CN105784462A - 一种可模拟高温状态下试件力学性能的试验箱及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可模拟高温状态下试件力学性能的试验箱及系统，所述试验箱包括箱体本体、设置于箱体本体中的加热装置，所述加热装置不止一个，且各个加热装置在箱体本体中的位置均可调；所述系统包括以上试验箱及载荷加载装置。本发明提供的试验箱及系统，由于试件的受热环境可模拟成更接近试件使用状态下可能承受的高温环境，本发明提供的方案检测效率高，检测结果准确，特别是模拟火灾状态下的试件试验状态，应用范围广。

Description

一种可模拟高温状态下试件力学性能的试验箱及系统

技术领域

本发明涉及试件力学性能实验装置技术领域，特别是涉及一种可模拟高温状态下试件力学性能的试验箱及系统。

背景技术

随着城市化进程的加快，人们对建筑结构的耐火性能要求越来越高，当建筑结构构件（机械构件）面临火灾情况下，会因为水分流失或者内部化学成分的变化造成损伤。而此时的建筑结构构件（机械构件）承受者复杂的荷载作用，这往往是需要关注的。荷载情况主要包括静力荷载、动荷载。其中动荷载主要为交变荷载。其破坏类型也可以分析静力坏或者疲劳破坏。而火灾情况下构件受力状况也不尽相同，例如柱形构件，包括三面受火、两面受火、局部受火等。这些都是我们需要关注的。而对于火灾中得建筑结构构件（机械构件），其某些性能会发生改变，也可能出现不同程度的开裂、脱落，因此，对火灾中的试件承受复杂荷载状态下的破坏机理及模式的测试非常重要。

目前对火灾（高温）状态下试件承受复杂荷载的试验方法主要为，将试件在炉膛内加热到预定的温度，并高温煅烧一定时间后再取出，在进行各种类型的试验研究，以达到模拟实际火灾情况或试件局部承受高温的情况。然而，在将试件在炉膛中进行高温煅烧后对试件有所损伤，但在温度和受力两方面与实际情形有差别，试件破坏的承载力等并不一定为承载力最低点，也可能会影响实际破坏模式的形成，对其破坏机理的研究产生偏差。从而导致检测结果不准确，检测效率低。

发明内容

针对上述现有技术中高温状态下试件承受复杂载荷的实验过程中，不能较为准确的模拟实际情况，造成对试件破坏机理的研究产生偏差的问题，本发明提供了一种可模拟高温状态下试件力学性能的试验箱及系统。

本发明提供的一种可模拟高温状态下试件力学性能的试验箱及系统通过以下技术要点来解决问题：一种可模拟高温状态下试件力学性能的试验箱，包括箱体本体、设置于箱体本体中的加热装置，所述加热装置不止一个，且各个加热装置在箱体本体中的位置均可调。

以上设置的箱体本体用于盛装需要在高温状态下进行力学性能模拟实验的试件，箱体本体中设置的加热装置用于对箱体本体内环境进行加热，以在试件周围形成高温环境。

本试验箱中，采用设置为加热装置不止一个、且加热装置在箱体本体中的位置可调的形式，便于根据具体的模拟需要，调整加热装置之间的相互位置，以在箱体本体内形成局部的重点加热区域，同时实现以上重点加热区域位置可调的目的。这样，在试件固定于箱体本体中后，可通过调整加热装置的位置，模拟试件在不同受热情况下的力学性能。

