CN103234898A - 一种在线施加载荷的烧蚀测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种在线施加载荷的烧蚀测试装置与方法，属于工程材料、结构形变及力学实验技术领域。该测试装置包括样品加持装置、载荷施加装置、载荷测量系统、氧乙炔加热装置、温度测量系统、图像采集处理系统。本发明涉及一种烧蚀试件载荷施加装置，并将该装置集成到烧蚀测试系统中，在材料烧蚀测试进行之前或过程中对材料进行加载，模拟材料实际工况，同时结合温度测量系统与图像采集处理系统，提供了一种对材料烧蚀过程进行在线定量加载及实验数据采集的装置与方法。该发明可实现对材料的氧化烧蚀过程的载荷定量施加测定、温度定量采集、动态烧蚀过程图像捕捉。

Description

一种在线施加载荷的烧蚀测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种在线施加载荷的烧蚀测试装置与方法，属于工程材料、结构形变及力学实验技术领域。 

背景技术

发动机是飞行器的核心部件，是影响飞行器工作性能的决定性因素之一。发动机工作环境恶劣，实际工况复杂，发动机材料及结构件对环境的响应存在耦合效应，其工作条件存在力-热-流-固耦合效应，而非单一因素的简单叠加。为此，各国在相应的重大材料研究计划中，都将材料的环境性能模拟作为主要内容，如美国1988年制定的飞机用复合材料计划、1990年NASA、DOE和DoD联合制定的先进热机陶瓷技术计划和日本1993年制定的未来汽轮发电机的先进材料计划(AMG)等都不约而同地要求建立材料的环境性能表征和数据库，并首先发展了环境模拟方法，其中包括实验模拟和数值模拟两方面。 

在实验模拟方面，目前存在两种方法：第一种是采用全环境因素试验，直接获取材料的试验结果。该方法的优点在于模拟方法和设备越来越逼近真实环境，但模拟设备的投资和环境考核试验的成本却成倍上升。第二种是从环境与材料相互作用的物理和化学本质出发，发展新型模拟理论与实验方法。这些方法的特点是以材料损伤与破坏的环境控制因素和材料性能控制因素为依据，将全环境因素模拟简化为控制因素的实验模拟。针对发动机用结构材料的环境与材料模拟，目前绝大部分的研究还集中在材料本身的物理化学性能，对材料的性质考核主要集中在烧蚀实验方面，而对于烧蚀过程中环境的耦合效应模拟考虑得不多。尤其是针对材料实际工作条件下的受力载荷的模拟，由于烧蚀实验本身的复杂性以及实验台搭建的困难，导致到目前并没有对材料在烧蚀条件下施加载荷的考虑，而这与材料的实际工况存在明显差距，因此无法更加准确地模拟描述材料在真实工作环境下的响应。因此开展在线加载这方面的工作非常重要。 

发明内容

本发明的目的是提供一种在线施加载荷的烧蚀测试装置与方法。该装置可在线对材料或结构件进行载荷施加，模拟材料或结构件的实际受力情况，并在此条件下进行烧蚀实验，同时能够对实验过程中施加的载荷进行定量测定、温度定量采集、动态烧蚀过程图像捕捉；并在此装置基础上提出材料或结构件在载荷施加条件下的烧蚀测试方法。 

本发明的技术方案如下： 

一种在线施加载荷的烧蚀测试装置，其特征在于：该测试装置包括样品加持装置、载荷施加装置、载荷测量系统、氧乙炔加热装置、温度测量系统、图像采集处理系统；所述样品夹持装置包括上夹头和下夹头，上、下夹头分别与上连杆和下连杆固定连接；所述载荷施加 装置包括底座、支架、中连杆、加载头、加载旋钮；所述载荷测量系统包括第一力传感器、第二力传感器、第三力传感器和载荷处理显示器，第一力传感器、第二力传感器和第三力传感器分别通过第一数据线、第二数据线和第三数据线与载荷处理显示器相连接；中连杆和样品夹持装置中的下连杆可以通过上下调节器来上下移动，满足不同大小试件的夹持；所述的载荷施加装置的加载头可以通过更换不同形式的加载头，实现点加载、线加载以及面加载；载荷施加可以在实验前也可以在实验中在线进行；载荷施加装置与样品加持装置组成一个整体；所述的载荷测量系统通过第一力传感器、第二力传感器、第三力传感器对上连杆、中连杆和下连杆的应变进行测量，并将得到的数据通过第一数据线、第二数据线、第三数据线传递到载荷处理显示器进行处理；所述温度测量系统包括红外测温仪和控制该红外测温仪的计算机；所述图像采集处理系统装置包括工业摄像机，但不仅局限于工业摄像机，根据测试精度的要求不同，普通摄像机、工业CCD也能够满足要求。 

