[发明专利]一种气动热‑力耦合环境下材料高温力学性能测试设备

说明书

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。