CN108168856A - 一种热载联合试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热载联合试验装置。所述热载联合试验装置包括承力墙、线性模组、导流罩、隔热板、辐射加热系统、加载系统、第一温度传感器、第二温度传感器、温度控制系统；其中，所述辐射加热系统设置在所述线性模组上，所述辐射加热系统用于为所述试验件加热；所述温度控制系统与所述试验件连接，用于控制所述试验件边界区域的温度；所述线性模组能够相对所述承力墙运动，从而改变辐射加热系统与试验件加温区域的垂直方向距离。本申请的热载联合试验装置通过线性模组的运动从而能够根据需要改变试验件表面温度场分布，提高了辐射加热系统的加热能力，提高了整个试验的效率。

Description

一种热载联合试验装置
技术领域
本发明涉及飞行器热载联合试验技术领域，特别是涉及一种热载联合试验装置。
背景技术
现今飞行器的飞行速度越来越高，而飞行器在飞行过程中会受到气动载荷、增压载荷、以及严重的气动加热联合作用，气动加热导致飞行器结构强度和刚度降低，影响飞行器的承载能力，因而在飞行器设计和定型过程中，需要开展飞行器结构件的热载联合试验。
在热载联合试验中，既需要对试验件施加热载荷，还需要同时对试验件施加力载荷，并且试验件的边界条件还要与设计要求一致。这就对热载联合试验的装置提出了较高的技术要求，一般可采用石英灯管辐射加热满足热载荷的要求，但随着试验要求的温度越来越高，甚至高达1000℃，在电力资源有限的情况下或多型号试验同时进行时，往往会出现难以实现极限温度的情况。
此外，试验温度的提高会严重影响试验设备的运行，甚至损坏试验设备和仪器；然而，最关键的是，热载联合试验不同于高温隔热试验(高温隔热试验中，一般是整个试验件进行温度加载)，试验不仅考察力载荷引起的形变，还关注热应力引起的形变，因而试验件不仅要满足力载荷边界条件，还要满足温度边界条件，并且一般为常温～100℃范围，这就对试验提出了更高的要求，因为试验边界区域不仅受灯管辐射加热影响，还受到试验件自身热传导的影响，必须采用冷却方法处理，以往的处理方法是对试验件边界处的夹具进行水冷，但是这样会带来两个问题：一是随着试验温度的提高，温度加载速率的提高，采用水冷的方法仅对夹具附近的试验件边界有效果，但难以满足整个边界区域的温度要求，并且水冷的方式在试验控制上也较难精确控制温度；另一方面，试验温度的提高可能会造成夹具内的冷却水汽化，使冷却腔内的气压增大，造成试验安全事故。
此外，为了实现试验件表面温度场均匀性以及极值温度的加载要求，还需要通过多次的调试试验对加热器的高度进行手动调整，不仅费时费力，而且难以做到精确调节。
因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热载联合试验装置来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
为实现上述目的，本发明提供一种热载联合试验装置，用于对试验件进行热载联合试验，所述试验件包括试验件边界区域以及试验件加温区域，所述热载联合试验装置包括承力墙、线性模组、导流罩、隔热板、辐射加热系统、加载系统、第一温度传感器、第二温度传感器、温度控制系统；其中，
所述线性模组安装在所述承力墙的一侧上；所述导流罩安装在所述承力墙的安装有线性模组的一侧上；
所述试验件的试验件边界区域设置在所述导流罩内；
所述辐射加热系统设置在所述线性模组上；
所述第二温度传感器安装在所述试验件边界区域上；
所述第一温度传感器安装在所述试验件加温区域上；
