CN107607409B

CN107607409B - 超高温复杂载荷双轴拉伸压缩测试装置

Info

Publication number: CN107607409B
Application number: CN201710888222.5A
Authority: CN
Inventors: 赵宏伟; 王岩; 张建海; 张世忠; 谢英杰; 赵运来; 徐博达
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2023-10-20
Anticipated expiration: 2037-09-27
Also published as: CN107607409A

Abstract

本发明涉及一种超高温复杂载荷双轴拉伸压缩测试装置，属于材料力学性能测试技术领域。由双向拉伸/压缩载荷加载单元、双向信号检测及控制单元、超高温加载单元、夹持单元等组成，为立式龙门结构。装置中各轴的驱动、传动及检测单元独立，互不干涉。双向拉伸/压缩载荷驱动单元由电动作动缸进行驱动，其内部的高精度直流伺服电机作为驱动动力源，微小型多级减速机构实现高减速比减速增矩，结合应力变化反馈技术，确保在结构紧凑的前提下具有足够的加载能力，实现在准静态模式下精密载荷的施加。本发明可以最大限度的模拟在材料构件的真实工况下,为材料在高温服役状态下的力学性能测试提供有效的手段和方法。

Description

超高温复杂载荷双轴拉伸压缩测试装置

技术领域

本发明涉及材料力学性能测试技术领域，特别涉及一种超高温复杂载荷双轴拉伸压缩测试装置，集驱动、加载、检测、力热耦合环境下双轴拉伸/压缩力学性能测试以及原位观测于一体，用于超高温复杂载荷情况下对材料微观力学性能进行原位测试。

背景技术

防热复合材料具有隔热、承载、抗毁伤等功能，是航空航天、武器装备等热防护系统设计研制的关键材料，防热复合材料直接决定了相关系统、武器和飞行器的先进性与可靠性，不仅可以降低结构重量，还可大幅提升器件的高温力学性能，而我国防热复合材料与结构的高温性能测试技术的发展相对落后且缺少先进的设备，为了我国高新技术领域和国防装备建设中超高温防热复合材料的设计以及超高温材料力学理论的建立，我国迫切需求具有自主知识产权的高温复杂载荷下防热复合材料的超高温力学性能测试实验仪器装备的研究。

防热复合材料长时间处于超高温极端环境中，涉及特殊环境下材料的多种热响应以及多组元多尺度结构的高温演化，因此，防热复合材料的设计开发必然涉及高温环境载荷、材料选材、微观织构设计、力学分析、检验测试、可靠性及成本等诸多因素，而在材料力学测试中，力热耦合材料力学测试是获取材料结构高温服役性能的直接手段，在航空航天和武器设备等领域，如何精准的实现在高温温度场内被测试件所受的高精度温度检测是开发力热耦合高温加载系统的关键，亦是评估材料基本高温力学性能（蠕变特性、应力松弛特性和高温疲劳特性等）和服役安全性的关键。

与国外研究相比，国内仍缺乏高温条件下的复杂力学性能测试设备和原位观测技术，在高温环境下的力学性能测试方面还有大量研究需要开展，难以满足材料在超高温领域应用的性能评价需求，而在高温复杂载荷环境下，断裂失效是其最主要的失效模式之一，为确保防热复合材料及其制品在使用服役中的稳定性、可靠性和耐久性，急需一种可以在极端高温环境中对材料在复杂载荷下的力学行为、宏观-微观-纳观耦合损伤机制等性能进行有效测试的仪器装备。

综上，目前可集成于材料微观力学性能原位测试的高温复杂载荷下的装置尚需拓展，而实现材料在高温服役工况下的表面形貌和内部结构的双重同步表征有利于对材料微观组织结构演化和失效机制进行准确评估。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超高温复杂载荷双轴拉伸压缩测试装置，解决了现有技术存在的上述问题。本发明结合对提升防热复合材料的高温服役工况下的安全性的迫切需要，开发一种集驱动、加载、检测、力热耦合环境下双轴拉伸/压缩力学性能测试以及原位观测于一体的多功能试验仪器。本发明由双向拉伸/压缩载荷加载单元、双向信号检测及控制单元、超高温加载单元、夹持单元等组成，为立式龙门结构。装置中各轴的驱动、传动及检测单元独立，互不干涉。双向拉伸/压缩载荷驱动单元由电动作动缸进行驱动，其内部的高精度直流伺服电机作为驱动动力源，微小型多级减速机构实现高减速比减速增矩，结合应力变化反馈技术，确保在结构紧凑的前提下具有足够的加载能力，实现在准静态模式下精密载荷的施加。双向信号检测及控制单元以采集信号及变形信号作为反馈源的闭环系统结合四路载荷位移信号同步双向采集，实现单轴、双轴拉伸压缩模式等多种模式类型的材料力学性能测试。加热方式包括集成电阻加热方式和卤素灯高温加热方式，分阶段实现2500℃的超高温复合加载，结合数字散斑技术对加热试件进行原位实时观测，对材料在高温双向加载模式下的微观力学行为、变形损伤机制进行深入研究。本发明可以最大限度的模拟在材料构件的真实工况下，为材料在高温服役状态下的力学性能测试提供有效的手段和方法。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

