CN106441775A - 高温、多碰复合环境试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明高温、多碰复合环境试验装置及试验方法，高温载荷以及多碰载荷的协同加载，是利用吊具将加热炉吊起来，与试验件、多碰机未有直接连接，这样做就避免了加热系统与多碰试验系统的相互接触，相互耦合；同时，试验件固定在多碰机上，插入加热炉内腔，保留一定的插入深度，防止加热炉口处温度不均匀，较低等缺陷；此外为防止高温传递至多碰机，设计的防隔热方式：水箱隔热；以及高温下由于热膨胀系数不一致而引起的热变形，本发明在试验方法中第二次利用夹具包带加固试验件，可以解决由于高温引起的试验夹具热变形，不匹配等问题，避免了由于热变形造成的多碰复合环境试验载荷考核失效等问题。

Description

高温、多碰复合环境试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于力和热的复合环境试验用设备领域，尤其涉及高温、多碰复合环境试验装置及试验方法。

背景技术

某些产品，如包含自热源部组件的空间飞行器、武器等，其服役过程中，除了正常储存状态下的由于自热而产生的热环境外，还需经历一些特殊环境载荷。如海上、山路运输环境中的连续碰撞载荷、发射过程中的冲击碰撞载荷、爆炸及紧急事故下坠海、斜坡滚落等异常情况，这些都构成了产品所需经历的多碰-高温复合环境。

以航天发动机为例，航天发动机采用了大量的树脂基复合材料，发动机运行时环境温度达到400℃，构成其所需经历的热环境。在航天飞行器起飞或着陆时，跑道上碎石、螺钉等会对发动机造成低速、低能的多次冲击碰撞，构成其所需经历的多碰环境。高温状态的发动机部件在持续的低速低能冲击碰撞载荷作用下，树脂基层合板内部很容易产生基体开裂和分层等损伤，这些内部损伤很难直接观察到，而这些内部损伤使得层合板的强度甚至削弱35％～40％[1,2]，层合板的表面损伤很小，不易直接观察到，对复合材料层合部件的破坏形成潜在的威胁。

为了保障产品在研制生产、运输交付、使用过程中的安全可靠，针对上述环境载荷，为了考察产品的环境适应性，查找设计缺陷，有必要开展高温-多碰复合环境试验考核。

国内外进行的冲击实验普遍是破坏性实验，如使用冲击锤对试件进行一次性冲击剪切破坏实验；针对实验对象进行振动实验的研究较多，而进行非破坏性连续冲击的实验较少。此类实验在产品包装的耐冲击性实验中进行得较多，但是其连续冲击载荷较小，且研究目的多为检验包装的可靠性，而非研究包装在连续冲击载荷作用下的动力学特性。另外，国内外进行的冲击试验中，高温状态下的一次性冲击试验研究较多，尚未见到多碰、高温复合环境下的冲击试验。

国内外相关学者对于冲击、高温下的冲击、多碰系统等开展了很多研究，如下所示：

1、文献[1]表明，产品在承受多次低能量碰撞载荷时，存在损伤积累，引起裂纹等现象。根据[2,3]认为，当载荷作用时间小于被冲击体的自振周期或小于其一半左右时，称为冲击载荷。多冲碰撞载荷与一次冲击碰撞载荷不同，其冲击应力和冲击能量远小于材料的强度极限，且冲击次数较多(文献写法：运动形式呈现为反复接触-分离的特点)。.

2、高温对复合材料各力学性能的影响规律，国内外学者已经做了一些研究。J.R.Kerr等[4]对不同铺层顺序的AS-5/3501复合材料层合板进行了不同温度下的拉伸强度试验研究，试验温度范围为218K～450K(-55℃～177℃)，试验结果表明，0度和45度单向板的拉伸强度随着温度的增加基本不变，而90度单向板的拉伸强度随着温度的增加而减小。