一种在线施加载荷的烧蚀测试方法，其特征在于该方法包括如下步骤：在烧蚀之前，利用图像采集处理系统17拍摄一幅常温下样品表面的图像，作为参考图像；通过载荷施加装置对样品6进行加载，并记录载荷处理显示器14的载荷读数；通过氧乙炔加热装置对样品6表面进行加热烧蚀，同时利用图像采集处理系统17开始进行实时拍摄，同时红外测温仪15也同步开始进行实时温度测量，并记录初始拍摄和温度测量的时刻；在烧蚀过程中，通过载荷施加装置中的加载旋钮13在线调节载荷的大小，满足预先设计好的载荷加载条件；进行一段时间实验之后，记录实验结束的时刻，并同时停止拍摄和测温；利用数字图像相关方法对图像采集处理系统17采集得到的样品烧蚀后的图像与初始得到的图像进行对比分析处理，计算得到样品烧蚀后的应力应变，分析加载条件下材料的烧蚀结果。 

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：设计了一种在线施加载荷的装置，并将该装置集成到烧蚀测试系统中，能够在材料烧蚀测试进行之前或过程中对材料进行实时在线加载，根据实际工况进行载荷调节，进而模拟材料工作的实际受力情况，提供更接近于实际工况的材料受力模拟效果；同时结合温度测量系统与图像采集处理系统，可实现对材料的氧化烧蚀过程的温度定量采集、动态烧蚀过程图像捕捉。 

附图说明

图1为本发明提供的一种集成载荷施加装置的烧蚀测试装置的结构原理示意图。 

图中：1-烧蚀实验台；2-底座；3-支架；4-氧乙炔加热装置；5-氧乙炔火焰喷头；6-样品；7a-上夹头；7b-下夹头；8a-上连杆；8b-中连杆；8c-下连杆；9-加载头；10a-第一力传感器；10b-第二力传感器；10c-第三力传感器；11a-第一数据线；11b-第二数据线；11c-第三数据线；12-上下调节器；13-加载旋钮；14-载荷处理显示器；15-红外测温仪；16-计算机；17-图像采集处理系统。 

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体结构、工作过程和实施方式。 

图1是一种在线施加载荷的烧蚀测试装置的结构原理示意图，该测试装置包括样品加持 装置、载荷施加装置、载荷测量系统、氧乙炔加热装置4、温度测量系统、图像采集处理系统17；所述样品夹持装置包括上夹头7a和下夹头7b，所述载荷施加装置包括底座2、支架3、上连杆8a、中连杆8b、下连杆8c、加载头9和加载旋钮13，上连杆8a、中连杆8b、下连杆8c安装在支架3上；上夹头7a和下夹头7b分别与上连杆8a和下连杆8c固定连接；所述载荷测量系统包括第一力传感器10a、第二力传感器10b、第三力传感器10c和载荷处理显示器14，第一力传感器10a、第二力传感器10b和第三力传感器10c分别通过第一数据线11a、第二数据线11b和第三数据线11c与载荷处理显示器14相连接；氧乙炔加热装置包括氧气和乙炔气体混合导管4和喷嘴5；所述温度测量系统包括用于测量试件表面温度的红外测温仪15和控制该红外测温仪的计算机16；所述图像采集处理系统17采用工业摄像机、普通摄像机或工业CCD。其中，所述的载荷施加装置的中连杆8b和样品夹持装置中的下连杆8c通过上下调节器12上下移动，满足对不同大小试件的夹持；所述的载荷施加装置的加载头9的结构包括不同形式的加载头，实现点加载、线加载以及面加载；所述的载荷测量系统通过第一力传感器10a、第二力传感器10b、第三力传感器10c对上连杆8a、中连杆8b和下连杆8c的应变进行测量，并将得到的数据通过第一数据线11a、第二数据线11b、第三数据线11c传递到载荷处理显示器14进行处理；载荷施加可以在实验前，也可以在实验中进行，满足不同的实际加载条件。 

一种集成载荷施加装置的烧蚀测试方法，该方法包括如下步骤： 

1，在烧蚀之前，利用图像采集处理系统17拍摄一幅常温下样品表面的图像，作为参考图像； 

2，通过载荷施加装置对样品6进行加载并记录载荷处理显示器14的载荷读数； 

3，通过氧乙炔加热装置4对样品6表面进行加热烧蚀，通过调节氧气和乙炔的不同流量比例，得到不同的热流密度，进而得到不同的烧蚀温度；同时利用图像采集处理系统17开始进行实时拍摄，并针对高温条件加装不同的滤波片对图像进行滤波处理，同时红外测温仪15也同步开始进行实时温度测量，并记录初始拍摄和温度测量的时刻； 

4，在烧蚀过程中，通过载荷施加装置中的加载旋钮13实时在线调节载荷的大小，满足预先设计好的载荷加载条件； 

5，实验完毕，关闭氧乙炔火焰，记录实验完成的时刻，同时停止拍摄和测温，根据记录初始拍摄和温度测量的时间以及记录实验完成的时刻计算出烧蚀实验进行的时间； 

6，利用数字图像相关方法对图像采集处理系统17采集得到的样品烧蚀后的图像与初始参考图像进行对比分析处理，对于未变形前的目标图像每一点(x,y)具有一个灰度值f(x,y)，变形后目标图像子区中每一点(x′,y′)具有一个新的灰度值g(x′,y′)，通过以下相关函数 

