CN107727487A - 一种气动热‑力耦合环境下材料高温力学性能测试设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种气动热‑力耦合环境下材料高温力学性能测试设备，属于材料高温力学性能测试技术领域。该设备包括主机框架、力学加载系统和夹具水冷系统，主机框架采用双立柱设计，力学加载系统的油缸机构下端穿过主机框架的上横梁并以螺纹形式与其固定，力学加载系统的上拉杆、上夹具等连接在油缸机构下端，力学加载系统的其他部件依次与下横梁连接。夹具水冷系统为力学加载系统中的样品夹持机构降温。该设备在传统的电液伺服技术基础上设计了能够配合集束射流气动‑热力耦合环境模拟试验舱的力学主机，具有独特结构设计并融合多项先进测试技术，可很好的实现集束射流气动‑热力耦合环境下陶瓷材料的超高温力学性能测试。
Description
技术领域
本发明涉及一种气动热-力耦合环境下材料高温力学性能测试设备，属材料高温力学性能测试分析特别是飞行器结构材料气动热-力耦合环境下的高温力学性能测试分析。
背景技术
当飞行器在稠密大气中作超音速飞行时，受激波与机体间高温压缩气体的加热和机体表面与空气强烈摩擦的影响，飞行器蒙皮的温度会随飞行马赫数(M)的提高而急剧上升，航空界把飞行器作高速飞行时所遭遇到的这种高温情况称之为“热障”。
气动加热造成的“热障”具有瞬态(短时)高温的特征，这种瞬态高温环境有别于稳态(长时)高温的作用，会对飞行器结构材料性能产生重要的影响。在这一过程中，飞行器结构材料的机械强度不仅受到温度、时间的影响，而且与升温速率密切相关。因此，飞行器结构材料常规的稳态(长时)高温力学性能不能体现其在“热障”环境下的特征。
在飞行器的设计和研制过程中，为确认飞行器结构材料是否能经得起高速飞行时“热障”所产生的热冲击及高温热应力的破环，必须对材料进行该环境下的热强度分析。但是由于温度和时间因素的共同参与，使“热障”环境下材料的强度问题变得极其复杂。同时由于物质的惯性，瞬态高温条件下，“瞬态”给予材料的能量来不及改变材料的承力系统，即分子的微观结构和内聚力。这种情况下，虽然从量子力学的微观分析可以获得各种情况下材料机械强度的定性结果，但真正有用的数据却要靠自己对材料的快速加热机械测定才能求得。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种气动热-力耦合环境下材料高温力学性能测试设备，通过配合已有集束射流气动-热力耦合环境模拟试验舱的独特加载主机设计，以实现飞行器结构材料近飞行过程下气动热-力耦合环境下材料高温力学性能测试。
该设备包括主机框架、力学加载系统和夹具水冷系统。
主机框架包括上横梁、下横梁、左立柱、右立柱和立柱升降锁紧机构，下横梁通过环境模拟试验舱底座下端预埋的钢管穿过底座，定位并使力学加载轴中心位于环境模拟试验舱高温中心位置；左立柱和右立柱下端以螺纹形式固定于下横梁上，左立柱和右立柱上端穿过上横梁。上横梁和下横梁、左立柱和右立柱构成一个传统的双立柱门框框架结构，作为力学加载的主机支撑。为保证力学性能试验结束后兼顾环境模拟试验舱的其他测试功能，主机框架上横梁采用可升降式设计，左立柱和右立柱上均配置立柱升降锁紧机构。
力学加载系统包括油源、油缸机构、上拉杆、上夹具、上夹具过渡段、下夹具过渡段、下夹具、MTS对中机构、下拉杆、力值传感器和连接部件，油源为油缸机构供油，油缸机构下端穿过上横梁并以螺纹形式与上横梁固定，上拉杆、上夹具、上夹具过渡段依次自上而下连接在油缸机构下端，连接部件、力值传感器、下拉杆、MTS对中机构、下夹具、下夹具过渡段依次自下而上与下横梁连接；上夹具、上夹具过渡段、下夹具、下夹具过渡段构成样品夹持机构，测试样品采用挂钩式连接在上夹具过渡段和下夹具过渡段之间。
考虑到飞行器结构用陶瓷或碳碳复合材料试样制备加工的难度，测试样品尽可能小。力学加载系统中的样品夹持机构采用五段式挂钩设计，在上夹具、下夹具和测试样品之间设计上夹具过渡段和下夹具过渡段，该过渡段根据试验温度的不同选择不同温抗的高温结构材料，而且可以根据测试样品的尺寸调节过渡段的长度和直径，灵活方便。