中国工程物理研究院张方举等[5]建立了一套用于高温试验的分离式霍普金森压杆SHPB系统。贾彬等[6]采用微波炉加热试件，石棉包裹保温的办法，利用这套系统研究了某产品在高温下动态力学特性。张健康[7]，李志武[8]等人，利用冲击试验机与加热炉，研究了金属、混凝土等材料在400范围内的冲击性能。

对上述做法的分析：通常只有一次冲击。这种情况下，一般是是温度加到位了以后，放进冲击设备。这种做法，一部分，如微波炉，石棉保温，这样温度保持不会很到位。另外用加热炉，时间也较短，看不出两套系统的相互耦合影响，一些材料的热膨胀，传感器粘贴方式等都没有得到很好的考验。

3、对多碰载荷下材料的力学特性研究包括：

[9]中研究了材料在多冲载荷下有明显不同于静疲劳的尺寸效应。

国内外许多学者针对工程上非常突出的多次冲击滑动摩擦磨粒磨损问题进行了较多的研究[10-14]这些研究侧重于材料在冲击滑动条件下的耐磨性。

Stanton和Bairstow最早涉足该领域，他们较深入考察了化学成分对铁素体珠光体钢冲击破断周次的影响[15]。Layland对15种典型结构钢在多冲载荷下的行为进行了考查。给出了每种材料的冲击能量A和破断周次N间的关系曲线。

上述研究未结合高温条件。

4、多碰试验机研究现状

国外的有美国MTS公司生产的886系列冲击试验机、美国AVCO公司生产的SM系列冲击试验机、日本吉田精机株式会社生产的ASQ系列冲击试验机、Lansmont公司机械式，跌落式冲击台、美国TEAM公司的振动冲击台等。可以在一台设备上产生多种力脉冲波形的智能化力脉冲发生器，辅以高度自动化的控制以及数据分析设备的新型冲击试验机。

国内企业对多碰试验机的研制，能产生的波形比较单一，即以橡胶、液压或气动来提供缓冲波形。中国工程物理研究院岳晓红[16]等针对凸轮式多碰机工作时的次冲击、凸轮碰撞等问题开展了设备运行优化设计，依据系统线性模型给出冲击参数的计算公式，为指导设备运行过程中的波形调试提供了重要理论依据。

但国内外的试验机均未有温度加载功能。

5、标准

GJB 150.18A-2009《军用装备实验室环境试验方法，第18部分：冲击试验3.3部分，明确150A中的冲击试验标准不包括高低温环境下的情况。而国家计量检定规程中JJG497-2000《碰撞试验台》对试验台使用环境进行了规定，也未见多碰、高温方面的相关内容。由于标准的缺失，也给相关试验的开展带来一定的困难，限制了试验技术的发展。相当多的单位，在开展多碰试验时，对于温度载荷的约束，仅仅近似认为常温环境去处理，这种方法，掩盖了产品可能暴露的问题，是有产品质量隐患的。

上述技术方案，包括一次性冲击加热载荷、单一多碰载荷等，均未考虑到热载荷与多碰载荷协同作用的情况。多载荷的复合试验，可以较单一载荷试验暴露出更多的问题，美军标810就推荐，在有情况的条件下，尽量采用复合试验对产品进行考核。

就高温、多碰复合技术而言，高温情况下，产品自身受到热膨胀等因素的影响，力学性能等均有了较大变化。而多碰环境，是一个持续性较强，累加效应较多的情况。因此，不应用单一多碰条件，或高温一次性冲击进行取代，现有技术的试验装置和试验方法均应做出改进。

引用的相关文献如下：

[1]傅戈雁,石世宏.多冲碰撞载荷下激光涂层的接触损伤分析[J].激光与红外2006,36,(6):587-589

[2]Collins JA.Failure ofmaterials in Mechanical Design[M].JohnWiley&Sons,Inc.1981:725-745

[3]王步赢.机械零件强度计算的理论和方法[M].北京:高等教育出版社,1986

[4]J.R.Kerr,J.F.Haskins,and B.A.Stein.Program.Definition andpreliminary results of a long-term evalution program of advanced compositesfor supersonic cruise aircraft applications.Environmental Effects onAdvancedComposite Materials,ASTM,STP602(1975),P.3.

