小方差對應(yīng)的擬合數(shù)據(jù)的內(nèi)置流變模型庫中的流變模型即為試驗材料的流變模型，并從流 變模型庫中自動獲得其流變方程； 6 )、存儲并輸出試驗材料的流變模型及其仿真流變曲線、流變方程和模型參數(shù)。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于:所述內(nèi)置流變模型庫包含由粘性元件、彈 性元件和塑性元件通過不同串并聯(lián)方式組合的二元件、三元件、四元件、五元件、六元件和 七元件的流變模型及其流變方程。7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于:所述內(nèi)置求解算法包括正規(guī)方程、QR分解、 SVD分解、梯度下降、高斯-牛頓、列文伯格-馬夸爾特。8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于:所述初始模型參數(shù)包括流變模型中的粘性 元件的粘度、彈性元件的剪切彈性模量和塑性元件的極限剪切應(yīng)力。9. 一種建立材料流變模型的裝置，其特征在于包括： 用于設(shè)定溫度、拉力、拉力加載時間參數(shù)的參數(shù)設(shè)定模塊， 用于實時采集薄片受力后的瞬時位移、拔出位移及拉力卸載后的薄片回復(fù)位移的位移 采集模塊， 用于使試樣材料在設(shè)定的溫度和拉力加卸載條件下進行試驗，得到應(yīng)變隨時間變化的 試驗數(shù)據(jù)，并繪制試驗過程的應(yīng)變-時間曲線的繪制曲線模塊， 用于遞歸內(nèi)置流變模型庫中的流變模型，通過內(nèi)置求解算法對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得 到內(nèi)置流變模型庫中每個流變模型的應(yīng)變隨時間變化的擬合數(shù)據(jù)及其初始模型參數(shù)，并根 據(jù)擬合數(shù)據(jù)繪制內(nèi)置流變模型庫中每個流變模型的仿真流變曲線的曲線擬合模塊及繪制 仿真流變曲線模塊， 用于分別計算試驗數(shù)據(jù)與內(nèi)置流變模型庫中每個流變模型的擬合數(shù)據(jù)的應(yīng)變方差，最 小方差對應(yīng)的擬合數(shù)據(jù)的內(nèi)置流變模型庫中的流變模型即為試驗材料的流變模型，并從流 變模型庫中自動獲得其流變方程的模型辨識模塊， 用于存儲并輸出試驗材料的流變模型及其仿真流變曲線、流變方程和模型參數(shù)的存儲 及輸出模塊。
【文檔編號】G01N11/00GK105910958SQ201610223185
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月12日
【發(fā)明人】余劍英, 曹志龍, 薛理輝, 吳少鵬, 張煌, 劉剛, 晏石林, 徐雄, 王嘉賦
【申請人】武漢理工大學(xué)