CN103424322B - 航天飞机机身碳纤维复合材料承压壳体液压疲劳试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航天飞机机身碳纤维复合材料承压壳体液压疲劳试验系统。保温水箱内装有过滤器和加热器，加热器接有温度控制器，高压柱塞泵的进水口接过滤器，出水口经常开电磁阀后分为两路，第一路经第一截止阀接第一试件，第二路经第二截止阀接第二试件；常开电磁阀的进水口接溢流阀的进水口，常开电磁阀的出水口接常闭电磁阀的进水口，溢流阀和常闭电磁阀的出水口并接后接入保温水箱；常开电磁阀的出口端接压力开关后分为三路控制电路，第一路经断电延时继电器与常开电磁阀连接，第二路经通电延时继电器与常闭电磁阀连接，第三路接计数器。本发明能满足不同形状尺寸碳纤维复合材料承压壳体的疲劳试验；可实现试验压力、温度、疲劳频率等参数的调节与控制。
Description
技术领域
本发明涉及液压疲劳试验系统，尤其是涉及一种航天飞机机身碳纤维复合材料承压壳体液压疲劳试验系统。
背景技术
高强度碳纤维复合材料以其轻质、高强度、材料性能具有可设计性、便于移动而大量应用于航天航空、飞机、导弹等飞行器上，碳纤维及其复合材料制品是目前世界上发展最为迅猛的高科技材料之一，如航天飞机机身、导弹外壳、飞机机身壳体等均是一个圆柱形碳纤维复合材料承压壳体，这类承压壳体是目前碳纤维复合材料用量最大的重要部件之一。
这类承压壳体除了圆柱形筒体结构以外，壳体上还会有接管，接管之间需要互联互通，这类连接区域的几何形状具有与原来形状不一致的突变，除受到压力作用外，还有附加载荷或者弯矩的作用，使得该处的应力分布十分复杂，如果设计不合理导致内部应力集中水平很高，往往很容易引起裂纹，这种裂纹会随着结构上往复变化的载荷而不断扩展，最后导致结构失效。此外，温度对碳纤维复合材料疲劳性能及破坏模式也有不同程度的影响，这使得碳纤维复合材料的疲劳寿命与力学行为变得异常复杂。
因此对复杂形状结构碳纤维复合材料承压壳体疲劳寿命进行研究从而揭示其内在应力分布和裂纹发生机理、以及裂纹扩展速率与失效行为，对复合材料结构的设计和应用有着重要的意义和作用。但是，目前所使用的液压疲劳试验系统往往是针对某一类特定的产品如气瓶，应用范围较窄，操作维护不便，且没有考虑试验温度的影响，不适用于复合材料承压结构的疲劳试验。
发明内容
为避免上述背景技术中所存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种航天飞机机身碳纤维复合材料承压壳体液压疲劳试验系统，以满足复杂结构碳纤维复合材料承压壳体的疲劳试验分析，根据不同的试验要求设置相应的试验程序。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括保温水箱，过滤器，高压柱塞泵，溢流阀，常开电磁阀，断电延时继电器，压力开关，计数器，常闭电磁阀，通电延时继电器，温度控制器，加热器，两个截止阀和两个试件；保温水箱内装有过滤器和加热器，加热器接有温度控制器，高压柱塞泵的进水口接过滤器，高压柱塞泵的出水口经常开电磁阀后分为两路，第一路经第一截止阀接第一试件，第二路经第二截止阀接第二试件；常开电磁阀的进水口接溢流阀的进水口，常开电磁阀的出水口接常闭电磁阀的进水口，溢流阀的出水口和常闭电磁阀的出水口并接后接入保温水箱；常开电磁阀的出口端接压力开关后分为三路控制电路，第一路经断电延时继电器与常开电磁阀电连接，第二路经通电延时继电器与常闭电磁阀电连接，第三路接计数器。
计算机的一路与温度控制器电连接，计算机的另一路经压力传感器与第一截止阀进水口和第二截止阀进水口连接。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明具有通用性，能满足不同形状尺寸碳纤维复合材料承压壳体的疲劳试验工况，可以根据不同的实验要求设置相应的试验程序。
2、本发明通过设置多条试件支路，可以实现同时对多个试件进行疲劳试验，工作效率高，应用范围广。
3、本发明系统设置简单、性能稳定，安全可靠，可实现试验压力、温度、疲劳频率等参数的调节与控制。
附图说明
图1是本发明的结构原理示意图。
图中：1、保温水箱，2、过滤器，3、高压柱塞泵，4、溢流阀，5、常开电磁阀，6、断电延时继电器，7、压力开关，8、计数器，9、常闭电磁阀，10、通电延时继电器，11、温度控制器，12、加热器，13、计算机，14、压力传感器，15、两个截止阀，16、两个试件。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括保温水箱1，过滤器2，高压柱塞泵3，溢流阀4，常开电磁阀5，断电延时继电器6，压力开关7，计数器8，常闭电磁阀9，通电延时继电器10，温度控制器11，加热器12，计算机13，压力传感器14，两个截止阀15和两个试件16。
