CN105158006A - 一种温度-加速度复合环境试验用轻便热加载装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温度-加速度复合环境试验用轻便热加载装置，包括一端开口且另一端闭口的整流罩、电加热膜和风扇，整流罩通过主体螺栓与离心机臂连接，试验件通过台面安装于离心机臂上并置于整流罩的内部空间内，整流罩中，隔热层置于外壁和内壁之间，多个电加热膜均匀贴装于内壁上，风扇安装于内壁内靠近其内底部中心的位置且其送风方向正对内壁的内底部中心。本发明采用电加热膜贴装的结构实现加热，能够实现温度控制与加速度控制能够同步进行的目的，提升了温度－加速度复合环境试验的模拟能力；采用三层结构的整流罩，降低了整体质量，提高了保温效果；通过在整流罩内部设置风扇，提高了温度的均匀性和加热源的对流换热效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种温度-加速度复合环境试验用的装置，尤其涉及一种温度-加速度复合环境试验用轻便热加载装置。
背景技术
高速飞行器如导弹、宇宙飞船、航天飞机等在高速飞行阶段，受到加速度、温度等多种环境因素共同作用。一方面，加速度将会产生惯性力，使飞机、航天器和搭载产品出现超重现象，结构内部不同部位呈现不同的应力水平。另一方面，不同温度环境下，材料自身的热膨胀性能会导致结构内部产生新的应力。这两种应力共同作用的结果会改变结构的动态特性，局部的应力水平也可能与单一环境下的情况存在显著差异，甚至直接导致结构破坏。
温度－加速度复合环境试验可以暴露单一试验不能发现的问题，常见的问题包括微电子器件的封装失效、引线结构、管芯或印刷电路板的粘着及其他元件的机械状态超过承载临界值等。但是目前，中国国内各研究机构现阶段仅能够采用单项试验来代替复合环境试验，应力叠加作用模拟的不够真实。
通常进行产品单一温度环境试验考核时，是利用温度箱等试验设备进行，单一加速度环境试验采用离心机进行。温度箱并不能直接适用于加速度环境下，这是因为：1)受离心机端部安装空间的限制，常规的温度箱由于体积太大，不能够正常安装在离心机上；2)离心机高速运行时，立方形的温度箱会产生非常大的风阻，对离心机的安全运行带来隐患；3)普通温度箱工作时需静置于地面上，在强离心场下工作时，部分部件将可能无法正常工作。
中国国内对温度-加速度复合环境试验技术的研究，起步较晚。但也取得了一定成绩，如上世纪八十年代末，中国工程物理研究院总体工程研究(原西南结构力学研究所)王保乾等对线加速度环境下复合试验技术进行了深入的研究，实现了在离心机上进行温度环境的模拟。通过采用热风加热与保温控制相结合的手段，是目前中国国内唯一具备对整体级产品进行温度与加速度复合环境试验的研究单位。该方法是在离心机产品外装配整流罩，在正式试验前的预处理阶段，通过管路向整流罩内吹热风，当温度达到平衡后，撤离管路，启动离心机，开始温度-加速度复合试验。由于整流罩内部有保温措施，且离心机运行时间较短，因此可以获得一定的温度控制效果。由于只能在离心机运行之前吹风，所以离心机运转过程中整流罩内温度必然出现逐渐下降的现象。该设备最大可实现离心加速度110g，承载质量1200kg，温度约60℃。此后国内未看到温度－加速度复合环境试验技术、设备研制的相关报道。1999年，西安交通大学研制的复合试验设备只实现了加速度与振动的复合，没有考虑温度问题。2011年，浙江大学陈子辰、何闻团队研制了小型的五综合环境试验设备，可以实现的主要技术指标为：加速度0g～10g，温度-5℃～100℃。由于其转臂有效半径仅1m，且承载能力只能达到1kg，最大加速度也较小。因此该设备仅可为试验技术的研究提供支持，不能满足武器、飞行器等大试件产品性能的要求。
