CN106610355A - 热机疲劳试验方法及试验设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种热机疲劳试验方法，包括以下步骤:设定载荷加载参数；控制试样的表面温度在设定的温度范围内循环，对试样施加温度载荷；根据设定的机械载荷与温度之间的函数关系向试样施加机械载荷；达到设定的循环加载次数则结束试验。将温度载荷和机械载荷耦合加载，使两种载荷实时对应，而这种实时对应关系与实际工况条件吻合，可同时控制温度载荷和机械载荷的加载方式，实现温度载荷和机械载荷的对应关系，能更加准确反映试样材料在机械载荷和热载荷共同作用下的疲劳损伤情况，且具有试验周期较短、精度高、可控性好的特点。
Description
技术领域
本发明涉及机械疲劳测试技术，尤其是一种热机疲劳试验方法及试验设备。
背景技术
实际工程中，很多疲劳损伤是由于机械载荷和热载荷共同作用引发的，疲劳在结构及部件的安全评估中尤为重要。目前多进行单一的机械疲劳测试和热疲劳测试，或将热载荷转化为机械载荷进行疲劳性能的测试，这些方式都不能准确反映材料在机械载荷和热载荷共同作用下的疲劳损伤情况。
20世纪80年代后期，才开始出现热机疲劳试验系统。热机疲劳加载中，温度处于循环状态，目前常用的加热方式为电炉加热、电阻加热和感应加热。一般来说，这类加热方式的不足在于：试验周期比较长，加热区域和历程可调性差。如感应线圈的布置方式对材料表面温度分布会产生影响，但线圈位置精确度较差，难以精确控制。
现有热机疲劳试验通过将温度载荷和机械载荷独立加载，难以实现温度载荷和机械载荷之间的对应关系，循环周期内，温度载荷和机械载荷的相位差容易发生变化。
发明内容
本发明提供一种热机疲劳试验方法及试验设备，用于克服现有技术中的缺陷，试验周期较短、精度高、可控性好。
本发明提供一种热机疲劳试验方法,包括以下步骤:
步骤1,设定载荷加载参数；
步骤2,控制试样的表面温度在设定的温度范围内循环，对试样施加温度载荷；
步骤3,根据设定的机械载荷与温度之间的函数关系向试样施加机械载荷；
步骤4,达到设定的循环加载次数则结束试验。
本发明还提供一种热机疲劳试验设备，包括：
加热装置，用于对试样进行加热，电源控制端与控制装置连接；
冷却装置，用于对试样进行冷却，电源控制端与所述控制装置连接；
温度测量装置，用于对试样表面温度进行测量，感应端朝向所述试样表面，控制端与所述控制装置连接；
机械加载装置，用于对所述试样施加机械载荷，控制端与所述控制装置连接；
控制装置，包括用于采集试样表面温度的数据采集模块、用于根据试样表面温度及设定的加载参数对所述加热装置及冷却装置进行控制的温度控制模块和用于根据试样表面温度及设定的加载参数对机械加载装置进行控制的机械加载控制模块；所述数据采集模块连接所述温度测量装置，所述温度控制模块连接所述加热装置及冷却装置，所述机械加载控制模块连接所述机械加载装置。
本发明提供的热机疲劳试验方法及试验设备，将温度载荷和机械载荷耦合加载，使两种载荷实时对应，而这种实时对应关系与实际工况条件吻合，可同时控制温度载荷和机械载荷的加载方式，实现温度载荷和机械载荷的对应关系，能更加准确反映试样材料在机械载荷和热载荷共同作用下的疲劳损伤情况，且具有试验周期较短、精度高、可控性好的特点。
附图说明
图1是本发明实施例提供的热机疲劳试验设备的结构示意图；
图2是发明实施例提供的热机疲劳试验方法的流程图。
具体实施方式
参见图1、图2，本发明实施例提供一种热机疲劳试验方法及试验设备，下面结合附图对本发明进一步详细描述：
如图1所示，准备工作，搭建本发明热机械机疲劳试验平台，并将试样放置好。如果进行热-压缩疲劳试验，机械加载装置1对试样施加机械载荷，采用可采用压缩疲劳机；加热装置2采用激光器，用激光作为热源对试样加载循环温度载荷，具有加热速率快，温度时空分布可控性好的优点；冷却装置3采用采用风冷或水冷或两者结合的方式对试样进行降温冷却，这里采用气冷方式，由空气压缩机和电磁阀组成；测温装置4采用红外测温仪对试样受热区域表面温度进行实时检测，测温装置4将采集到的温度数据输入控制装置5，控制装置5根据预先设定的载荷加载参数，控制机械加载装置1施加载荷，同时控制激光器和冷却装置3的开启和关闭以实现温度载荷的加载，实现对试样的热机械疲劳试验。
首先在控制装置5中输入预先设定的载荷加载参数：
a.激光束为连续激光，功率＝500W、光斑直径＝8mm；
b.温度载荷-机械载荷的数值大小对应关系，机械载荷＝200+温度/5，机械载荷的数值大小以单位为牛顿计算，温度的数值大小以单位为℃计算；这里仅仅以一种与实际工况吻合的温度载荷-机械载荷的对应关系为例进行说明，如果换一种工况，也需要相应改变温度载荷-机械载荷的对应关系，这里不再一一穷举。