超高温复杂载荷双轴拉伸压缩测试装置，包括双向拉伸/压缩载荷驱动单元、双向信号检测及控制单元、超高温加载单元、夹持单元，所述双向拉伸/压缩载荷驱动单元通过螺栓与龙门式立柱1相连，所述双向信号检测及控制单元由拉压力传感器Ⅰ~Ⅳ6、11、17、22组成，与高温腔体3螺纹刚性连接，所述超高温加载单元刚性固定在高温腔体3，所述的夹持单元由胀套Ⅰ~Ⅳ5、16、21、28夹紧在夹具体轴。气浮隔振台12与腔体基座10通过螺栓固定连接，拉压力传感器Ⅰ~Ⅳ6、11、17、22分布在四个方向，结合四路载荷位移信号同步双向采集，卤素灯Ⅰ~Ⅸ2、8、13、19、24、25、26、29、30布置在高温腔体3的腔体背面和腔体壁上，十字试件14测试点始终处于卤素灯Ⅰ~Ⅸ2、8、13、19、24、25、26、29、30高温加载以及数字成像视场的中心位置。

所述的双向拉伸/压缩载荷驱动单元由电动作动缸Ⅰ~Ⅳ7、18、23、27实现直线运动，其内部的驱动源由伺服电机驱动，在电动作动缸Ⅰ~Ⅳ7、18、23、27本体的孔部配有一套相对应的阻尼元件，该阻尼元件通过与活塞接触，限制位移部件的位移量，应用公式N=KX，通过调整相应的伺服电机转速N，计算出位移量X，来确定拉伸/压缩位移；电动作动缸Ⅰ~Ⅳ7、18、23、27分别由法兰盘进行连接，并分别通过螺栓固定连接在龙门式立柱1上，在其内部的减速机构刚性固定在电动作动缸Ⅰ~Ⅳ内；由电动作动缸Ⅰ~Ⅳ7、18、23、27控制十字试件14的双向拉伸与压缩，实现对标准试件14的拉-拉、拉-压、压-压试验的加载方式，实现对工况的模拟。

所述的双向信号检测及控制单元是：拉压力传感器Ⅰ~Ⅳ6、11、17、22分别与高温腔体3螺纹刚性连接，与法兰盘螺栓连接，实现定位；通过加载载荷变形的模拟信号和编码器标定数字信号的采集来实现加载方向的信号检测，同时上述信号亦可分别作为电动作动缸Ⅰ~Ⅳ7、18、23、27的脉冲方向闭环控制模式的反馈信号源，即可以实现恒变形速率、恒载荷速率及恒位移速率三种加载卸载方式。

所述的超高温加载单元包括集成电阻加热和卤素灯高温复合加热两种方式，分阶段实现2500℃的超高温复合加载，采用电阻加热方式加载至1700℃，然后保持高温腔体3内温度恒定，使高温腔体3达到热平衡；然后，在基于电阻加热的高温场，在高温腔体3的背面安放卤素灯Ⅴ~Ⅸ24、25、26、29、30，在高温腔体3的腔体壁上安放卤素灯Ⅰ~Ⅳ2、8、13、19，对被测十字试件14的测试区域进行局部高温加载，进而实现试件测试区域达到2500℃以上的超高温加载，并可以保护夹具等部件免受超高温加载而失效。

十字试件14通过加持端的通孔实现其轴向定位，夹具体Ⅰ~Ⅳ4、9、15、20上设有与被测试件相对应的凹槽结构，被测试件14分别与夹具体Ⅰ~Ⅳ4、9、15、20刚性接触，夹具体压板分别通过螺栓与夹具体Ⅰ~Ⅳ4、9、15、20连接；在4个方向上的夹具体轴分别由胀套Ⅰ~Ⅳ5、16、21、28进行夹紧固定，为防止夹具体Ⅰ~Ⅳ4、9、15、20因高温发生变形，通过夹具体Ⅰ~Ⅳ4、9、15、20的冷凝口进行水循环，来实现对高温加载情况下腔体内部的降温。