所述试验件加温区域的远离所述试验件边界区域的一端与加载系统连接；
所述隔热板设置在所述辐射加热器周侧；
所述辐射加热系统设置在所述线性模组上，所述辐射加热系统用于为所述试验件加热；
所述温度控制系统与所述试验件连接，用于控制所述试验件边界区域的温度；
所述线性模组能够相对所述承力墙运动，从而改变辐射加热系统与试验件加温区域5的垂直方向距离。
优选地，所述承力墙的底部固定在地轨上。
优选地，所述加载系统包括作动筒连接杆、滑轮、力传感器、液压作动筒；其中，所述作动筒连接杆的一端安装在所述试验件加温区域的远离所述试验件边界区域的一端；另一端通过滑轮与液压作动筒连接；所述力传感器设置在所述滑轮与所述液压作动筒之间。
优选地，所述作动筒连接杆的内部为空心腔；所述加载系统进一步包括连接杆水冷管路，所述连接杆水冷管路一端与所述作动筒连接杆，另一端与水冷却设备连接。
优选地，所述热载联合试验装置进一步包括测量系统以及控制系统；其中，所述控制系统分别与测量系统、线性模组连接；所述测量系统分别与所述第一温度传感器、第二温度传感器连接；其中，所述测量系统能够接收所述第一温度传感器和/或第二温度传感器的传递的信息，并将信息传递给所述控制系统；所述控制系统能够控制所述线性模组运动，从而调节所述辐射加热系统与所述试验件加温区域在垂直方向上的距离。
优选地，所述线性模组包括固定部、电机、运动部以及加热器支架；其中，所述固定部设置在所述承力墙上；所述运动部设置在所述固定部上且能够相对所述固定部运动；所述电机的控制端与所述控制系统连接，所述电机的输出端与所述运动部连接；所述运动部上设置有所述加热器支架；所述加热器支架上设置有所述辐射加热系统。
优选地，所述辐射加热系统包括石英灯管、加热器底座、灯管夹以及反射板；其中，石英灯管通过灯管夹安装在加热器底座的灯管安装槽内；加热器底座面向石英灯管的一侧表面上安装有高硅氧棉毡隔热材料；所述加热器底座内部设置有空腔，通过螺纹杆与水冷却设备连接；所述加热器底座安装在线性模组上；所述反射板安装在加热器底座上的反射板安装槽内。
优选地，所述反射板内部设置有空心腔，所述空心腔与水冷设备连接。
优选地，所述反射板面向加热器底座的一侧表面采用抛光处理或高反射率材料涂层。
优选地，所述温度控制系统包括低温储罐、蝶阀、低温流量计、变频风机、液氮喷嘴；其中，所述低温流量计与所述测量系统连接；所述变频风机通过蝶阀的控制端与所述控制系统连接；所述蝶阀的输入端与所述低温储罐连接；所述蝶阀的输出端与所述液氮喷嘴的输入端连接；所述液氮喷嘴的输出端与所述导流罩连接；所述变频风机于所述导流罩连接。
本申请的热载联合试验装置通过线性模组的运动从而能够根据需要改变试验件表面温度场分布，提高了辐射加热系统的加热能力，提高了整个试验的效率。
附图说明
图1是本申请第一实施例的热载联合试验装置的结构示意图。
图2是图1所示热载联合试验装置的辐射加热系统的结构示意图。
图3是图1所示热载联合试验装置的作动筒连接杆的结构示意图。
附图标记：
1 承力墙 13 滑轮
2 线性模组 14 第一温度传感器
3 试验件边界区域 15 第二温度传感器
4 导流罩 16 测量系统
5 试验件加温区域 17 控制系统
6 隔热板 18 低温储罐
8 反射板 19 蝶阀
9 作动筒连接杆 20 低温流量计
10 连接杆水冷管路 21 变频风机
11 液压作动筒 22 液氮喷嘴
12 力传感器
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