总体工程研究所采用的方法是目前中国国内唯一可进行小型武器、飞行器整体级别温度-加速度复合试验的方法，该方法使用多年但仍存在一定缺陷。首先，在离心机启动后，由于撤离了热风装置，因此整流罩内温度必然会随时间增加逐步降低，不能保持稳定；其次，由于离心机的转动，会明显降低整流罩内温度场的均匀性；第三，由于试验过程中没有加热控制措施，因此该方法无法模拟飞行过程中气动热导致试验件温度升高的情况。
上述缺点的根本原因就在于温度的加载是一个离线方式，无法做到温度控制与加速度控制同步进行，这也是本发明要解决的问题。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种温度控制与加速度控制能够同步进行的温度-加速度复合环境试验用轻便热加载装置。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种温度-加速度复合环境试验用轻便热加载装置，包括一端开口且另一端闭口的整流罩、电加热膜和风扇，所述整流罩通过主体螺栓与离心机臂连接，试验件通过台面安装于所述离心机臂上并置于所述整流罩的内部空间内，所述整流罩包括外壁、内壁和隔热层，所述外壁和所述内壁为硬质层，所述隔热层置于所述外壁和所述内壁之间，多个所述电加热膜均匀贴装于所述内壁上，所述风扇安装于所述内壁内靠近其内底部中心的位置且其送风方向正对所述内壁的内底部中心。
作为优选，所述外壁为玻璃钢外壁，所述内壁为铝合金内壁，所述隔热层为聚氨酯泡沫层。其中，外壁选择为玻璃钢，具有密度低、抗拉强度高的特点；内壁为薄壁铝合金，用于安装固定内侧的电加热膜；中间的隔热层为聚氨酯泡沫，密度很低，具有很好的隔热保温性能。
优选地，所述外壁的主体厚度为5mm，其与所述离心机臂连接的主体螺栓处的厚度为10mm；所述内壁的厚度为2mm；所述隔热层的厚度为15mm。
为了避免隔热层被压缩而破坏，所述外壁和所述内壁之间通过整流罩螺栓固定连接且其连接位置设有垫片，所述垫片位于所述外壁和所述内壁之间并套装于所述整流罩螺栓上。
具体地，所述电加热膜的加热功率为0.4w/cm2，厚度为0.1mm，其与所述内壁之间采用3M高温胶粘贴。
为了减少热损失，所述离心机臂上靠近所述试验件的位置设有铝合金板，所述铝合金板上靠近所述整流罩闭口端的一侧表面设有用于隔热的发泡橡胶；优选地，所述发泡橡胶通过压片方式固定安装于所述铝合金板上，所述发泡橡胶的厚度为20mm。
本发明的有益效果在于：
本发明采用电加热膜贴装的结构实现加热，能够通过对多个电加热膜进行综合控制以实现加速度试验过程中的温度控制功能，从而实现温度控制与加速度控制能够同步进行的目的，且具有热功率分配均匀、附加质量轻、体积小、绝缘性能好、便于更换的优点，显著提升了温度－加速度复合环境试验的模拟能力；采用三层结构的整流罩，在确保其具有足够拉伸强度和便于安装电加热膜的要求前提下，降低了整体质量，显著提高了保温效果和温控效果，便于安装和维护，可以在加速度试验过程中实现恒温、升温等试验条件；通过在整流罩内部设置耐高温的风扇，明显改善了空气场分布不均匀的现象，提高了对流换热的效率，进而提高了温度的均匀性，同时，风扇吹风方向与加速度场方向相反，可以显著提高风扇在加速度环境下的适应能力，并且有效提高加热源的对流换热效率；通过在外壁和内壁之间设置垫片，有效解决了发泡隔热层强度差、承载能力低的问题，使整个热加载装置总体质量轻、强度高、隔热效果好。
附图说明
图1是本发明所述温度-加速度复合环境试验用轻便热加载装置的剖视结构示意图，图中还示出了离心机臂和试验件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，本发明所述温度-加速度复合环境试验用轻便热加载装置包括一端开口且另一端闭口的整流罩、电加热膜12和风扇13，所述整流罩通过主体螺栓1与离心机臂2连接，试验件11通过台面5安装于离心机臂2上并置于所述整流罩的内部空间内，所述整流罩包括外壁6、内壁8和隔热层7，外壁6为玻璃钢外壁，其主体厚度为5mm，其与离心机臂2连接的主体螺栓1处的厚度为10mm，内壁8为铝合金内壁，其厚度为2mm，隔热层7为聚氨酯泡沫层，其