CN103308395A - 超高温外伸式变形测量装置 - Google Patents

Abstract

一种超高温环境下单轴拉伸试验外伸式变形测量装置。包括高温炉(1)，环境室小箱(2)，上加载拉杆(3)，下加载拉杆(4)，圆环套筒(5)，夹具(6)，上卡环(8)，下卡环(9)，第一连接销(11)，引伸杆(12)，上托架(13)，下托架(14)，螺栓(15)，滚动轴承(16)，第二连接销(17)，导向槽(18)，锁紧弹簧(19)，线性可变差动变压器(20)，周向约束装置(21)和第三连接销(22)。采用外伸式设计，将位移测量部分从高温炉内的超高温区域转移到高温炉外的常温区域，实现了超高温拉伸试验的定量研究，提高了测量精度；超高温区域的仪器部件采用耐超高温材料；实现了超高温材料的力学性能测试和研究，操作简单，可行性高。

Description

超高温外伸式变形测量装置

技术领域

本发明涉及一种在超高温单轴拉伸载荷作用下试件的变形测量装置，采用外伸式设计，将超高温区域的变形测量转移到常温区域，实现超高温拉伸试验的定量研究，特别涉及超高温材料的力学性能测试，属于超高温力学测试技术领域。

背景技术

目前，以高超声速、高机动、远距离精确打击为主要技术指标的高超声速飞行器已成为世界军事的热点。战略导弹以及近空间高超声速飞行器需要长时间跨大气层飞行，服役条件恶劣，特别是飞行器的大面积迎风面温度将达到1400℃，凸起及前缘等部位的温度将超过2200℃。高超声速飞行器的鼻锥、翼前缘、发动机燃烧室与喉衬唢管等热防护材料与结构的力学性能测试在飞行器设计中起着关键的作用。美国、俄罗斯、欧盟等国家对我国实行技术封锁，极大地阻碍了我国航空航天领域热防护材料与结构的超高温力学性能测试技术与实验仪器开发与研制。鉴于超高温材料(诸如微烧蚀C/C复合材料、非烧蚀超高温陶瓷、高温合金、用锆、铪等化合物的有机先驱体浸渍制备的C/SiC复合材料)复杂的服役环境，及其本身力学性能的复杂性，超高温变形的传感测量作为核心实验测试技术之一，在超高温材料力学性能测试系统的开发与研制中有着重要的意义。

在高温力学试验中，常用的变形测量方法分为接触式测量和非接触测量两种。接触式测量常用高温引伸计测量试件标距内的变形，但由于在高温环境下，引伸计的引伸臂与试件常用固定的方式(胶接、夹持、捆绑等)难以适用；此外，为了保证引伸计正常工作，常将高温炉的侧面炉壁开孔，仅将引伸臂置于炉中，传感测量部分置于炉外，这给高温炉的隔热密封设计带来了困难。非接触测量主要包括散斑技术、云纹、激光引伸计等方法，但一方面，随着温度的升高，试样表面的自辐射现象加重，由于加热炉窗口引起的图象扭转以及加热气体折射率的变化会引起图像的大真，大大影响图像的采集以及计算的精度；另一方面，非接触测量为采集到试样的变形信息，常在高温炉炉壁上开设观测窗，这给高温炉的结构、隔热及密闭设计带来了困难。

因此，如何提升超高温极端环境下材料与结构力学试验方法和技术的研究能力，为应用于高新技术领域和国防装备建设中的超高温材料与防热结构关键基础问题研究提供实验技术手段和测试方法支撑，已成为了当前国内超高温试验仪器研发的重要课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种超高温惰性环境下单轴拉伸试验变形测量方法及装置，采用外伸式设计，实现对于超高温材料在接近服役环境下承受单轴拉伸载荷时的力学参数测量和变形行为研究，本发明从变形测量方法上进行了创新，提高了超高温力学性能测试试验的测量精度，可行性高，操作简单。

本发明提供的技术方案如下：

一种超高温环境下单轴拉伸试验外伸式变形测量装置，包括高温炉1(诸如直接通电加热式、环境辐射加热式等)，环境室小箱2，上加载拉杆3，下加载拉杆4，圆环套筒5，夹具6，上卡环8，下卡环9，第一连接销11、引伸杆12，上托架13，下托架14，螺栓15，滚动轴承16，第二连接销17，导向槽18，锁紧弹簧19，线性可变差动变压器(LVDT)20，周向约束装置21和第三连接销22，如图1、图2所示。其中，5、6、8、9、11和12均由耐超高温材料(诸如陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料、难熔金属硅化物基复合材料等)制成。

