CN106053515A - 一种多孔夹层板高温热屈曲热力加载试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多孔夹层板高温热屈曲热力加载试验装置，能够避免固定螺栓直接与多孔夹层板接触产生的应力集中。包括铸铁块、垫块和固定螺栓；所述铸铁块为环形片状结构，包括两个，两个所述铸铁块层叠设置；所述垫块包括四个，设在层叠设置的两个所述铸铁块的夹层内，并分设在所述铸铁块的四边；所述铸铁块的中部形成多孔夹层板的设置空间，所述多孔夹层板的周边部分与所述垫块相互卡固并固定在上下两个所述铸铁块之间；所述固定螺栓包括多个，将两个所述铸铁块与所述垫块相互连接固定，并将所述多孔夹层板固定，所述多孔夹层板上设有试验样本和应变片。

Description

一种多孔夹层板高温热屈曲热力加载试验装置

技术领域

本发明涉及一种多孔夹层板高温热屈曲热力加载试验装置。

背景技术

随着超高声速飞行器的发展，对于结构的轻量化及多功能性的要求也越来越高。多孔夹层板结构因其高比刚度、比轻度及其多功能性的特点得到了广泛的应用。飞行器结构在运行过程中，由于气动热的影响经常要面临极端的热环境，这就使得其板壳结构受热膨胀后因受到边界约束容易发生屈曲现象，因此有必要开展针对板壳结构的热屈曲实验研究。

目前国内外已经开展了一些关于薄板以及层合板的热屈曲实验工作。Heldenfels和Roberts于1952年开展了标志性的非均匀温度场下的薄板热屈曲测试。实验中利用电加热器在薄板中心进行加热，薄板两边简支另外两边利用水流进行降温。位移和后屈曲行为主要通过千分尺来测试。Kevin D.Murphy和David Ferreira对均匀温度场下四边固支薄板进行了热屈曲测试。实验过程中通过均匀分布的加热器来对薄板进行加热，位移通过位移传感器来进行测试。Blosser分析了热结构测试过程中存在的主要问题，对于均匀温度场下板壳结构热屈曲测试，热力学边界条件的设计是实验能否成功的最重要的一个因素之一。Richard在针对均匀温度场下钛合金蜂窝夹层板结构的热屈曲测试中发现，系统的热力学边界条件相互冲突影响了实验的结果。如果边界约束太强就会产生额外的热沉，从而破坏了系统的热边界条件，而约束太弱就会破坏了四边固支的力学边界条件。

为了解决这个问题Joseph F.Rakow和Anthony M.Waas提出了一种新型的实验装置，如图1所示，它的基本原理是面内压力主要通过夹具与试件的热膨胀系数差异来提供，从而成功地避免了热力学边界条件的相互冲突。

但是该装置中，螺栓与夹层板边界直接接触，容易在接触面产生应力集中，降低了结构的热屈曲变形。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多孔夹层板高温热屈曲热力加载试验装置，能够解决上述问题。

为了达到上述目的，本发明的具体技术方案如下：

一种多孔夹层板高温热屈曲热力加载试验装置，包括铸铁块、垫块和固定螺栓；

所述铸铁块为环形片状结构，包括两个，两个所述铸铁块层叠设置；

所述垫块包括四个，设在层叠设置的两个所述铸铁块的夹层内，并分设在所述铸铁块的四边；所述铸铁块的中部形成多孔夹层板的设置空间，所述多孔夹层板的周边部分与所述垫块相互卡固并固定在上下两个所述铸铁块之间；

所述固定螺栓包括多个，将两个所述铸铁块与所述垫块相互连接固定，并将所述多孔夹层板固定，所述多孔夹层板上设有试验样本和应变片。

进一步地，所述铸铁块的外边界尺寸为300mm×300mm，所述铸铁块的中部形成的多孔夹层板的固定空间的面积为200mm×200mm。

进一步地，所述铸铁块的热膨胀系数为9.0×10^-6/℃。

进一步地，热载荷条件下多孔夹层板的面内压力为：

$N_T=\∫\frac{E(z,T)\left({\mathrm{\α}}_{frame}\right(z,T)-{\mathrm{\α}}_{panel}(z,T))\mathrm{\Δ}T(z,T)}{1-\mathrm{\μ}(z,T)}dz;$

其中α_frame和α_panel分别为夹具与试件的热膨胀系数，E(z,T)与μ(z,T)为夹层板结构所用材料的弹性模量与泊松比,ΔT为温度增量。

本发明提供的一种多孔夹层板高温热屈曲热力加载试验装置，利用固定螺栓将层叠设置的两个铸铁块固定，同时，设在两个铸铁块之间的垫块以及多孔夹层板被固定，其中设在铸铁块之间的垫块直接与多孔夹层板接触，不仅能够将多孔夹层板固定，同时也避免了固定螺栓直接与多孔夹层板接触产生的应力集中。

由于多孔夹层板面内压力由边界约束提供，而边界处如果直接与螺栓连接会产生较大的局部应力集中。为此，为了消除边界处应力集中，在两个铸铁块边缘处放置了四个垫块，然后通过垫块与夹层板边界相接触来避免螺栓直接与点阵试件接触产生的应力集中。

组装时，在上下两个铸铁块上均设置螺孔，首先将螺栓全部放置在下层铸铁块螺孔当中，并将垫块放置在螺孔中，然后利用虎钳给垫块较小的面内压力180-250N，使得垫块与多孔夹层板边界充分接触，但是不会对结构的热屈曲行为产生影响。最后将上层铸铁块放置在垫块上面并使用固定螺栓固定，这样可以通过垫块来约束多孔夹层板试件的热膨胀，从而提供面内压力，实现热屈曲测试。