作为以上所述的一种可模拟高温状态下试件力学性能的试验箱进一步的技术方案：

作为加热装置的一种优选实现方案，所述加热装置均为电阻式加热棒，所述箱体本体的箱壁上设置有环形孔，各个加热装置的任意一端插入所述环形孔中，且加热装置可在环形孔中滑动，各个加热装置上还设置有用于实现自身与箱体本体固定连接的固定装置。以上方案中，解除固定装置对加热装置的约束后，可实现加热装置绕环形孔滑动，以线性调节加热装置在环形孔中的位置，达到指定位置后，通过固定装置对加热装置进行约束，可使得各加热装置保持在箱体本体中固定的位置上。由于现有电阻式加热棒在工作时，一般会发出可见光，同时根据可见光的明亮程度可判定电阻式加热棒的发热功率。采用将加热装置设置为电阻式加热棒的形式，可很好的模拟在火灾情况下燃烧点对周围物体的传热情况，利于火灾情况下试件在热环境中力学性能试验的准确性，同时便于观察加热装置的工作状态。

作为具体的方案，可将以上电阻式加热棒的任意一端的内侧设置凸缘，外侧设置螺纹，以上螺纹上螺纹连接锁紧螺帽，即固定装置采用锁紧螺帽，锁紧螺帽位于箱体本体的外侧，通过锁紧螺帽的端面与凸缘的端面夹持箱体本体的箱壁，实现加热装置在箱体本体上的固定。采用本方案，可避免以上加热装置和锁紧螺帽上的螺纹在高温下遭到破坏。以上加热装置采用硅钼棒，以使得加热装置在直接暴露于大气环境以便于观察工作状态的情况下，仍然具有较长的工作寿命。

为便于观察箱体本体内部试件的状态及加热装置的状态等，所述箱体本体的局部还设置有作为箱体本体箱壁的透光板。考虑到本箱体本体的工作环境，透光板优选采用能够承受较高温度的耐高温视窗玻璃。

为便于调整各个加热装置的发热功率，各个加热装置上均连接有用于控制各个加热装置加热功率的功率控制部，所述功率控制部不止一个，每个功率控制部上均连接有加热装置。以上装置中，若每个加热装置上均配备一个独立的功率控制部，可实现各个加热装置的发热功率均可单独调整，若同一功率控制部控制至少两个加热装置，可使得加热装置被分割成至少两个发热功率可独立控制的发热群，这样，可更好的模拟出试件的不同受热情况。

若加热装置采用硅钼棒，以上功率控制部优选采用变压装置，如可控硅装置。

为便于模拟试件周围等温受热环境，还包括设置于箱体本体内部的空气循环装置。以上空气循环装置可采用风机，优选将风机的叶轮及叶轮轴的一部分伸入箱体本体内部，风机上的驱动部，如驱动电机等设置于箱体本体外部，以利于空气循环装置的使用寿命。

同时，本发明还提供了一种可模拟高温状态下试件力学性能的系统，包括载荷加载装置，还包括以上方案中提供的试验箱，所述载荷加载装置的试件固定端位于箱体本体内部。

以上设置的载荷加载装置用于向试件上施加需要模拟的应力，以上载荷加载装置用于向试件上加载拉应力、压应力、交变应力等，如采用气压缸、液压缸的活塞杆端部作用于试件上，采用由压电换能器、位移放大器串联，超声信号发生器作为压电换能器电能输入装置组成的载荷加载装置等。以上系统可在试件整体、局部高温情况下进行静力试验或者疲劳试验，测试结果准确，测试效率高，其结构简单，操作方便，可较为真实的模拟试件在高温环境下的力学性能。

作为以上所述的一种可模拟高温状态下试件力学性能的系统进一步的技术方案：

为便于对箱体本体内的温度进行监控，还包括设置于箱体本体内部的测温部。优选以上测温部采用温度传感器，同时测温部不止一个，各测温部在箱体本体内部的位置可调的形式。以上温度传感器可直接输出数字信号或模拟信号，以实现利用以上信号反馈，作用于本系统的某些功能部件上，实现本系统的自动化运行。采用测温部不止一个，且各个测温部在箱体本体内位置可调的形式，便于通过不同测温部，监控箱体本体内不同位置的温度情况。以上温测温部器可采用热电偶。

