CN104019976B - 蜂窝夹层结构件真空排气试验装置与方法 - Google Patents

蜂窝夹层结构件真空排气试验装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种蜂窝夹层结构件真空排气试验装置，其结构为：真空罐一端的真空管路连接真空机组，另一端的连通管路连接保护盒，连通管路上设有电磁阀和保护盒压力表；保护盒的内腔用于放置待测蜂窝夹层结构件，待测蜂窝夹层结构件与保护盒之间的空隙内填充有容积填充块；真空罐压力传感器安装于真空罐上，保护盒压力传感器安装于保护盒上；控制台的输入端分别与真空罐压力传感器和保护盒压力传感器的输出端连接，控制台输出端与电磁阀连接，用于按照预定的保护盒压力曲线控制电磁阀的工作状态。本发明还提供了基于上述装置的测试方法。本发明具有工装设备简单、工作可靠的特点，利用普通设备实现短时间高真空度的蜂窝夹层结构件真空排气试验。

Description

蜂窝夹层结构件真空排气试验装置与方法
技术领域
本发明属于结构件性能试验技术领域，具体涉及一种蜂窝夹层结构件真空排气试验装置与方法。
背景技术
蜂窝夹层结构具有质量轻、刚度好、隔热好等优点，广泛应用在飞机、导弹、火箭等飞行器上。蜂窝夹层主要由内外面板和置于内、外面板之间的夹芯组成，面板材料由铝合金、钛合金不锈钢、玻璃钢、碳纤维复合材料和有机纤维复合材料；夹芯材料可以有铝合金、不锈钢、钛合金、玻璃钢、芳纶纸等，但常用材料为铝合金蜂窝、玻璃纤维布蜂窝和芳纶纸蜂窝。
蜂窝夹层结构件结构的特点决定了其必然存在较大体积的中空部分，在结构件成型过程中，中空部分通常被接近地面大气压力的气体充满。蜂窝夹层结构件作为飞行器外层结构件时，会与大气环境直接接触，外表面的压力值是所在海拔高度的大气压力。飞行器在飞行过程中会经历低空至高空的过程，海拔的变化带来大气压力的变化，使得蜂窝夹层结构件的外表面产生压力变化。为了避免蜂窝夹层结构件不在飞行中因压力变化而破坏，通常采取打孔排气至大气、飞行器内部(飞行器内部可再与大气连通)，或者在蜂窝夹层中设置排气通道与大气、飞行器内部连通。
蜂窝夹层结构件的表面积较大，排气不畅会使得蜂窝体内压力升高，导致蜂窝与蒙皮之间的剥离，造成结构件解体。为了尽可能在地面环境下验证蜂窝夹层结构件的排气能力，有必要进行地面真空排气试验，模拟飞行时的压力时间变化工况，考核蜂窝夹层结构件的承载能力。蜂窝夹层结构件较为典型的形状为板状(平板、弧形)、圆筒(锥)壳体。很多飞行器由地面至高空(对应大气压力1000Pa附近)只有短短的几分钟，模拟试验需要在几分钟内达到接近真空压力才能达到试验目的。如果直接将圆筒(锥)壳体放置在真空罐内进行抽真空的方式，现有技术手段无法实现在短短的几分钟让真空罐达到中真空以上的环境。必须采用新的技术思路来设计试验装置，并采取合理的试验方法来完成试验。
发明内容
本发明提供一种蜂窝夹层结构件真空排气试验方法及装置，其目的在于，能够完成短时间高真空度的蜂窝夹层结构件真空排气试验。
一种蜂窝夹层结构件真空排气试验装置，包括真空罐、保护盒、容积填充块、真空机组、截止阀、真空罐压力表、真空罐压力传感器、保护盒压力表、保护盒压力传感器、电磁阀和控制台；
真空罐一端的真空管路连接真空机组，真空管路上设有截止阀和真空罐压力表；真空罐另一端的连通管路连接保护盒，连通管路上设有电磁阀和保护盒压力表；保护盒的内腔用于放置待测蜂窝夹层结构件，待测蜂窝夹层结构件与保护盒之间的空隙内填充有容积填充块，蜂窝夹层结构件的排气孔与保护盒侧壁连接的连通管路之间的通道保持畅通；真空罐压力传感器安装于真空罐上，保护盒压力传感器安装于保护盒上；控制台的数据采集端分别连接真空罐压力传感器和保护盒压力传感器的输出端，控制台的继电器控制输出端连接电磁阀的控制端，控制台用于按照预定的保护盒压力曲线控制电磁阀的工作状态。
一种蜂窝夹层结构件真空排气试验方法，包括以下步骤：
预设压力曲线步骤：根据目标飞行器弹道对应的海拔高度换算的大气压力曲线设定目标保护盒压力曲线；