$C_{f,g}\left(\stackrel{\→}{p}\right)=\frac{\underset{x=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}[f(x,y)-f_m]\×[g(x^{\′},y^{\′})-g_m]}{\sqrt{\underset{x=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{[f(x,y)-f_m]}^2}\sqrt{\underset{x=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{[g(x^{\′},y^{\′})-g_m]}^2}}$

其中(x,y)表示变形前的坐标，(x′,y′)表示变形后的坐标，M表示选定的图像子区域宽度的一半，f(x,y)表示变形前的灰度值函数，g(x′,y′)表示变形后的灰度值函数，f_m表示变形前的平均灰度值，g_m表示变形后的平均灰度值，

其中u、v分别表示位移，

表示相关函数，通过对相关函数

求极值，可求得每一点的位移(u,v)，通过局部最小二乘拟合原理可以由位移场进一步计算出应变场(ε_x,ε_y,γ_xy)； 

7，根据以下公式，（其中E是材料的弹性模量，μ是泊松比，σ_x,σ_y,τ_xy） 

${\mathrm{\σ}}_x=\frac{E}{1-{\mathrm{\μ}}^2}({\mathrm{\ϵ}}_x+\mathrm{\μ}{\mathrm{\ϵ}}_y)$

${\mathrm{\σ}}_y=\frac{E}{1-{\mathrm{\μ}}^2}({\mathrm{\ϵ}}_y+\mathrm{\μ}{\mathrm{\ϵ}}_x)$

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}=\frac{E}{2(1+\mathrm{\μ})}{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{xy}}$

可以计算出烧蚀过程中材料的应力场； 

8，根据实验过程中的时间记录，对应图像采集处理系统17在相应时刻采集的图像，同时对比初始参考图形，结合步骤6和步骤7计算出烧蚀过程中不同时刻材料的应变场和应力场。 

Claims (5)

1.一种在线施加载荷的烧蚀测试装置，其特征在于：该测试装置包括样品加持装置、载荷施加装置、载荷测量系统、氧乙炔加热装置、温度测量系统和图像采集处理系统（17）；所述样品夹持装置包括上夹头（7a）和下夹头（7b）；所述载荷施加装置包括底座（2）、支架（3）、上连杆（8a）、中连杆（8b）、下连杆（8c）、加载头（9）和加载旋钮（13），上连杆（8a）、中连杆（8b）、下连杆（8c）安装在支架（3）上；上夹头（7a）和下夹头（7b）分别与上连杆（8a）和下连杆（8c）固定连接；所述载荷测量系统包括第一力传感器（10a）、第二力传感器（10b）、第三力传感器（10c）和载荷处理显示器（14），第一力传感器（10a）、第二力传感器（10b）和第三力传感器（10c）分别通过第一数据线（11a）、第二数据线（11b）和第三数据线（11c）与载荷处理显示器（14）相连接；氧乙炔加热装置包括氧气和乙炔气体混合导管（4）和喷嘴（5）；所述温度测量系统包括用于测量试件表面温度的红外测温仪（15）和控制该红外测温仪的计算机（16）。

2.按照权利要求1所述的一种在线施加载荷的烧蚀测试装置，其特征在于：所述的载荷施加装置的中连杆（8b）和样品夹持装置中的下连杆（8c）通过上下调节器（12）上下移动。

3.按照权利要求1所述的一种在线施加载荷的烧蚀测试装置，其特征在于：所述的载荷施加装置的加载头（9）的结构包括点加载、线加载和面加载。

4.按照权利要求1所述的一种在线施加载荷的烧蚀测试装置，其特征在于：所述的图像采集处理系统（17）采用工业摄像机、普通摄像机或工业CCD，并针对高温条件加装不同的滤波片对图像进行滤波处理。

5.一种采用如权利要求1所述的装置的在线施加载荷的烧蚀测试方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1）在烧蚀之前，利用图像采集处理系统（17）拍摄一幅常温下样品表面的图像，作为参考图像；

2）通过载荷施加装置对样品（6）进行加载，并记录载荷处理显示器（14）的载荷读数；

3）通过氧乙炔加热装置对样品（6）表面进行加热烧蚀，同时利用图像采集处理系统（17）开始进行实时拍摄，同时红外测温仪（15）也同步开始进行实时温度测量，并记录初始拍摄和温度测量的时刻；

4）在烧蚀过程中，通过载荷施加装置中的加载旋钮（13）在线调节载荷的大小，满足预先设计好的载荷加载条件；

5）进行一段时间实验之后，记录实验结束的时刻，并同时停止拍摄和测温；利用数字图像相关方法对图像采集处理系统（17）采集得到的样品烧蚀后的图像与初始得到的图像进行对比分析处理，计算得到样品烧蚀后的应变场和应力场，分析加载条件下材料的烧蚀结果。

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