其中，高温炉1和环境室小箱2固定连接，上加载拉杆3和下加载拉杆4分别穿过高温炉1和环境室小箱2，通过第三连接销22与夹具6进行固定连接；四根引伸杆12分别穿过高温炉1和环境室小箱2，引伸杆上端通过第一连接销11与上卡环8和下卡环9固定连接，引伸杆下端通过螺栓15与引伸杆上托架13和下托架14固定连接。为了保证四根引伸杆的长度相同(减小引伸杆受温度影响热胀冷缩而引起的测量误差)，上卡环8通过引伸杆与上托架13连接，下卡环9通过引伸杆与下托架14连接，此外，为了保证测量过程的正常进行，同一侧的两个引伸杆非共线且平行放置。滚动轴承16通过第二连接销17固定在上托架13和下托架14上，两个上托架13上的滚动轴承16分别放置在下加载拉杆4的导向槽18内，利用锁紧弹簧19将上托架13固定在下加载拉杆4上，使其只能依靠滚动摩擦在下加载拉杆4的导向槽18内运动，相同的方法将下托架14固定在下加载拉杆4；线性可变差动变压器(LVDT)20利用周向约束装置21固定在下托架14上。

利用上述装置在超高温环境下进行单轴拉伸试验外伸式变形测量方法介绍如下：

步骤101，安装试件，将两个上卡环8和两个下卡环9与试件7两侧的凸台10通过圆环套筒5连接，通过调整上加载拉杆3和下加载拉杆4，改变夹具6之间的距离，将试件7安装在夹具6上，夹具6对试件7施加固定夹持约束；

步骤102，试件7装夹完毕后，利用高温炉1将温度升高到试验温度；

步骤103，待温度稳定后，将线性可变差动变压器(LVDT)20作归零处理；

步骤104，进行试验加载，将线性可变差动变压器(LVDT)20测得的变形信息输出到外部与计算机连接的数据采集和处理系统，得到试验所需的数据和图形信息。

本发明实现了超高温惰性环境下单轴拉伸试验的变形测量，采用外伸式设计，将位移测量部分从高温炉内的超高温区域转移到高温炉外的常温区域，实现了超高温拉伸试验的定量研究，提高了测量精度；超高温区域的仪器部件采用耐超高温材料，最高测试温度可达2500-2700℃；实现了超高温材料的力学性能测试和研究，操作简单，可行性高。

附图说明

图1为本发明提供的一种超高温单轴拉伸试验仪器及变形测量装置示意图。

图2为本发明提供的一种超高温单轴拉伸试验仪器变形测量装置平面示意图。

图中：1-高温炉(诸如直接通电加热式、环境辐射加热式)；2-不锈钢环境室小箱；3-上加载拉杆；4-下加载拉杆；5-C-C复合材料圆环套筒；6-钼合金夹具；7-试件；8-C-C复合材料上卡环；9-C-C复合材料下卡环；10-试件凸台；11-C-C复合材料第一连接销；12-C-C复合材料引伸杆；13-不锈钢上托架；14-不锈钢下托架；15-不锈钢螺栓；16-不锈钢滚动轴承；17-不锈钢第二连接销；18-导向槽；19-锁紧弹簧；20-线性可变差动变压器(LVDT)；21-周向约束装置；22-钼合金第三连接销。

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及实施方式：

参考图1、图2所示，一种超高温环境下单轴拉伸试验外伸式变形测量装置，包括高温炉1(诸如直接通电加热式、环境辐射加热式)，不锈钢环境室小箱2，上加载拉杆3，下加载拉杆4，C-C复合材料圆环套筒5，钼合金夹具6，C-C复合材料上卡环8，C-C复合材料下卡环9，C-C复合材料第一连接销11、C-C复合材料引伸杆12，不锈钢上托架13，不锈钢下托架14，不锈钢螺栓15，不锈钢滚动轴承16，不锈钢第二连接销17，导向槽18，锁紧弹簧19，线性可变差动变压器(LVDT)20，周向约束装置21和钼合金第三连接销22。

其中，采用石墨电极作为加热电阻进行环境辐射加热的高温炉1和不锈钢环境室小箱2固定连接，将上加载拉杆3和下加载拉杆4分别穿过高温炉1和环境室小箱2，通过钼合金第三连接销22与钼合金夹具6进行固定连接；四根C-C复合材料引伸杆12分别穿过高温炉1和环境室小箱2，引伸杆上端通过C-C复合材料第一连接销11与C-C复合材料上卡环8和C-C复合材料下卡环9固定连接，下端通过不锈钢螺栓15与不锈钢上托架13和不锈钢下托架14固定连接，其中，为了保证四根引伸杆的长度相同(减小引伸杆受温度影响热胀冷缩而引起的测量误差)，上卡环8通过引伸杆与上托架13连接，下卡环9通过引伸杆与下托架14连接，此外，为了保证测量过程的正常进行，同一侧的两个引伸杆非共线、且平行放置。不锈钢滚动轴承16通过不锈钢第二连接销17固定在上托架13和下托架14上，两个上托架13上的滚动轴承16分别放置在下加载拉杆4的导向槽18内，利用锁紧弹簧19将上托架13固定在下加载拉杆4上，使其只能依靠滚动摩擦在下加载拉杆4的导向槽18内运动，相同的方法将下托架14固定在下加载拉杆4；将线性可变差动变压器(LVDT)20利用周向约束装置21锁紧固定在下托架14上。