抽真空前压力检查步骤：抽真空前，控制台读取真空罐压力传感器输出的真空罐压力数据，将其与真空罐压力表采集的真空罐压力比对，如果两者差值在正常范围内，则判定真空罐压力传感器正常；控制台读取保护盒压力传感器输出的保护盒压力数据，将其与保护盒压力表采集的保护盒压力比对，如果两者差值在正常范围内，则判定保护盒压力传感器正常；
抽真空压力检查步骤：启动真空机组对真空罐抽真空至额定真空压力，控制台读取真空罐压力传感器输出的真空罐压力数据，将其与真空罐压力表采集的真空罐压力比对，如果两者相差值在正常范围内，则表明真空罐压力传感器正常；控制台读取保护盒压力传感器输出的保护盒压力数据，将其与保护盒压力表采集的保护盒压力比对，如果两者差值在正常范围内，则判定保护盒压力传感器正常；
测试步骤：控制台以保护盒压力传感器采集的保护盒压力信号作为控制反馈量，以预设的目标保护盒压力曲线作为控制目标，通过控制电磁阀的关闭完成飞行器弹道真空环境的模拟；在飞行器弹道真空环境模拟过程中，实时观测蜂窝夹层结构件的排气过程，从而获知蜂窝夹层结构件真空排气性能。
本发的技术效果体现在：
在测试前，本发明可首先利用真空机组将真空罐抽气到额定压力，因为保护盒的隔离作用将真空罐的真空环境与蜂窝夹层结构件隔离，使得蜂窝夹层结构件的表面压力不受真空罐影响；测试时，保护盒的压力环境相当于窝夹层结构件的压力环境，通过电磁阀的开通关闭来控制保护盒与真空罐间的连通和关断，实现飞行器弹道真空环境的模拟，通过实时观测蜂窝夹层结构件的结构变化，从而获知蜂窝夹层结构件真空排气性能。
本发明通过设置保护盒与真空罐连通，利用真空罐的大容积与保护盒内剩余容积之间的巨大差异获得短时间高真空过程，用“容积换短时间真空度”；容积填充块需要尽可能充满，以获得尽可能小的容积Vb，最终可实现尽可能低的压力(或者说高真空度)；利用控制台+压力传感器+电磁阀的方案来实现排气过程的压力控制，达到尽可能拟合所需的压力曲线。本发明的装置具有工装设备简单、工作可靠的特点，利用普通设备实现真空排气试验；利用现有真空机组的设备能力，同时基本不改动真空设备；采用预设压力曲线要求来控制，拟合精度高，试验结果更有效。
附图说明
图1为本发明装置的组成示意图；
图2为本发明的蜂窝夹层结构件示意图；
图3为本发明的保护盒结构示意图；
图4为本发明的试验压力曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明的蜂窝夹层结构件真空排气试验装置包含蜂窝夹层结构件1、真空罐2、真空机组3、截止阀4、真空罐压力表5、真空罐压力传感器6、保护盒7、容积填充块8、电磁阀9、保护盒压力传感器10、保护盒压力表11、控制台13。
真空罐2一端的真空管路连接真空机组3，真空罐2与真空机组3间的真空管路上设有截止阀4和真空罐压力表5；真空罐2另一端的连通管路12连接保护盒7，真空罐2与保护盒7间的连通管路12上设有电磁阀9和保护盒压力表11；保护盒7的内腔用于放置待测蜂窝夹层结构件1，待测蜂窝夹层结构件1与保护盒7之间的空隙内填充有容积填充块8，但蜂窝夹层结构件1的排气孔与保护盒7侧壁上的连通管路12入口的通道保持畅通；真空罐压力传感器6安装于真空罐2上，保护盒压力传感器10安装于保护盒7上；控制台13的数据采集模块分别连接真空罐压力传感器6和保护盒压力传感器10的输出端，控制台13的继电器控制模块连接电磁阀9的控制端，控制台13用于按照预定的保护盒压力曲线控制电磁阀9的工作状态。
如图2所示，本实施例蜂窝夹层结构件1为圆柱壳体，由内蒙皮1a、外蒙皮1b和蜂窝夹层1c组成。蜂窝夹层结构件1的外径为1200mm，内径为1170mm，轴向长度为1800mm。蜂窝夹层结构件1的排气通道位于其外表面。蜂窝夹层结构件1的体积为V1＝0.105m3。
真空罐2的外径为2.6m，长度6m，两端为半球形，真空罐2内的实际容积为Va＝25m3。