图1是本申请第一实施例的热载联合试验装置的结构示意图。图2是图1所示热载联合试验装置的辐射加热系统的结构示意图。图3是图1所示热载联合试验装置的作动筒连接杆的结构示意图。
参见图1，在本实施例中，热载联合试验装置用于对试验件进行热载联合试验，试验件包括试验件边界区域3以及试验件加温区域5。
如图1至图3所示的热载联合试验装置包括承力墙1、线性模组2、导流罩4、隔热板6、辐射加热系统、加载系统、第一温度传感器14、第二温度传感器15、温度控制系统。
线性模组2安装在承力墙1的一侧上；导流罩4安装在承力墙1的安装有线性模组2的一侧上；试验件的试验件边界区域3设置在导流罩4内并与承力墙连接；具体地，试验件边界区域3的耳片与承力墙1的墙面采用螺接安装，并安装在导流罩4所形成的封闭管路中。
辐射加热系统设置在线性模组2上；第二温度传感器15安装在试验件边界区域3上；第一温度传感器14安装在试验件加温区域5上；试验件加温区域5的远离试验件边界区域3的一端与加载系统连接；隔热板6设置在辐射加热器7周侧；辐射加热系统设置在线性模组2上，辐射加热系统用于为试验件加热；
温度控制系统与试验件连接，用于控制试验件边界区域3的温度；
线性模组2能够相对承力墙运动，从而改变辐射加热系统与试验件加温区域5的垂直方向距离。
本申请的热载联合试验装置通过线性模组的运动从而能够根据需要改变试验件表面温度场分布，提高了辐射加热系统的加热能力，提高了整个试验的效率。
本申请可以通过外接的控制系统以及测量系统进行测试。
参见图1，在本实施例中，本申请的热载联合试验装置进一步包括测量系统16以及控制系统17；其中，
控制系统17分别与测量系统16、线性模组2连接；
测量系统16分别与第一温度传感器14、第二温度传感器15连接；其中，
测量系统16能够接收第一温度传感器14和/或第二温度传感器15的传递的信息，并将信息传递给所述控制系统17；
控制系统17能够控制所述线性模组2运动，从而调节辐射加热系统与试验件加温区域5在垂直方向上的距离。
在本实施例中，控制系统还与温度控制系统、辐射加热系统、加载系统连接，从而分别控制温度控制系统工作、辐射加热系统工作、加载系统工作。
可以理解的是，在没有设置控制系统的实施例中，外接的控制系统可以是一个或者是多个，可以分别控制上述的各个系统单独工作或者由一个总的控制系统进行上述系统的控制。
在本实施例中，承力墙1的底部固定在地轨上。这样，能够方便整个热载联合试验装置的移动。
参见图1至图3，在本实施例中，加载系统包括作动筒连接杆9、滑轮13、力传感器12以及液压作动筒11；其中，
作动筒连接杆9的一端安装在试验件加温区域5的远离试验件边界区域3的一端；另一端通过滑轮13与液压作动筒11连接；力传感器12设置在滑轮13与液压作动筒11之间。在本实施例中，控制系统连接液压作动筒，从而控制液压作动筒工作。从而对试验件实现力的加载。
参见图3，在本实施例中，作动筒连接杆9的内部为空心腔；
加载系统进一步包括连接杆水冷管路10，连接杆水冷管路10一端与作动筒连接杆9，另一端与水冷却设备连接。高温试验过程中，虽然作动筒连接杆9不会受到辐射加热系统的直接辐射，但是试验件加温区域5的高温会通过热传导使作动筒连接杆9、力传感器12、液压作动筒11的温度升高，影响试验进行。因而作动筒连接杆9的内部有空心腔，并通过连接杆水冷管路10的进水口和出水口与水冷却设备连接，形成冷却水循环，对作动筒连接杆9进行降温处理，使其可以正常工作。