为保证夹具试验过程中的高温强度，力学加载系统中的样品夹持机构采用水冷设计。夹具水冷系统包括水冷机组和水冷管路，水冷机组通过水冷管路分别与上拉杆和下拉杆连接，达到试验过程中夹具冷却的作用。
力学加载系统的上拉杆穿过环境模拟试验舱的上端盖，并与上夹具连接。为保证试验过程中上拉杆与环境模拟舱的动态密封，环境模拟试验舱的上端盖穿孔处设计一个方型法兰盘，方型法兰盘以橡胶垫圈形式与环境模拟试验舱上端盖密封。
力学加载系统的上拉杆上设计上拉杆法兰盘，并配置波纹管，波纹管上端法兰与上拉杆法兰盘密封连接，波纹管下端法兰与环境模拟试验舱的上端盖穿孔处的方型法兰盘密封连接，完成力学加载主机与环境模拟试验舱的动态密封。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明在已有的飞行器“热障”环境模拟试验装置------集束射流气动-热力耦合环境模拟试验舱基础上，基于传统的电液伺服技术，设计了能够配合环境模拟舱的独特力学主机，并将基于激光散斑的非接触式变形测量技术和红外热像温度测量技术引入的材料高温动态力学性能过程，以实现飞行器结构材料近飞行过程下气动热-力耦合环境下材料高温力学性能测试。
本发明气动热-力耦合环境下材料高温力学性能测试设备通过与集束射流气动-热力耦合环境模拟试验舱的配合，以及环境模拟参数选择，可实现材料室温到2500K，最大升温速率50K/s气动热-力耦合环境下的拉伸、蠕变、疲劳等力学性能测试。与现有高温力学性能测试设备相比，本发明的特点在于，能够模拟飞行器的真实服役环境，实现最高2500K气动热-力耦合环境下材料力学性能测试。
附图说明
图1为本发明的气动热-力耦合环境下材料高温力学性能测试设备结构示意图；
图2为本发明实施例中高温合金GH3039力学性能测试过程中的温度变化曲线；
图3为本发明实施例中高温合金GH3039气动热-力耦合环境下的拉伸曲线；
图4为本发明实施例中用于温度测量的红外热像仪记录的高温合金GH3039气动热-力耦合环境下拉伸性能测试过程中颈缩现象。
其中：1-环境模拟试验舱；2-底座；3-下横梁；4-上横梁；5-左立柱；6-右立柱；7-立柱升降锁紧机构；8-水冷机组；9-油源；10-油缸机构；11-上拉杆；12-上夹具；13-测试样品；14-下夹具过渡段；15-MTS对中机构；16-下拉杆；17-力值传感器；18-连接部件；19-上夹具过渡段；20-下夹具；21-水冷管路；22-上拉杆法兰盘；23-波纹管；24-方型法兰盘。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种气动热-力耦合环境下材料高温力学性能测试设备。
如图1所示，该设备中下横梁3通过环境模拟试验舱1底座2下端预埋的钢管穿过底座2，定位并使力学加载轴中心位于环境模拟试验舱1高温中心位置；左立柱5和右立柱6下端以螺纹形式固定于下横梁3上，左立柱5和右立柱6上端穿过上横梁4；
油源9为油缸机构10供油，油缸机构10下端穿过上横梁4并以螺纹形式与上横梁4固定，上拉杆11、上夹具12、上夹具过渡段19依次自上而下连接在油缸机构10下端，连接部件18、力值传感器17、下拉杆16、MTS对中机构15、下夹具20、下夹具过渡段14依次自下而上与下横梁3连接，上夹具12、上夹具过渡段19、下夹具20、下夹具过渡段14构成样品夹持机构，测试样品13位于上夹具过渡段19和下夹具过渡段14之间；
水冷机组8通过水冷管路21分别与上拉杆11和下拉杆16连接。
其中，力学加载系统样品夹持机构采用五段式挂钩设计，上夹具12和下夹具20之间设计上夹具过渡段19和下夹具过渡段14，测试样品13采用挂钩形式连接在上夹具过渡段19和下夹具过渡段14之间。
主机框架上横梁4采用可升降式设计，左立柱5和右立柱6上均配置立柱升降锁紧机构7。
力学加载系统的上拉杆11穿过环境模拟试验舱1的上端盖，并与上夹具12连接。
环境模拟试验舱1的上端盖穿孔处设计一个方型法兰盘24，方型法兰盘24以橡胶垫圈形式与环境模拟试验舱1上端盖密封。