c.温度变化范围的上限温度为600℃、下限温度为300℃；
d.循环次数为1000次；
开始试验，参见图2，测温装置4的外红测温仪检测到试样表面初始温度，通过数据采集模块反馈给温度控制模块，判断单元接收数据采集模块输入的温度信号，并将该温度信号值与上限温度600℃和下限温度300℃进行比较，若该温度信号值低于下限温度300℃，则通过控制单元向加热装置2发送加热信号，控制开启加热装置2即激光器(连续激光，功率＝500W、光斑直径＝8mm)，同时关闭冷却装置3的电磁阀。若该温度信号值高于上限温度600℃，通过控制单元向冷却装置3发送冷却信号，控制开启冷却装置3的电磁阀，同时关闭加热装置2的激光器。如此循环，实现固定温度区间的热循环。若该温度信号值介于下限温度为300℃至上限温度为600℃之间时，则判断单元向机械加载控制模块发送加载信号，机械加载装置1接收该加载信号向试样施加机械载荷，例如，某一时刻，检测到的温度为400℃，根据机械载荷＝200+温度/5，则需加载280N的力。随着温度的循环变化，也随之施加循环变化的机械载荷(最小机械载荷260N，最大机械载荷320N)。达到循环次数后，停止试验，观察试样状态，考察其热机械疲劳性能。
Claims (6)
1.一种热机疲劳试验方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,设定载荷加载参数；
步骤2,控制试样的表面温度在设定的温度范围内循环，对试样施加温度载荷；
步骤3,根据设定的机械载荷与温度之间的函数关系向试样施加机械载荷；
步骤4,达到设定的循环加载次数则结束试验。
2.根据权利要求1所述的热机疲劳试验方法,其特征在于,所述步骤1中的加载参数至少包括激光的功率、光斑直径、上限温度、下限温度、机械载荷与温度之间的函数关系、循环加载次数。
3.根据权利要求2所述的热机疲劳试验方法,其特征在于,所述步骤2包括：
步骤21，采集试样的表面温度,判定该温度是否介于下限温度与上限温度之间,如果是，则保持加热装置和冷却装置的状态不变，进行步骤3,如果否则进行步骤22；
步骤22，如果温度小于下限温度，则控制启动加热装置关闭冷却装置对试样进行加热，试样温度不断上升；如果温度大于上限温度，则控启动制冷却装置关闭加热装置对试样进行冷却，试样温度不断下降；如此循环。
4.一种热机疲劳试验设备，其特征在于，包括：
加热装置，用于对试样进行加热，电源控制端与控制装置连接；
冷却装置，用于对试样进行冷却，电源控制端与所述控制装置连接；
温度测量装置，用于对试样表面温度进行测量，感应端朝向所述试样表面，控制端与所述控制装置连接；
机械加载装置，用于对所述试样施加机械载荷，控制端与所述控制装置连接；
控制装置，包括用于采集试样表面温度的数据采集模块、用于根据试样表面温度及设定的加载参数对所述加热装置及冷却装置进行控制的温度控制模块和用于根据试样表面温度及设定的加载参数对机械加载装置进行控制的机械加载控制模块；所述数据采集模块连接所述温度测量装置，所述温度控制模块连接所述加热装置及冷却装置，所述机械加载控制模块连接所述机械加载装置。
5.根据权利要求4所述的热机疲劳试验设备，其特征在于，所述加热装置为激光器；
所述加载参数至少包括激光的功率、光斑直径、上限温度、下限温度、机械载荷与温度之间的函数关系、循环加载次数；
所述温度控制模块根据试样表面温度及激光的波形、功率、光斑直径、上限温度、下限温度对所述加热装置及冷却装置进行控制；
所述机械加载控制模块根据试样表面温度、机械载荷与温度之间的函数关系、循环加载次数对所述机械加载装置进行控制。
6.根据权利要求5所述的热机疲劳试验设备，其特征在于，所述温度控制模块包括：
判断单元，接收所述数据采集模块输入的温度信号，并将该温度信号值与所述上限温度和下限温度进行比较，如果该温度信号值介于上限温度与下限温度之间，则向所述机械加载控制模块发送加载信号；如果该温度信号值大于上限温度或小于下限温度，则向控制单元发送信号；
控制单元，如果上述温度信号值小于下限温度，则控制所述加热装置启动，冷却装置关闭，对试样进行加热，直到试样的表面温度介于下限温度与上限温度之间；如果上述温度信号值大于上限温度，则控制所述冷却装置启动，加热装置关闭，对试样进行冷却，直到试样的表面温度介于下限温度与上限温度之间。
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