为提升对试件固定的稳固性和避免因为试件上应力集中或者偏心受力等情况，影响试件高温力学性能实验结果的准确性，所述载荷加载装置的试件固定端上还设置有球铰接座，所述球铰接座包括球座、球体、压紧杆及锁紧螺帽，所述球座上设置有球形槽，所述球体内嵌于球形槽中，压紧杆固定于球体上，且压紧杆上设置有用于与载荷加载装置的试件固定端螺纹连接的螺纹段，所述螺纹段上还螺纹连接有用于实现压紧杆与载荷加载装置的试件固定端固定连接的锁紧螺帽，所述球体卡设于球形槽中，且球体可绕自身球心转动。

以上球铰接座上，通过转动压紧杆改变载荷加载装置的试件固定端与试件之间的距离，通过以上锁紧螺帽实现压紧杆与载荷加载装置的试件固定端两者的固定连接，球体可在球形槽中转动的形式，便于改变球座相对于试件的倾斜角度，以在取得球座与试件最佳的作用点，以上作用点上球座与试件可采用直接接触、试件的另一端与箱体本体相互作用以对试件施加静应力，试若要进行疲劳试验，优选拆卸掉所述球铰接座，采用试件与载荷加载装置固定连接的形式。

进一步的，优选在箱体本体内部设置两个成正对关系的球铰接座，其中的一个球铰接座与载荷加载装置相连，另一个球铰接座与箱体本体相连，以将试件固定于两个球铰接座之间进行受热情况下的力学性能试验。

由于本系统中，无论是将载荷加载装置全部或部分置于箱体本体中，由于热传递，载荷加载装置中的部分构件可能不能工作于过高的温度下，故本系统还包括用于对载荷加载装置进行冷却的制冷系统。以上冷却系统利于延长载荷加载装置的使用寿命。以上冷却系统可采用冷流体带走热量的形式。

为便于实现本系统的自动控制，还包括控制装置，所述控制装置与载荷加载装置的工作状态控制部、加热装置的工作状态控制部信号连接，所述控制装置根据箱体本体内的温度和/或载荷加载装置的温度，控制载荷加载装置及加热装置的工作状态。以上控制装置可采用现有技术中的工控机。

本发明具有以下有益效果：

发明提供的试验箱及系统，可对试件在高温环境中承受力学荷载情况下的破坏过程进行实时检测，即，在对试件进行加热的过程中，载荷加载装置可对试件进行静力或者疲劳载荷等复杂荷载下试验研究，克服了现有技术中将试件从炉膛中取出再进行力学荷载下的试验研究带来的温度与实际情况不同和测试结果不准确的缺陷。本试验箱及系统实现了对试件在高温状态和力学荷载下的试验检测，由于试件的受热环境可模拟成更接近试件使用状态下可能承受的高温环境，本发明提供的方案检测效率高，检测结果准确，特别是模拟火灾状态下的试件试验状态，应用范围广。

附图说明

图1是本发明所述的一种可模拟高温状态下试件力学性能的试验箱一个具体实施例的剖视图；

图2是本发明所述的一种可模拟高温状态下试件力学性能的试验箱一个具体实施例的主视图；

图3是本发明所述的一种可模拟高温状态下试件力学性能的系统一个具体实施例中，球铰接座的结构示意图；

图4是本发明所述的一种可模拟高温状态下试件力学性能的试验箱一个具体实施例中，环形孔为矩形时的俯视图；

图5是本发明所述的一种可模拟高温状态下试件力学性能的试验箱一个具体实施例中，环形孔为圆形时的俯视图；

图6是本发明所述的一种可模拟高温状态下试件力学性能的系统一个具体实施例的系统拓扑图。

图中的编号依次为：1、加热装置，2、功率控制部，3、透光板，4、测温部，5、空气循环装置，6、球铰接座，61、球座，62、球体，63、压紧杆，64、锁紧螺帽，7、试件，8、箱体本体，9、载荷加载装置。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但是本发明的结构不仅限于以下实施例。