力学加载系统的上拉杆11上设计上拉杆法兰盘22，并配置波纹管23，波纹管23上端法兰与上拉杆法兰盘22密封连接，波纹管23下端法兰与环境模拟试验舱1的上端盖穿孔处的方型法兰盘24密封连接。
在具体实施过程中，首先制备GH3039测试样品，进行测试前样品、设备的安装调试准备工作。一切就绪后，启动集束射流气动热-力耦合环境模拟试验舱，待样品温度达到1523K并稳定后，如图2所示，开启气动热-力耦合环境下材料高温力学性能测试设备力学加载系统，进行GH3039材料1523K气动热-力耦合环境下的拉伸性能测试，测试结果如图3和图4所示。
从实施例所得到的GH3039材料1523K气动热-力耦合环境下的拉伸性能数据和变形行为来看，其强度、塑性等均符合材料理论评估数据。
综上所述，本发明可以实现材料气动热-力耦合环境下材料力学性能测试，测试结果符合理论评估。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种气动热-力耦合环境下材料高温力学性能测试设备，其特征在于：包括主机框架、力学加载系统和夹具水冷系统，其中，主机框架包括上横梁(4)、下横梁(3)、左立柱(5)、右立柱(6)和立柱升降锁紧机构(7)，下横梁(3)通过环境模拟试验舱(1)底座(2)下端预埋的钢管穿过底座(2)，定位并使力学加载轴中心位于环境模拟试验舱(1)高温中心位置；左立柱(5)和右立柱(6)下端以螺纹形式固定于下横梁(3)上，左立柱(5)和右立柱(6)上端穿过上横梁(4)；
力学加载系统包括油源(9)、油缸机构(10)、上拉杆(11)、上夹具(12)、上夹具过渡段(19)、下夹具过渡段(14)、下夹具(20)、MTS对中机构(15)、下拉杆(16)、力值传感器(17)和连接部件(18)，油源(9)为油缸机构(10)供油，油缸机构(10)下端穿过上横梁(4)并以螺纹形式与上横梁(4)固定，上拉杆(11)、上夹具(12)、上夹具过渡段(19)依次自上而下连接在油缸机构(10)下端，连接部件(18)、力值传感器(17)、下拉杆(16)、MTS对中机构(15)、下夹具(20)、下夹具过渡段(14)自下而上与下横梁(3)连接，上夹具(12)、上夹具过渡段(19)、下夹具过渡段(14)和下夹具(20)共同构成样品夹持机构，测试样品(13)位于上夹具过渡段(19)和下夹具过渡段(14)之间；
夹具水冷系统包括水冷机组(8)和水冷管路(21)，水冷机组(8)通过水冷管路(21)分别与上拉杆(11)和下拉杆(16)连接。
2.根据权利要求1所述的气动热-力耦合环境下材料高温力学性能测试设备，其特征在于：所述主机框架上横梁(4)采用可升降式设计，左立柱(5)和右立柱(6)上均配置立柱升降锁紧机构(7)。
3.根据权利要求1所述的气动热-力耦合环境下材料高温力学性能测试设备，其特征在于：所述力学加载系统中的样品夹持机构采用五段式挂钩设计，在上夹具(12)、下夹具(20)和测试样品(13)之间设计上夹具过渡段(19)和下夹具过渡段(14)，测试样品(13)采用挂钩式连接在上夹具过渡段(19)和下夹具过渡段(14)之间。
4.根据权利要求1所述的气动热-力耦合环境下材料高温力学性能测试设备，其特征在于：所述力学加载系统的上拉杆(11)穿过环境模拟试验舱(1)的上端盖，并与上夹具(12)连接。
5.根据权利要求1所述的气动热-力耦合环境下材料高温力学性能测试设备，其特征在于：所述环境模拟试验舱(1)的上端盖穿孔处设计一个方型法兰盘(24)，方型法兰盘(24)以橡胶垫圈形式与环境模拟试验舱(1)上端盖密封。
6.根据权利要求5所述的气动热-力耦合环境下材料高温力学性能测试设备，其特征在于：所述力学加载系统的上拉杆(11)上设计上拉杆法兰盘(22)，并配置波纹管(23)，波纹管(23)上端法兰与上拉杆法兰盘(22)密封连接，波纹管(23)下端法兰与环境模拟试验舱(1)的上端盖穿孔处的方型法兰盘(24)密封连接。
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