[5]张方举，谢若泽，田常津.SHPB系统高温实验自动组装技术J.实验力学,2005,20,(2):281-284

[6]贾彬，陶俊林，李正良.高温混凝土动态力学性能的SHPB试验研究J.兵工学报,209,30,(s2)208-212

[7]张健康，刘宏建.铍材在高温时的冲击性能初探[J]，宁夏工程技术.2009，8，(2)112-114

[8]李志武，许金余.高温下混凝土冲击加载试验研究[J]，高压物理学报,2013,27(3):417-422

[9]黄明志,石德珂,金志浩.金属力学性能[M].西安交通大学出版社.1986

[10]J.T.Burwell,Wear.1957(1):119

[11]G.P.Tilly,Treatise on Materials Science and Technology.Wear,Vol.131979:287-319

[12]仝健民,李明义.材料的冲击磨料磨损耐磨性及其疲劳磨损机制[J].机械工程材料.1993(3)：10-16

[13]戴品强,黄水兴.热处理工艺对中碳钢冲击磨料磨损耐磨性的影响[J].金属热处理.1998(12)：19-21

[14]吕宇鹏.变质超高锰钢的冲击磨料磨损行为研究[J].金属学报.1999(6)：581-584

[15]T.E.Stanton and L Bairstow,The Resistance of Materials toImpact.Proc.Inst.Mech.Engrs.,(1908)：889-919

[16]岳晓红.凸轮式连续碰撞台使用中常见问题探讨[J].工程设计与力学环境.2005(2)：10-17

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供高温、多碰复合环境试验装置及试验方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

高温、多碰复合环境试验装置，包括试验件安装台、吊具、加热炉、夹具包带、试验夹具、水箱和多碰机，所述加热炉通过所述吊具安装在试验件的上部，试验件通过所述夹具包带定位在所述试验夹具上，所述试验夹具下部与水箱连接，所述水箱的下部安装在所述多碰机的试验台上。

具体地，所述水箱与所述多碰机的试验台之间还设置有多根连接杆。

具体地，所述多碰机上还安装有多碰载荷传感器。

具体地，所述加热炉为圆筒形，试验件置于所述加热炉内部。

具体地，所述水箱上设置有进水管和出水管。

一种高温、多碰复合环境试验装置的试验方法，包括以下步骤：

一、试验前准备，检查试验件和试验装置状态；

二、将试验件安装在试验夹具上，放置在多碰试验台上，利用试验包带进行定位，试验包带和试验夹具之间预留出防止试验件高温热变形的空间；

三、先将水箱装满水，然后水箱上的进水管进水，出水管出水；

四、利用吊具等工具将所述加热炉吊起，放置在试验件上，计算尺寸，设计试验件插入所述加热炉的深度；

五、所述加热炉工作开始加热，升温过程中随时检测所述水箱水温和多碰机的试验台温度情况；

六、待温度升至试验要求后，垂直抬起所述加热炉，此时，检查所述试验夹具、所述夹具包带变形情况，再用夹具包带夹紧试验件；

七、再放下所述加热炉，继续加热，待温度稳定后，开启多碰机，进行试验；

八、试验完成后，关闭所述加热炉，抬起所述加热炉，解开所述夹具包带，试验结束。

本发明的有益效果在于：

本发明高温、多碰复合环境试验装置及试验方法，高温载荷以及多碰载荷的协同加载，是利用吊具将加热炉吊起来，与试验件、多碰机未有直接连接，这样做就避免了加热系统与多碰试验系统的相互接触，相互耦合；同时，试验件固定在多碰机上，插入加热炉内腔，保留一定的插入深度，防止加热炉口处温度不均匀，较低等缺陷；此外为防止高温传递至多碰机，设计的防隔热方式：水箱隔热；以及高温下由于热膨胀系数不一致而引起的热变形，本专利在试验方法中第二次利用夹具包带加固试验件，可以解决由于高温引起的试验夹具热变形，不匹配等问题，避免了由于热变形造成的多碰复合环境试验载荷考核失效等问题。