实施例1：

如图1至图5所示，一种可模拟高温状态下试件力学性能的试验箱，包括箱体本体8、设置于箱体本体8中的加热装置1，所述加热装置1不止一个，且各个加热装置1在箱体本体8中的位置均可调。

以上设置的箱体本体8用于盛装需要在高温状态下进行力学性能模拟实验的试件7，箱体本体8中设置的加热装置1用于对箱体本体8内环境进行加热，以在试件7周围形成高温环境。

本试验箱中，采用设置为加热装置1不止一个、且加热装置1在箱体本体8中的位置可调的形式，便于根据具体的模拟需要，调整加热装置1之间的相互位置，以在箱体本体8内形成局部的重点加热区域，同时实现以上重点加热区域位置可调的目的。这样，在试件7固定于箱体本体8中后，可通过调整加热装置1的位置，模拟试件7在不同受热情况下的力学性能。

本实施例中，箱体本体8采用为金属材质的外壳作为强度层、强度层以内设置由石膏板或隔热棉制成的隔热层以对外壳进行隔热保护，加热装置1位于隔热层以内，隔热层与强度层之间设置空气流通通道以进一步强化对强度层的隔热保护，同时在强度层和隔热层上设置贯穿各自内外侧的通孔，通孔上设置与通孔为可拆卸连接关系的堵头，以实现在拆掉堵头后，实现箱体本体8内部与外部的空气对流，以避免加热装置1连续长时间工作后，在试件7周围形成等温环境，或模拟试件7周围高温区域有自然空气流过的温度环境。

实施例2：

如图1至图4所示，本实施例在实施例1的基础上作进一步限定：作为加热装置1的一种优选实现方案，所述加热装置1均为电阻式加热棒，所述箱体本体8的箱壁上设置有环形孔，各个加热装置1的任意一端插入所述环形孔中，且加热装置1可在环形孔中滑动，各个加热装置1上还设置有用于实现自身与箱体本体8固定连接的固定装置。以上方案中，解除固定装置对加热装置1的约束后，可实现加热装置1绕环形孔滑动，以线性调节加热装置1在环形孔中的位置，达到指定位置后，通过固定装置对加热装置1进行约束，可使得各加热装置1保持在箱体本体8中固定的位置上。由于现有电阻式加热棒在工作时，一般会发出可见光，同时根据可见光的明亮程度可判定电阻式加热棒的发热功率。采用将加热装置1设置为电阻式加热棒的形式，可很好的模拟在火灾情况下燃烧点对周围物体的传热情况，利于火灾情况下试件7在热环境中力学性能试验的准确性，同时便于观察加热装置1的工作状态。

作为具体的方案，可将以上电阻式加热棒的任意一端的内侧设置凸缘，外侧设置螺纹，以上螺纹上螺纹连接锁紧螺帽64，即固定装置采用锁紧螺帽64，锁紧螺帽64位于箱体本体8的外侧，通过锁紧螺帽64的端面与凸缘的端面夹持箱体本体8的箱壁，实现加热装置1在箱体本体8上的固定。采用本方案，可避免以上加热装置1和锁紧螺帽64上的螺纹在高温下遭到破坏。以上加热装置1采用硅钼棒，以使得加热装置1在直接暴露于大气环境以便于观察工作状态的情况下，仍然具有较长的工作寿命。

为便于观察箱体本体8内部试件7的状态及加热装置1的状态等，所述箱体本体8的局部还设置有作为箱体本体8箱壁的透光板3。考虑到本箱体本体8的工作环境，透光板3优选采用能够承受较高温度的耐高温视窗玻璃。

为便于调整各个加热装置1的发热功率，各个加热装置1上均连接有用于控制各个加热装置1加热功率的功率控制部2，所述功率控制部2不止一个，每个功率控制部2上均连接有加热装置1。以上装置中，若每个加热装置1上均配备一个独立的功率控制部2，可实现各个加热装置1的发热功率均可单独调整，若同一功率控制部2控制至少两个加热装置1，可使得加热装置1被分割成至少两个发热功率可独立控制的发热群，这样，可更好的模拟出试件7的不同受热情况。