保温水箱1内装有过滤器2和加热器12，加热器12接有温度控制器11，高压柱塞泵3的进水口接过滤器2，高压柱塞泵3的出水口经常开电磁阀5后分为两路，第一路经第一截止阀接第一试件，第二路经第二截止阀接第二试件；常开电磁阀5的进水口接溢流阀4的进水口，常开电磁阀5的出水口接常闭电磁阀9的进水口，溢流阀4的出水口和常闭电磁阀9的出水口并接后接入保温水箱1；常开电磁阀5的出口端接压力开关7后分为三路控制电路，第一路经断电延时继电器6与常开电磁阀5连接，第二路经通电延时继电器10与常闭电磁阀9连接，第三路接计数器8。
计算机13的一路与温度控制器11电连接，计算机13的另一路经压力传感器14与第一截止阀进水口和第二截止阀进水口连接。
如图1所示，本发明系统设置包括液压控制系统、循环水加热系统、数据采集处理系统。
液压控制系统：包括过滤器2、高压柱塞泵3、常开电磁阀5、截止阀15及相连接的管路构成的加压管路，在加压管路中设置压力开关7，可准确随意的调节试验的上、下限压力，以加压后的试件16为压力源，节流阀15、常闭电磁阀9、保温水箱1及相连接的管路构成的泄压管路，以及设有溢流阀4的超压泄放管路，在超压泄放管路中设置溢流阀4，可保证实验系统安全可靠的运行。
循环水加热系统：由温度控制器11控制加热器12对保温水箱1内的循环水进行加热；可准确随意的设定试验的温度。
数据采集处理系统：设置在加压管路的压力传感器14、压力开关7, 与压力开关相连的通电延时继电器10、断电延时继电器6, 可准确随意的设定试验的保压时间, 以及计数器8和用于监测温度、压力变化的计算机13所组成。
本发明的工作原理如下：
如图1所示，本发明系统设置包括液压控制系统、循环水加热系统、数据采集处理系统。
首先根据试件试验要求，设定压力开关7的上下阀值为试验的上下限压力，溢流阀4的开启压力为试验压力的上限值，通电延时继电器10、断电延时继电器6的延时时间为试件保压时间。
启动高压柱塞泵3，调节水泵的出口流量和压力，试验介质通过过滤器2、高压柱塞泵3、常开电磁阀5、截止阀15、加压管路对试件进行加压，实现升压过程。当试件内压力达到溢流阀4的上限值或压力开关7设定压力上限值时，溢流阀4开启，由高压柱塞泵3出来的加压介质通过加压管路、溢流阀4、和超压泄放管路返回保温水箱1；同时压力开关7接通控制电路，常开电磁阀5关闭，通电延时继电器10经过一定的延时后连通工作电路，使常闭电磁阀9开启，实现保压过程；此时加压试件与泄压管路联通，泄压过程开始，试件内加压介质通过截止阀15、常闭电磁阀9、和泄压管路返回保温水箱1。
当试件内压力达到压力开关7设定压力下限值时，压力开关断开控制电路，常闭电磁阀9关闭，断电延时继电器6通过一定的延时后断开工作电路，使常开电磁阀5开启，实现保压过程，此时加压管路内压力降低，溢流阀4关闭，超压泄放管路关闭，再次开始升压过程，如此完成一次升压—保压—泄压—保压的试验循环过程。
加压泄压过程中，可通过截止阀15实现加压泄压速度调节。试验压力值、温度值由压力传感器14、温度控制器11采集，并在计算机13上实时显示出试验压力、温度曲线。试验次数由压力开关7发出开关量信号，计数器8接收开关量信号进行计数，每循环一次，试验次数自动加一，直到设定循环次数或试件泄露失效，液压疲劳试验停止。
循环水加热系统，由温度控制器11设定试验温度，控制加热器12对循环水进行加热保温。控制方式包括，当液压系统水温达到设定下限值时，温度控制器11开启加热器12对保温水箱内的水进行加热，当保温水箱水温达到设定上限值时，加热器12自动关闭，使试验在设定的温度下进行。
本发明最高试验压力可达70MPa, 可进行不同温度、压力和频率下的疲劳试验，实时监测测试压力和温度，其结构简单、性能稳定、安全可靠。
Claims (2)
1.一种航天飞机机身碳纤维复合材料承压壳体液压疲劳试验系统，其特征在于：包括保温水箱（1），过滤器（2），高压柱塞泵（3），溢流阀（4），常开电磁阀（5），断电延时继电器（6），压力开关（7），计数器（8），常闭电磁阀（9），通电延时继电器（10），温度控制器（11），加热器（12），两个截止阀和两个试件；保温水箱（1）内装有过滤器（2）和加热器（12），加热器（12）接有温度控制器（11），高压柱塞泵（3）的进水口接过滤器（2），高压柱塞泵（3）的出水口经常开电磁阀（5）后分为两路，第一路经第一截止阀接第一试件，第二路经第二截止阀接第二试件；常开电磁阀（5）的进水口接溢流阀（4）的进水口，常开电磁阀（5）的出水口接常闭电磁阀（9）的进水口，溢流阀（4）的出水口和常闭电磁阀（9）的出水口并接后接入保温水箱（1）；常开电磁阀（5）的出口端接压力开关（7）后分为三路控制电路，第一路经断电延时继电器（6）与常开电磁阀（5）电连接，第二路经通电延时继电器（10）与常闭电磁阀（9）电连接，第三路接计数器（8）。
2.根据权利要求1所述的一种航天飞机机身碳纤维复合材料承压壳体液压疲劳试验系统，其特征在于：计算机（13）的一路与温度控制器（11）电连接，计算机（13）的另一路经压力传感器（14）与第一截止阀进水口和第二截止阀进水口连接。
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