附图说明

图1为Joseph F.Rakow和Anthony M.Waas提出的试验装置示意图；

图2为利用图1所示试验装置进行夹层板试验的中心离面位移与理论结果比对曲线图；

图3a为本发明提供的多孔夹层板高温热屈曲热力加载试验装置模拟示意图；

图3b为本发明提供的试验装置的结构示意图；

图4a-图4f为实验例1中多孔夹层板热屈曲全场变形随温升的变化测量结果示意图；

图5a-图5d为实验例2中多孔夹层板热屈曲变形效果图；

1.螺栓，2.铸铁块，3.垫块，4.夹层板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行说明。

如图1所示，该装置通过螺栓1对夹层板4边界进行约束夹层板4热变形，从而实现面内压力的加载。但是由于夹持装置中夹层板4边界跟螺栓1直接接触，容易在接触面产生应力集中，从而降低了结构的热屈曲变形。

如图2所示，图中的黑粗线为FEM，白色圆点连线为实验数据，两条垂直虚线中，右侧虚线为T_cr'theory，左侧虚线为T_cr'experiment and FEA。

利用图1所示的实验装置对多孔夹层板4的热屈曲测试中发现，多孔夹层板4与固定螺栓1的连接处产生了比较明显的塑形变形，使得实验测量得到的夹层板4热屈曲离面变形小于有限元分析结果。

如图3a所示，本发明提供的试验装置，包括铸铁块2、垫块3、固定螺栓1，垫块3设在两个铸铁块2夹层之间，通过固定螺栓1将整体固定，多孔夹层板4设在铸铁块2中部，多孔夹层板4的周边通过铸铁块2和垫块3将其固定，在夹层板4上设有样本，样本上设有测试用应变片。

实验过程中，首先将固定螺栓1全部放置在下层铸铁块2螺孔当中，并将垫块3放置在螺孔中，然后利用虎钳给垫块较小的面内压力180-250牛，使得垫块3与多孔夹层板4边界充分接触，不会对结构的热屈曲行为产生影响。最后将上层铸铁块2放置在垫块3上面并进行固定。这样可以通过垫块3来约束多孔夹层板4的热膨胀，从而提供面内压力，实现热屈曲测试。

实验例1：

使用本发明提供的试验装置对多孔夹层板4的热屈曲性能进行测试，如图4a-图4f所示，可以看出在温升达到297℃左右的时候，多孔夹层板4发生了屈曲。由于制备缺陷的影响，结构的失效模式为非对称的，夹层板4的离面位移并未在中心处产生，而是产生在边缘处。

实验例2：

为使用本发明提供的试验装置对多孔夹层板4的屈曲失效模式进行测试，根据3D-DIC测量得到的屈曲模式可以得出，对于多孔夹层板4而言，局部屈服及整体屈曲为它的最主要的热屈曲失效模式。另外，通过实验观测，如图5a-图5d所示，通过夹持装置中增加垫块3，多孔夹层板4边缘处未发现局部塑性变形。因此，成功避免了螺栓1与样本直接接触产生的应力集中。

以上，虽然说明了本发明的几个实施方式，但是这些实施方式只是作为例子提出的，并非用于限定本发明的范围。对于这些新的实施方式，能够以其他各种方式进行实施，在不脱离本发明的要旨的范围内，能够进行各种省略、置换、及变更。这些实施方式和其变形，包含于本发明的范围和要旨中的同时，也包含于权利要求书中记载的发明及其均等范围内。

Claims (4)

1.一种多孔夹层板高温热屈曲热力加载试验装置，其特征在于，包括铸铁块、垫块和固定螺栓；

所述铸铁块为环形片状结构，包括两个，两个所述铸铁块层叠设置；

所述垫块包括四个，设在层叠设置的两个所述铸铁块的夹层内，并分设在所述铸铁块的四边；所述铸铁块的中部形成多孔夹层板的设置空间，所述多孔夹层板的周边部分与所述垫块相互卡固并固定在上下两个所述铸铁块之间；

所述固定螺栓包括多个，将两个所述铸铁块与所述垫块相互连接固定，并将所述多孔夹层板固定，所述多孔夹层板上设有试验样本和应变片。

2.根据权利要求1所述的一种多孔夹层板高温热屈曲热力加载试验装置，其特征在于，所述铸铁块的外边界尺寸为300mm×300mm，所述铸铁块的中部形成的多孔夹层板的固定空间的面积为200mm×200mm。

3.根据权利要求1所述的一种多孔夹层板高温热屈曲热力加载试验装置，其特征在于，所述铸铁块的热膨胀系数为9.0×10^-6/℃。

4.根据权利要求1所述的一种多孔夹层板高温热屈曲热力加载试验装置，其特征在于，热载荷条件下多孔夹层板的面内压力为：

$N_T=\∫\frac{E(z,T)\left({\mathrm{\α}}_{frame}\right(z,T)-{\mathrm{\α}}_{panel}(z,T))\mathrm{\Δ}T(z,T)}{1-\mathrm{\μ}(z,T)}dz;$

其中α_frame和α_panel分别为夹具与试件的热膨胀系数，E(z,T)与μ(z,T)为夹层板结构所用材料的弹性模量与泊松比,ΔT为温度增量。