所述的十字试件14具有双轴完全对称结构，即应力薄弱区域处于其几何中心位置且各向结构尺寸均一致。

所述的卤素加热灯Ⅰ~Ⅸ2、8、13、19、24、25、26、29、30，其中腔体背面的卤素灯Ⅴ~Ⅸ24、25、26、29、30呈球面包络式分布，卤素灯Ⅰ~Ⅳ2、8、13、19在一个平面，即高温腔体3的侧壁上；九组卤素加热灯Ⅰ~Ⅸ2、8、13、19、24、25、26、29、30具有抛物形聚光面，其发光点位于高温腔体3包络的球面，被测高温样品，即十字试件14处于复合腔体的球心处，即为九组卤素加热灯Ⅰ~Ⅸ的九组热电偶端子的前端探针所构成虚拟球面的球心。

本发明的有益效果在于：

1.与现有技术相比，本发明的超高温复杂载荷双轴加载装置，不仅可以实现复杂载荷（拉-拉、拉-压、压-压）的多功能加载，而且可以实现超低速准静态加载、双轴载荷加载模式集成驱动的联动控制，可以就材料在高温复杂载荷加载模式作用下的微观力学性能及变性损伤机制做出准确评价。

2.在结构上进行了模块化设计,结构紧凑、功能多样，集驱动、加载、检测、力热耦合环境下双轴拉伸/压缩力学性能测试和原位观测于一体。

3.超高温加载情况分为两种阶段，可以准确的对温度进行控制，既可实现对被测样品的均布高温加载又可以实现对试件的局部超高温加热，降低对隔热和水冷技术的要求，实现最高温度≥2500℃。

4.可为防热复合材料及其制品在使用服役中的结构设计、稳定性、可靠性和耐久性结构评估提供新方法，对研究工作具有十分重要的科学意义和很高的经济效益。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图 1为本发明的整体外观结构示意图；

图 2为本发明的局部后视示意图；

图 3为本发明的腔体示意图；

图 4为本发明的腔内结构图；

图 5为本发明的卤素灯加热布局示意图。

图中：1、龙门式立柱；2、卤素灯Ⅰ；3、高温腔体；4、夹具体Ⅰ；5、胀套Ⅰ；6、拉压力传感器Ⅰ；7、电动作动缸Ⅰ；8、卤素灯Ⅱ；9、夹具体Ⅱ；10、腔体基座；11、拉压力传感器Ⅱ；12、气浮隔振台；13、卤素灯Ⅲ；14、十字试件；15、夹具体Ⅲ；16、胀套Ⅱ；17、拉压力传感器Ⅲ；18、电动作动缸Ⅱ；19、卤素灯Ⅳ；20、夹具体Ⅳ；21、胀套Ⅲ；22、拉压力传感器Ⅳ；23、电动作动缸Ⅲ；24、卤素灯Ⅴ；25、卤素灯Ⅵ；26、卤素灯Ⅶ；27、电动作动缸Ⅳ；28、胀套Ⅳ；29、卤素灯Ⅷ；30、卤素灯Ⅸ。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图5所示，本发明的超高温复杂载荷双轴拉伸压缩测试装置，包括双向拉伸/压缩载荷驱动单元、双向信号检测及控制单元、超高温加载单元、夹持单元，所述的双向拉伸/压缩载荷驱动单元通过螺栓与龙门式立柱1相连，所述的双向信号检测及控制单元由拉压力传感器Ⅰ~Ⅳ6、11、17、22组成，与高温腔体3螺纹刚性连接，所述的超高温加载单元刚性固定在高温腔体3，所述的夹持单元由胀套Ⅰ~Ⅳ5、16、21、28夹紧在夹具体轴。气浮隔振台12与腔体基座10通过螺栓固定连接，拉压力传感器Ⅰ~Ⅳ6、11、17、22分布在四个方向，结合四路载荷位移信号同步双向采集，卤素灯Ⅰ~Ⅸ2、8、13、19、24、25、26、29、30布置在高温腔体3的腔体背面和腔体壁上，十字试件14测试点始终处于卤素灯Ⅰ~Ⅸ2、8、13、19、24、25、26、29、30高温加载以及数字相关成像视场的中心位置。