真空机组3为罗茨真空泵机组，与真空罐2配套，可以对真空罐2抽真空至额定真空压力，本实施例为中真空度，对应压力为100Pa～10-2Pa。真空罐2与真空机组3之间通过管路12连接，管路12上装有截止阀4、真空罐压力表5，真空罐2上装配有真空罐压力传感器6。截止阀4用于通断真空罐2与真空机组3之间的管路12连接，真空罐压力表5采用指针的形式表达所测量的真空罐2内压力数据，真空罐压力传感器6采用电压值来表达所测量的真空罐2内压力数据。
如图3所示，保护盒7包含本体7a和端盖7b，端盖7b装配在本体7a上，并具备在0.15MPa下密封的能力。将圆柱壳体蜂窝夹层结构件装入保护盒7中，因此将保护盒7设计为圆柱形，保护盒7参照蜂窝夹层结构件1的尺寸，以体积尽可能小为目标进行设计。保护盒7装配获得的内腔体积为V3＝2.8m3。与保护盒7连接的连通管路12与真空罐2连通，连通管路12上连接有保护盒压力表11、电磁阀9。保护盒压力表11采用指针的形式表达所测量的保护盒7内压力数据；电磁阀9用来控制保护盒7与真空罐2的连通管路12通断，为确保极小的压差下能够通断，采用零压差启动电磁阀9；保护盒7上装有保护盒压力传感器10，采用电压值来表达所测量的保护盒7内压力数据。
容积填充块8的功能是尽可能填满装填蜂窝夹层结构件1的保护盒7内部剩余空间。容积填充块8采用轻质化的木材和塑料球制作，主体用木材，填缝时采用塑料球来实现。木材和塑料球在一个0.1MPa压力下，其体积缩小或膨胀可忽略不计(不到0.1％)。容积填充块8的体积为V4＝2.61m3。
控制台13具备数据采集及控制功能，具体包括：可以输入压力时间变化曲线；能够采集压力传感器的数据；可根据采集到的压力传感器数值与设定值的比对进行电磁阀9通断控制。所述控制台13采用基于PXI总线测控模式，利用计算机、数字I/O板、数据采集模块、继电器控制模块、电源等组成。所用操作软件可采用通用的多种编程语言如Matlab、C等编写，本实施例所用操作软件采用Matlab编写。
本发明的试验方法包括以下步骤：
1)蜂窝夹层结构件1装配至保护盒7
将蜂窝夹层结构件1放置在保护盒7内，使用容积填充块8尽可能将保护盒7内的空间填充，但需保留蜂窝夹层结构件1排气孔与保护盒7上排气孔之间的通道。本实施例具体做法是在蜂窝夹层结构件1排气孔与保护盒7上排气孔之间放置预置管，在预置管以外的位置放置容积填充块8。将蜂窝夹层结构件1和容积填充块8放置在保护盒7内后，保护盒7内的空腔容积Vb＝V3-V4-V1＝0.085m3，对应的压力值为Pb＝1.01×105Pa。
2)将保护盒7与真空罐2连通
采用连通管路12将保护盒7与真空罐2连接起来，连接管路12上设置有电磁阀9。电磁阀9出于断开状态，使得真空罐2与保护盒7出于断开状态。真空机组3能将真空罐2抽真空至压力Pa＝10Pa，真空罐2内的空腔容积为Va＝25m3。本装置可以实现蜂窝夹层结构件1试验压力的最低值为Pn＝(VaPa+VbPb)/(Va+Vb)＝352.2Pa(由于压力差较低，充放气过程不考虑温度变化。)
3)设置真空排气试验的压力控制曲线
将控制台13与电磁阀9连接后打开控制台13。根据试验要求，在控制台13中设置真空排气试验的保护盒压力控制曲线。保护盒压力控制曲线如图4所示，其中最低压力值为480Pa，不小于Pn＝352.2Pa，否则需采用容积更大的真空罐2或增加容积填充将保护盒7内的容积Vb进一步减小。
4)抽真空前压力检查
读取真空罐压力传感器6的输出数据为101030Pa，与真空压力罐压力表101000Pa对比，相差值为正常范围内；读取保护盒7内压力传感器的输出数据为101035Pa，相对保护盒压力表采集的保护盒压力(相当于当地大气压力)101000Pa来说，数据正常。可以判定，两个压力传感器获取的数据正常，可以开展后续工作，关闭控制台13。
5)真空机组3抽真空及压力检查