超高温环境下单轴拉伸试验外伸式变形测量方法介绍如下：

步骤101，安装试件，将两个C-C复合材料上卡环8和两个C-C复合材料下卡环9与试件7两侧的凸起10通过C-C复合材料圆环套筒5连接；通过调整上加载拉杆3和下加载拉杆4，改变钼合金夹具6之间的距离，将试件7安装在钼合金夹具6上，钼合金夹具6对试件7施加固定夹持约束；

步骤102，试件7装夹完毕后，对高温炉1通电，利用石墨电极辐射加热，将温度升高到试验温度，

步骤103，待温度稳定后，将线性可变差动变压器(LVDT)20作归零处理；

步骤104，进行试验加载，将线性可变差动变压器(LVDT)20测得的变形信息输出到外部与计算机连接的数据采集和处理系统，得到试验所需的数据和图形信息。

Claims (6)

1.一种超高温环境下单轴拉伸试验外伸式变形测量装置，其特征是，包括高温炉(1)，环境室小箱(2)，上加载拉杆(3)，下加载拉杆(4)，圆环套筒(5)，夹具(6)，上卡环(8)，下卡环(9)，第一连接销(11)，引伸杆(12)，上托架(13)，下托架(14)，螺栓(15)，滚动轴承(16)，第二连接销(17)，导向槽(18)，锁紧弹簧(19)，线性可变差动变压器(20)，周向约束装置(21)和第三连接销(22)；

其中，高温炉(1)和环境室小箱(2)固定连接；上加载拉杆(3)和下加载拉杆(4)分别穿过高温炉(1)和环境室小箱(2)，通过第三连接销(22)与夹具(6)进行固定连接；四根引伸杆(12)分别穿过高温炉(1)和环境室小箱(2)，引伸杆上端通过第一连接销(11)与上卡环(8)和下卡环(9)固定连接，引伸杆下端通过螺栓(15)与引伸杆上托架(13)和下托架(14)固定连接；滚动轴承(16)通过第二连接销(17)固定在上托架(13)和下托架(14)上，两个上托架(13)上的滚动轴承(16)分别放置在下加载拉杆(4)的导向槽(18)内，利用锁紧弹簧(19)将上托架(13)固定在下加载拉杆(4)上，使其只能依靠滚动摩擦在下加载拉杆(4)的导向槽(18)内运动，用相同的方式将下托架(14)固定在下加载拉杆(4)；线性可变差动变压器(20)利用周向约束装置(21)固定在下托架(14)上。

2.如权利要求1所述的测量装置，其特征是，所述圆环套筒(5)、夹具(6)、上卡环(8)、下卡环(9)、第一连接销(11)和引伸杆(12)均由耐超高温材料制成。

3.如权利要求2所述的测量装置，其特征是，所述的耐超高温材料包括陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料、难熔金属硅化物基复合材料。

4.如权利要求1所述的测量装置，其特征是，为了保证四根引伸杆的长度相同，减小引伸杆受温度影响热胀冷缩而引起的测量误差，将上卡环(8)通过引伸杆与上托架(13)连接，下卡环(9)通过引伸杆与下托架(14)连接；此外，为了保证测量过程的正常进行，将同一侧的两个引伸杆非共线且平行放置。

5.如权利要求1所述的测量装置，其特征是，所述高温炉(1)可采用直接通电加热式或环境辐射加热式方式。

6.一种超高温环境下单轴拉伸试验外伸式变形测量方法，利用权利要求1至5之一所述的测量装置进行测量，其步骤如下：

步骤101，安装试件，将两个上卡环(8)和两个下卡环(9)与试件(7)两侧的凸台(10)通过圆环套筒(5)连接，通过调整上加载拉杆(3)和下加载拉杆(4)，改变夹具(6)之间的距离，将试件(7)安装在夹具(6)上，夹具(6)对试件(7)施加固定夹持约束；

步骤102，试件(7)装夹完毕后，利用高温炉(1)将温度升高到试验温度；

步骤103，待温度稳定后，将线性可变差动变压器(20)作归零处理；

步骤104，进行试验加载，将线性可变差动变压器(20)测得的变形信息输出到外部与计算机连接的数据采集和处理系统，得到试验所需的数据和图形信息。

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