所述的双向拉伸/压缩载荷驱动单元由电动作动缸Ⅰ~Ⅳ7、18、23、27实现直线运动，其内部的驱动源由伺服电机驱动，在电动作动缸Ⅰ~Ⅳ7、18、23、27本体的孔部配有一套相对应的阻尼元件，该阻尼元件通过与活塞接触，限制位移部件的位移量，应用公式N=KX，通过调整相应的伺服电机转速N，能够间接地计算出位移量X，来确定拉伸/压缩位移；电动作动缸Ⅰ~Ⅳ7、18、23、27分别由法兰盘进行连接，并分别通过螺栓固定连接在龙门式立柱1上，在其内部的减速机构刚性固定在电动作动缸Ⅰ~Ⅳ内；由电动作动缸Ⅰ~Ⅳ7、18、23、27控制十字试件14的双向拉伸与压缩，可以实现对标准试件14的拉-拉、拉-压、压-压试验等复杂的加载方式，实现对工况的模拟。

所述的双向信号检测及控制单元是：拉压力传感器Ⅰ~Ⅳ6、11、17、22分别与高温腔体3螺纹刚性连接，与法兰盘螺栓连接，实现定位；通过加载载荷变形的模拟信号和编码器标定数字信号的采集来实现加载方向的信号检测，同时上述信号亦可分别作为电动作动缸Ⅰ~Ⅳ7、18、23、27的脉冲方向闭环控制模式的反馈信号源，即本测试装置可以实现恒变形速率、恒载荷速率及恒位移速率三种加载卸载方式。

所述的超高温加载单元包括集成电阻加热和卤素灯高温复合加热两种方式，分阶段实现2500℃的超高温复合加载，为防止内部结构因高温发生变形，本加载单元采用电阻加热方式加载至1700℃，然后保持高温腔体3内温度恒定，使高温腔体3达到热平衡；然后，在基于电阻加热的高温场，通过对卤素灯的优化布局，即采用在高温腔体3的背面安放卤素灯Ⅴ~Ⅸ24、25、26、29、30，在高温腔体3的腔体壁上安放卤素灯Ⅰ~Ⅳ2、8、13、19，对被测十字试件14的测试区域进行局部高温加载，进而实现试件测试区域达到2500℃以上的超高温加载，并可以保护夹具等部件免受超高温加载而失效。

参见图1至图5所示，本发明的超高温复杂载荷双轴拉伸压缩测试装置的主体尺寸为340 mm ×130mm ×340mm，本发明是在超高温复杂载荷作用下精准观测材料的微观力学参数、失效形式等。

本发明采用由下至上、由内至外的安装方式。腔体基座10通过螺纹连接方式与气浮隔振台12刚性连接，作为高温加热腔的支撑部件，以单侧为例，电动作动缸Ⅰ7与龙门式立柱1刚性连接并固定实现定位，通过电动作动缸Ⅰ7内部的微小型多级减速机构实现高减速比减速增矩，利用应力变化反馈技术，确保在结构紧凑的前提下具有足够的加载能力，实现超低速准静态加载，同时确保在双轴拉伸/压缩测试过程中，拟定十字形试件14测试点始终处于卤素灯Ⅰ-Ⅸ高温加载以及数字相关成像视场的中心位置，其加载及传动单元各单向载荷施加速率可控，施加方式独立，施加顺序可控。

本发明所述的超高温加载装置在超高温环境下开展力学性能测试时，必须保持高温腔体3内的高温环境，并采取合理的隔热和水冷技术；为便于数字散斑仪器的图像动态测试，在高温腔体前段中心位置设计耐高温观测窗口实现对十字试件14的精准观测；为防止被测试件14以及夹具体Ⅰ4发生氧化等，需保持真空或惰性气体氛围，保证高温腔体3的密封性，为防止夹具和主轴因高温发生变形，研究分析电阻加热技术及加载方式，确保其腔体内整个试验系统达到恒定温度的热平衡，并且优化卤素灯Ⅰ-Ⅸ的布局，实现十字试件14的测试区域的局部高温均匀加载，保持试件14在2500℃及以上环境的超高温稳定加载。

在测试的整个过程中,被测试件在双轴载荷作用下的变形、损伤情况由数字散斑进行动态监测，并可同时记录图像，在此基础上，结合上位机调试软件亦可实时获取表征材料力学性能的工程应力一应变曲线、弹性模量、屈服强度及抗拉强度等重要力学参数。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种超高温复杂载荷双轴拉伸压缩测试装置，其特征在于：包括双向拉伸/压缩载荷驱动单元、双向信号检测及控制单元、超高温加载单元、夹持单元，所述双向拉伸/压缩载荷驱动单元通过螺栓与龙门式立柱（1）相连，所述双向信号检测及控制单元由拉压力传感器Ⅰ~Ⅳ（6、11、17、22）组成，与高温腔体（3）螺纹刚性连接，所述超高温加载单元刚性固定在高温腔体（3），所述夹持单元的胀套Ⅰ~Ⅳ（5、16、21、28）夹紧在夹具体轴；气浮隔振台（12）与腔体基座（10）通过螺栓固定连接，拉压力传感器Ⅰ~Ⅳ（6、11、17、22）分布在四个方向，结合四路载荷位移信号同步双向采集，卤素灯Ⅰ~Ⅸ（2、8、13、19、24、25、26、29、30）布置在高温腔体（3）的腔体背面和腔体壁上，十字试件（14）测试点始终处于卤素灯Ⅰ~Ⅸ（2、8、13、19、24、25、26、29、30）高温加载以及数字成像视场的中心位置；