按照真空机组3的操作流程完成对真空罐2的抽真空至Pa＝10Pa，然后关闭真空机组3。打开控制台13，读取真空罐压力传感器6的输出数据为9.78Pa，真空压力罐压力表数值为10Pa，相差值为正常范围内；读取保护盒7内压力传感器的输出数据为101028Pa，相对保护盒压力表采集的保护盒压力(相当于当地大气压力101000Pa)，相差值为正常范围内。可以判定，两个压力传感器获取的数据正常，可以开展后续工作。
6)控制台13启动控制程序完成试验
控制台13根据输入的压力曲线，通过比对压力传感器与压力曲线对应时刻的压力值，来控制电磁阀9的通断，实现按压力曲线完成蜂窝夹层结构件1真空试验的过程。试验过程中，控制台能够按照压力曲线控制。所获得的保护盒内压力数据与输入的压力控制曲线吻合，完成飞行器弹道飞信过程中由地面的大气环境到高空的真空环境的模拟，试验获得了成功。在飞行器弹道的外部压力环境模拟过程中，实时观测蜂窝夹层结构件的排气过程，从而获知蜂窝夹层结构件真空排气性能。
在此需要说明的是，对于本实施例的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。在实施例中，虽然用到罗茨真空泵机组，但这一实施例的操作和其它真空泵机组操作相同。保护盒的形状参照蜂窝夹层结构件的尺寸以体积尽可能小为目标进行设计即可。

Claims (2)

1.蜂窝夹层结构件真空排气试验装置，其特征在于，包括真空罐(2)、保护盒(7)、容积填充块(8)、真空机组(3)、截止阀(4)、真空罐压力表(5)、真空罐压力传感器(6)、保护盒压力表(11)、保护盒压力传感器(10)、电磁阀(9)和控制台(13)；
真空罐(2)一端的真空管路连接真空机组(3)，真空管路上设有截止阀(4)和真空罐压力表(5)；真空罐(2)另一端的连通管路(12)连接保护盒(7)，连通管路上设有电磁阀(9)和保护盒压力表(11)；保护盒(7)的内腔用于放置待测蜂窝夹层结构件(1)，待测蜂窝夹层结构件(1)与保护盒(7)之间的空隙内填充有容积填充块(8)，蜂窝夹层结构件(1)的排气孔与保护盒(7)侧壁连接的连通管路之间的通道保持畅通；真空罐压力传感器(6)安装于真空罐(2)上，保护盒压力传感器(10)安装于保护盒(7)上；控制台(13)的数据采集端分别连接真空罐压力传感器(6)和保护盒压力传感器(10)的输出端，控制台(13)的继电器控制输出端连接电磁阀(9)的控制端，控制台(13)用于按照预定的保护盒压力曲线控制电磁阀(9)的工作状态。
2.一种基于权利要求1所述装置的蜂窝夹层结构件真空排气试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
预设压力曲线步骤：根据目标飞行器弹道对应的海拔高度换算的大气压力曲线设定目标保护盒压力曲线；
抽真空前压力检查步骤：抽真空前，控制台(13)读取真空罐压力传感器(6)输出的真空罐压力数据，将其与真空罐压力表(5)采集的真空罐压力比对，如果两者差值在正常范围内，则判定真空罐压力传感器(6)正常；控制台(13)读取保护盒压力传感器(10)输出的保护盒压力数据，将其与保护盒压力表采集的保护盒压力比对，如果两者差值在正常范围内，则判定保护盒压力传感器(10)正常；
抽真空压力检查步骤：启动真空机组(3)对真空罐(2)抽真空至额定真空压力，控制台(13)读取真空罐压力传感器(6)输出的真空罐压力数据，将其与真空罐压力表(5)采集的真空罐压力比对，如果两者相差值在正常范围内，则表明真空罐压力传感器(6)正常；控制台(13)读取保护盒压力传感器(10)输出的保护盒压力数据，将其与保护盒压力表(5)采集的保护盒压力比对，如果两者差值在正常范围内，则判定保护盒压力传感器(10)正常；
测试步骤：控制台(13)以保护盒压力传感器(10)采集的保护盒压力信号作为控制反馈量，以预设的目标保护盒压力曲线作为控制目标，通过控制电磁阀(9)的关闭完成飞行器弹道真空环境的模拟；在飞行器弹道真空环境模拟过程中，实时观测蜂窝夹层结构件的排气过程，从而获知蜂窝夹层结构件真空排气性能。
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