若加热装置1采用硅钼棒，以上功率控制部2优选采用变压装置，即变压器，如可控硅装置。

为便于模拟试件7周围等温受热环境，还包括设置于箱体本体8内部的空气循环装置5。以上空气循环装置5可采用风机，优选将风机的叶轮及叶轮轴的一部分伸入箱体本体8内部，风机上的驱动部，如驱动电机等设置于箱体本体8外部，以利于空气循环装置5的使用寿命。

实施例3：

一种可模拟高温状态下试件力学性能的系统，如图1至图6所示，包括载荷加载装置9，还包括以上任意一个实施例所提供的任意一个试验箱方案，所述载荷加载装置9的试件固定端位于箱体本体8内部。

以上设置的载荷加载装置9用于向试件7上施加需要模拟的应力，以上载荷加载装置9用于向试件7上加载拉应力、压应力、交变应力等，如采用气压缸、液压缸的活塞杆端部作用于试件7上，采用由压电换能器、位移放大器串联，超声信号发生器作为压电换能器电能输入装置组成的载荷加载装置9等。以上系统可在试件7整体、局部高温情况下进行静力试验或者疲劳试验，测试结果准确，测试效率高，其结构简单，操作方便，可较为真实的模拟试件7在高温环境下的力学性能。

实施例4：

本实施例在实施例3的基础上对所述系统作进一步限定，为便于对箱体本体8内的温度进行监控，还包括设置于箱体本体8内部的测温部4。优选以上测温部4采用温度传感器，同时测温部4不止一个，各测温部4在箱体本体8内部的位置可调的形式。以上温度传感器可直接输出数字信号或模拟信号，以实现利用以上信号反馈，作用于本系统的某些功能部件上，实现本系统的自动化运行。采用测温部4不止一个，且各个测温部4在箱体本体8内位置可调的形式，便于通过不同测温部4，监控箱体本体8内不同位置的温度情况。以上温测温部4器可采用热电偶。

为提升对试件7固定的稳固性和避免因为试件7上应力集中或者偏心受力等情况，影响试件7高温力学性能实验结果的准确性，所述载荷加载装置9的试件固定端上还设置有球铰接座6，所述球铰接座6包括球座61、球体62、压紧杆63及锁紧螺帽64，所述球座61上设置有球形槽，所述球体62内嵌于球形槽中，压紧杆63固定于球体62上，且压紧杆63上设置有用于与载荷加载装置9的试件固定端螺纹连接的螺纹段，所述螺纹段上还螺纹连接有用于实现压紧杆63与载荷加载装置9的试件固定端固定连接的锁紧螺帽64，所述球体62卡设于球形槽中，且球体62可绕自身球心转动。

以上球铰接座6上，通过转动压紧杆63改变载荷加载装置9的试件固定端与试件7之间的距离，通过以上锁紧螺帽64实现压紧杆63与载荷加载装置9的试件固定端两者的固定连接，球体62可在球形槽中转动的形式，便于改变球座61相对于试件7的倾斜角度，以在取得球座61与试件7最佳的作用点，以上作用点上球座61与试件7可采用直接接触、试件7的另一端与箱体本体8相互作用以对试件7施加静应力，试若要进行疲劳试验，优选拆卸掉所述球铰接座6，采用试件7与载荷加载装置9固定连接的形式。

本实施例中，为避免在非人为情况下球体62由球形槽中脱出，以上球形槽的开口宽度小于球体62的直径，且球座61为两段组合式结构，球形槽由球座61的两段拼接而成，球座61的两段采用螺栓连接，以便于在球座61上安装球体62。

进一步的，优选在箱体本体8内部设置两个成正对关系的球铰接座6，其中的一个球铰接座6与载荷加载装置9相连，另一个球铰接座6与箱体本体8相连，以将试件7固定于两个球铰接座6之间进行受热情况下的力学性能试验。