所述的双向拉伸/压缩载荷驱动单元由电动作动缸Ⅰ~Ⅳ（7、18、23、27）实现直线运动，其内部的驱动源由伺服电机驱动，在电动作动缸Ⅰ~Ⅳ（7、18、23、27）本体的孔部配有一套相对应的阻尼元件，该阻尼元件通过与活塞接触，限制位移部件的位移量；电动作动缸Ⅰ~Ⅳ（7、18、23、27）分别由法兰盘进行连接，并分别通过螺栓固定连接在龙门式立柱（1）上，在其内部的减速机构刚性固定在电动作动缸Ⅰ~Ⅳ内；由电动作动缸Ⅰ~Ⅳ（7、18、23、27）控制十字试件（14）的双向拉伸与压缩，实现对十字试件（14）的拉-拉、拉-压、压-压试验的加载方式，实现对工况的模拟；

所述的双向信号检测及控制单元是：拉压力传感器Ⅰ~Ⅳ（6、11、17、22）分别与高温腔体（3）螺纹刚性连接，与法兰盘螺栓连接，实现定位；通过加载载荷变形的模拟信号和编码器标定数字信号的采集来实现加载方向的信号检测，同时上述信号分别作为电动作动缸Ⅰ~Ⅳ（7、18、23、27）的脉冲方向闭环控制模式的反馈信号源，即能够实现恒变形速率、恒载荷速率及恒位移速率三种加载卸载方式；

所述的超高温加载单元包括集成电阻加热和卤素灯高温复合加热两种方式，分阶段实现2500℃的超高温复合加载，采用电阻加热方式加载至1700℃，然后保持高温腔体（3）内温度恒定，使高温腔体（3）达到热平衡；然后，在基于电阻加热的高温场，在高温腔体（3）的背面安放卤素灯Ⅴ~Ⅸ（24、25、26、29、30），在高温腔体（3）的腔体壁上安放卤素灯Ⅰ~Ⅳ（2、8、13、19），对被测十字试件（14）的测试区域进行局部高温加载，进而实现试件测试区域达到2500℃以上的超高温加载，并可以保护夹具部件免受超高温加载而失效。

2.根据权利要求1所述的超高温复杂载荷双轴拉伸压缩测试装置，其特征在于：所述的夹持单元是：十字试件（14）通过加持端的通孔实现其轴向定位，夹具体Ⅰ~Ⅳ（4、9、15、20）上设有与被测试件相对应的凹槽结构，十字试件（14）分别与夹具体Ⅰ~Ⅳ（4、9、15、20）刚性接触，夹具体压板分别通过螺栓与夹具体Ⅰ~Ⅳ（4、9、15、20）连接；在4个方向上的夹具体轴分别由胀套Ⅰ~Ⅳ（5、16、21、28）进行夹紧固定，为防止夹具体Ⅰ~Ⅳ（4、9、15、20）因高温发生变形，通过夹具体Ⅰ~Ⅳ（4、9、15、20）的冷凝口进行水循环，来实现对高温加载情况下高温腔体内部的降温。

3.根据权利要求1或2所述的超高温复杂载荷双轴拉伸压缩测试装置，其特征在于：所述的十字试件（14）具有双轴完全对称结构，即应力薄弱区域处于其几何中心位置且各向结构尺寸均一致。

4.根据权利要求1所述的超高温复杂载荷双轴拉伸压缩测试装置，其特征在于：所述的卤素灯Ⅰ~Ⅸ（2、8、13、19、24、25、26、29、30），其中腔体背面的卤素灯Ⅴ~Ⅸ（24、25、26、29、30）呈球面包络式分布，卤素灯Ⅰ~Ⅳ（2、8、13、19）在一个平面，即高温腔体（3）的侧壁上；九组卤素灯Ⅰ~Ⅸ（2、8、13、19、24、25、26、29、30）具有抛物形聚光面，其发光点位于高温腔体（3）包络的球面，被测高温样品，即十字试件（14）处于复合腔体的球心处，即为九组卤素灯Ⅰ~Ⅸ的九组热电偶端子的前端探针所构成虚拟球面的球心。