参见图1，在本实施例中，线性模组2包括固定部、电机、运动部以及加热器支架；其中，固定部设置在承力墙1上；运动部设置在固定部上且能够相对固定部运动；电机的控制端与所述控制系统连接，电机的输出端与运动部连接；运动部上设置有加热器支架；加热器支架上设置有辐射加热系统。控制系统与所述电机连接，从而使电机(图中未示出)工作，从而使运动部相对所述固定部运动，从而改变辐射加热系统与试验件加温区域5的垂直方向距离。
参见图1及图2，在本实施例中，所述辐射加热系统包括石英灯管24、加热器底座25、灯管夹26以及反射板8；其中，石英灯管24通过灯管夹26安装在加热器底座25的灯管安装槽27内；
加热器底座25面向石英灯管24的一侧表面上安装有高硅氧棉毡隔热材料28；
加热器底座25内部设置有空腔，通过螺纹杆29与水冷却设备连接；
加热器底座25安装在线性模组2上；
反射板8安装在加热器底座25上的反射板安装槽30内。参见图1及图2，在本实施例中，反射板8内部设置有空心腔，空心腔与水冷设备连接。
通过调节灯管夹26在灯管安装槽27的位置，改变石英灯管24之间的距离，进而改变试验件加温区域5的温度场分布。
加热器底座25面向石英灯管24的一侧表面上安装有一定厚度的高硅氧棉毡隔热材料28，用以防止高温对加热器底座25的影响，此外加热器底座25内部有圆柱形空腔，通过螺纹杆29与水冷却设备连接，形成冷却水循环，对加热器底座25与灯管夹26进行降温，使辐射加热器7可以正常工作。辐射加热器7通过螺纹杆29安装在与线性模组2连接的加热器支架上，通过上下调整螺纹杆29在加热器支架上的高度，可以对辐射加热器7与试验件加温区域5之间的距离进行细微调整。
反射板8由高反射率的耐高温金属材料制成，面向辐射加热器7的一侧表面表面采用抛光处理或高反射率材料涂层，一方面可以提高表面的反射率，使背离试验件方向的大部分热辐射反射回试验件，另一方面又可以减少反射板吸收的热量，降低反射板的温度。反射板8安装在辐射加热器7的反射板安装槽30上，反射板内部有多个独立空心腔，与水冷设备的进出水口连接形成冷却水循环，防止反射板在高温环境下发生变形。
参见图1，在本实施例中，温度控制系统包括低温储罐18、蝶阀19、低温流量计20、变频风机21、液氮喷嘴22；其中，
低温流量计20与测量系统16连接；
变频风机21通过蝶阀19的控制端与控制系统连接；
蝶阀19的输入端与所述低温储罐18连接；
蝶阀19的输出端与液氮喷嘴22的输入端连接；
液氮喷嘴22的输出端与所述导流罩4连接；
变频风机21与导流罩4连接。
在本实施例中，导流罩4依据试验件尺寸大小由多个片体螺接或焊接安装，片体为金属框架与高硅氧隔热材料组成，导流罩4将试验件边界区域3包含在封闭管路中，采用对流换热的原理，对试验件边界区域3进行对流温度控制。
隔热板6由金属框架与高硅氧隔热材料组成，安装在辐射加热器7的四周，主要有三个作用。一用来阻碍外界环境与试验件加温区域5的热量交换，提高辐射加热器7的热效率，提高试验件加温区域5的控制精度；二可防止辐射加热器7对试验件边界区域3的直接温度干扰，影响试验件边界区域3的控制精度。三可防止辐射加热器7对作动筒连接杆9的辐射影响，避免作动筒连接杆9的热膨胀以及与作动筒连接杆9连接设备的高温伤害。
对于本申请的力载荷控制具体为：测量系统16与力传感器12连接，将采集到的载荷信号反馈给控制系统17，控制系统17通过对液压作动筒11的控制来改变对试验件的加载载荷大小。
对于本申请的温度控制具体为：
试验件加温区域5的温度控制：测量系统16与温度传感器14连接，将采集到的温度值反馈给控制系统17，控制系统17通过对线性模组2的电机控制来改变辐射加热系统与试验件加温区域5的垂直距离，同时通过功率控制柜(图1未视处)控制辐射加热系统的功率输出，最终改变试验件加温区域5的表面温度分布和极值温度。