由于本系统中，无论是将载荷加载装置9全部或部分置于箱体本体8中，由于热传递，载荷加载装置9中的部分构件可能不能工作于过高的温度下，故本系统还包括用于对载荷加载装置9进行冷却的制冷系统。以上冷却系统利于延长载荷加载装置9的使用寿命。以上冷却系统可采用冷流体带走热量的形式。

为便于实现本系统的自动控制，还包括控制装置，所述控制装置与载荷加载装置9的工作状态控制部、加热装置1的工作状态控制部信号连接，所述控制装置根据箱体本体8内的温度和/或载荷加载装置9的温度，控制载荷加载装置9及加热装置1的工作状态。以上控制装置可采用现有技术中的工控机。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可模拟高温状态下试件力学性能的试验箱，包括箱体本体（8）、设置于箱体本体（8）中的加热装置（1），其特征在于，所述加热装置（1）不止一个，且各个加热装置（1）在箱体本体（8）中的位置均可调。

2.根据权利要求1所述的一种可模拟高温状态下试件力学性能的试验箱，其特征在于，所述加热装置（1）均为电阻式加热棒，所述箱体本体（8）的箱壁上设置有环形孔，各个加热装置（1）的任意一端插入所述环形孔中，且加热装置（1）可在环形孔中滑动，各个加热装置（1）上还设置有用于实现自身与箱体本体（8）固定连接的固定装置。

3.根据权利要求1所述的一种可模拟高温状态下试件力学性能的试验箱，其特征在于，所述箱体本体（8）的局部还设置有作为箱体本体（8）箱壁的透光板（3）。

4.根据权利要求1所述的一种可模拟高温状态下试件力学性能的试验箱，其特征在于，各个加热装置（1）上均连接有用于控制各个加热装置（1）加热功率的功率控制部（2），所述功率控制部（2）不止一个，每个功率控制部（2）上均连接有加热装置（1）。

5.根据权利要求1所述的一种可模拟高温状态下试件力学性能的试验箱，其特征在于，还包括设置于箱体本体（8）内部的空气循环装置（5）。

6.一种可模拟高温状态下试件力学性能的系统，包括载荷加载装置（9），其特征在于，还包括如权利要求1-5中任意一项所述的试验箱，所述载荷加载装置（9）的试件固定端位于箱体本体（8）内部。

7.根据权利要求6所述的一种可模拟高温状态下试件力学性能的系统，其特征在于，还包括设置于箱体本体（8）内部的测温部（4）。

8.根据权利要求6所述的一种可模拟高温状态下试件力学性能的系统，其特征在于，所述载荷加载装置（9）的试件固定端上还设置有球铰接座（6），所述球铰接座（6）包括球座（61）、球体（62）、压紧杆（63）及锁紧螺帽（64），所述球座（61）上设置有球形槽，所述球体（62）内嵌于球形槽中，压紧杆（63）固定于球体（62）上，且压紧杆（63）上设置有用于与载荷加载装置（9）的试件固定端螺纹连接的螺纹段，所述螺纹段上还螺纹连接有用于实现压紧杆（63）与载荷加载装置（9）的试件固定端固定连接的锁紧螺帽（64），所述球体（62）卡设于球形槽中，且球体（62）可绕自身球心转动。

9.根据权利要求6所述的一种可模拟高温状态下试件力学性能的系统，其特征在于，还包括用于对载荷加载装置（9）进行冷却的制冷系统。

10.根据权利要求6所述的一种可模拟高温状态下试件力学性能的系统，其特征在于，还包括控制装置，所述控制装置与载荷加载装置（9）的工作状态控制部、加热装置（1）的工作状态控制部信号连接，所述控制装置根据箱体本体（8）内的温度和/或载荷加载装置（9）的温度，控制载荷加载装置（9）及加热装置（1）的工作状态。