厚度为15mm，隔热层7置于外壁6和内壁8之间，外壁6和内壁8之间通过整流罩螺栓9固定连接且其连接位置设有垫片10，垫片10位于外壁6和内壁8之间并套装于整流罩螺栓9上，多个电加热膜12均匀贴装于内壁8上，风扇13安装于内壁8内靠近其内底部中心的位置且其送风方向正对内壁8的内底部中心；离心机臂2上靠近试验件11的位置通过螺栓安装有铝合金板3，铝合金板3上靠近所述整流罩闭口端的一侧表面通过压片方式固定安装有用于隔热的发泡橡胶4，发泡橡胶4的厚度为20mm；电加热膜12的加热功率为0.4w/cm2，厚度为0.1mm，其与内壁8之间采用3M高温胶粘贴。上述结构中，风扇13可直接通过支架安装于内壁8的内底部；电加热膜12的电源线穿过整流罩上设置的通孔并与设于整流罩外的控制器连接，控制器可以根据需要来设计，不是本发明的创新点，所以没有在本文具体说明。
如图1所示，更具体的结构还包括：外壁6和内壁8之间的整流罩螺栓9采用15个M8螺栓，8个位于筒状的整流罩侧壁，5个位于整流罩底部用作支撑；垫片10为弧形垫片，以适应整流罩的筒状结构；采用发泡橡胶4用于隔热具有三个优点：1)便于根据不同试验件的尺寸进行剪裁，更有效的实现试验件安装面附近的隔热，2)能够有效填充试验件安装面与整流罩之间的间隙，有效阻止热量流失，3)使用过程中安全无害，不会出现隔热棉、隔热纸等材料出现的玻璃纤维掉渣现象。
综合上述温控措施，可以使整流罩内Φ900mm×H600mm的有效空间内实现7℃/min的快速升温(60℃以下)，最高温度可以达到90～100℃；空腔中心控制点的温度不受离心加速度的影响(80g以下)。
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。
Claims (9)
1.一种温度-加速度复合环境试验用轻便热加载装置，包括一端开口且另一端闭口的整流罩，所述整流罩通过主体螺栓与离心机臂连接，试验件通过台面安装于所述离心机臂上并置于所述整流罩的内部空间内，其特征在于：还包括电加热膜和风扇，所述整流罩包括外壁、内壁和隔热层，所述外壁和所述内壁为硬质层，所述隔热层置于所述外壁和所述内壁之间，多个所述电加热膜均匀贴装于所述内壁上，所述风扇安装于所述内壁内靠近其内底部中心的位置且其送风方向正对所述内壁的内底部中心。
2.根据权利要求1所述的温度-加速度复合环境试验用轻便热加载装置，其特征在于：所述外壁为玻璃钢外壁，所述内壁为铝合金内壁，所述隔热层为聚氨酯泡沫层。
3.根据权利要求2所述的温度-加速度复合环境试验用轻便热加载装置，其特征在于：所述外壁的主体厚度为5mm，其与所述离心机臂连接的主体螺栓处的厚度为10mm。
4.根据权利要求2所述的温度-加速度复合环境试验用轻便热加载装置，其特征在于：所述内壁的厚度为2mm。
5.根据权利要求2所述的温度-加速度复合环境试验用轻便热加载装置，其特征在于：所述隔热层的厚度为15mm。
6.根据权利要求1-5中任何一项所述的温度-加速度复合环境试验用轻便热加载装置，其特征在于：所述外壁和所述内壁之间通过整流罩螺栓固定连接且其连接位置设有垫片，所述垫片位于所述外壁和所述内壁之间并套装于所述整流罩螺栓上。
7.根据权利要求1-5中任何一项所述的温度-加速度复合环境试验用轻便热加载装置，其特征在于：所述电加热膜的加热功率为0.4w/cm2，厚度为0.1mm，其与所述内壁之间采用3M高温胶粘贴。
8.根据权利要求1-5中任何一项所述的温度-加速度复合环境试验用轻便热加载装置，其特征在于：所述离心机臂上靠近所述试验件的位置设有铝合金板，所述铝合金板上靠近所述整流罩闭口端的一侧表面设有用于隔热的发泡橡胶。
9.根据权利要求8所述的温度-加速度复合环境试验用轻便热加载装置，其特征在于：所述发泡橡胶通过压片方式固定安装于所述铝合金板上，所述发泡橡胶的厚度为20mm。
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