附图说明

图1是本发明中试验装置的结构示意图。

图中：1-吊具，2-加热炉，3-夹具包带，4-试验件，5-试验夹具，6-水箱，7-多碰载荷传感器，8-多碰机。

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，本发明高温、多碰复合环境试验装置，包括试验件4安装台、吊具1、加热炉2、夹具包带3、试验夹具5、水箱6和多碰机8，加热炉2通过吊具1安装在试验件4的上部，试验件4通过夹具包带3定位在试验夹具5上，试验夹具5下部与水箱6连接，水箱6的下部安装在多碰机8的试验台上。水箱6与多碰机8的试验台之间还设置有多根连接杆。多碰机8上还安装有多碰载荷传感器7。加热炉2为圆筒形，试验件4置于加热炉2内部。水箱6上设置有进水管和出水管。

水箱6的作用是防止热量传递至多碰机8，以免影响碰撞试验。

一种高温、多碰复合环境试验装置的试验方法，包括以下步骤：

一、试验前准备，检查试验件4和试验装置状态；

二、将试验件4安装在试验夹具5上，放置在多碰试验台上，利用试验包带进行定位，试验包带和试验夹具5之间预留出防止试验件4高温热变形的空间；防止高温热变形后造成试验件4损坏。

三、先将水箱6装满水，然后水箱6上的进水管进水，出水管出水；

四、利用吊具1等工具将加热炉2吊起，放置在试验件4上，计算尺寸，设计试验件4插入加热炉2的深度；不可太浅，以免多碰机8运动过程中造成温度波动。

五、加热炉2工作开始加热，升温过程中随时检测水箱6水温和多碰机8的试验台温度情况；

六、待温度升至试验要求后，垂直抬起加热炉2，此时，检查试验夹具5、夹具包带3变形情况，再用夹具包带3夹紧试验件4；

七、再放下加热炉2，继续加热，待温度稳定后，开启多碰机8，进行试验；

八、试验完成后，关闭加热炉2，抬起加热炉2，解开夹具包带3，试验结束。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.高温、多碰复合环境试验装置，包括试验件安装台，其特征在于：还包括吊具、加热炉、夹具包带、试验夹具、水箱和多碰机，所述加热炉通过所述吊具安装在试验件的上部，试验件通过所述夹具包带定位在所述试验夹具上，所述试验夹具下部与水箱连接，所述水箱的下部安装在所述多碰机的试验台上。

2.根据权利要求1所述的高温、多碰复合环境试验装置，其特征在于：所述水箱与所述多碰机的试验台之间还设置有多根连接杆。

3.根据权利要求1所述的高温、多碰复合环境试验装置，其特征在于：所述多碰机上还安装有多碰载荷传感器。

4.根据权利要求1所述的高温、多碰复合环境试验装置，其特征在于：所述加热炉为圆筒形，试验件置于所述加热炉内部。

5.根据权利要求1所述的高温、多碰复合环境试验装置，其特征在于：所述水箱上设置有进水管和出水管。

6.一种如权利要求1所述的高温、多碰复合环境试验装置，其特征在于，包括以下步骤：

一、试验前准备，检查试验件和试验装置状态；

二、将试验件安装在试验夹具上，放置在多碰试验台上，利用试验包带进行定位，试验包带和试验夹具之间预留出防止试验件高温热变形的空间；

三、先将水箱装满水，然后水箱上的进水管进水，出水管出水；

四、利用吊具等工具将所述加热炉吊起，放置在试验件上，计算尺寸，设计试验件插入所述加热炉的深度；

五、所述加热炉工作开始加热，升温过程中随时检测所述水箱水温和多碰机的试验台温度情况；

六、待温度升至试验要求后，垂直抬起所述加热炉，此时，检查所述试验夹具、所述夹具包带变形情况，再用夹具包带夹紧试验件；

七、再放下所述加热炉，继续加热，待温度稳定后，开启多碰机，进行试验；

八、试验完成后，关闭所述加热炉，抬起所述加热炉，解开所述夹具包带，试验结束。