试验件边界区域3的温度控制：试验件边界区域3受到试验件加温区域5的高温热传导影响，会产生高温，为了使其达到常温状态，需对其进行降温。测量系统16与低温流量计20连接，控制系统17与蝶阀19和变频风机21连接，蝶阀19与低温储罐18连接，控制系统17通过步进电机(图1未视出)控制蝶阀的旋转角度，改变低温储罐18的液氮输出流量，低温流量计20将采集到的流量值反馈给测量系统16和控制系统17形成流量控制闭环。低温储罐18输出的液氮通过低温管路中的液氮喷嘴22实现雾化，降低低温管路中的空气温度，同时采用变频风机21对冷空气进行驱动，进入导流罩4形成的闭合回路中对试验件边界区域3进行降温，试验件边界区域3的温度通过温度传感器15反馈到测量系统16，测量系统16再将信号传送给控制系统17，控制系统通过对蝶阀19的开度控制以及变频风机21的转速控制来改变导流罩4内的冷却流与试验件边界区域3之间的对流换热，实现试验件边界区域3的温度精确控制。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种热载联合试验装置，用于对试验件进行热载联合试验，所述试验件包括试验件边界区域(3)以及试验件加温区域(5)，其特征在于，所述热载联合试验装置包括承力墙(1)、线性模组(2)、导流罩(4)、隔热板(6)、辐射加热系统、加载系统、第一温度传感器(14)、第二温度传感器(15)、温度控制系统；其中，
所述线性模组(2)安装在所述承力墙(1)的一侧上；所述导流罩(4)安装在所述承力墙(1)的安装有线性模组(2)的一侧上；
所述试验件的试验件边界区域(3)设置在所述导流罩(4)内并与承力墙连接；
所述辐射加热系统设置在所述线性模组(2)上；
所述第二温度传感器(15)安装在所述试验件边界区域(3)上；
所述第一温度传感器(14)安装在所述试验件加温区域(5)上；
所述试验件加温区域(5)的远离所述试验件边界区域(3)的一端与加载系统连接；
所述隔热板(6)设置在所述辐射加热器(7)周侧；
所述辐射加热系统设置在所述线性模组(2)上，所述辐射加热系统用于为所述试验件加热；
所述温度控制系统与所述试验件连接，用于控制所述试验件边界区域(3)的温度；
所述线性模组(2)能够相对所述承力墙运动，从而改变辐射加热系统与试验件加温区域(5)的垂直方向距离。
2.如权利要求1所述的热载联合试验装置，其特征在于，所述承力墙(1)的底部固定在地轨上。
3.如权利要求1所述的热载联合试验装置，其特征在于，所述加载系统包括作动筒连接杆(9)、滑轮(13)、力传感器(12)、液压作动筒(11)；其中，
所述作动筒连接杆(9)的一端安装在所述试验件加温区域(5)的远离所述试验件边界区域(3)的一端；另一端通过滑轮(13)与液压作动筒(11)连接；
所述力传感器(12)设置在所述滑轮(13)与所述液压作动筒(11)之间。
4.如权利要求3所述的热载联合试验装置，其特征在于，所述作动筒连接杆(9)的内部为空心腔；
所述加载系统进一步包括连接杆水冷管路(10)，所述连接杆水冷管路(10)一端与所述作动筒连接杆(9)，另一端与水冷却设备连接。
5.如权利要求1所述的热载联合试验装置，其特征在于，所述热载联合试验装置进一步包括测量系统(16)以及控制系统(17)；其中，
所述控制系统(17)分别与测量系统(16)、线性模组(2)连接；
所述测量系统(16)分别与所述第一温度传感器(14)、第二温度传感器(15)连接；其中，
所述测量系统(16)能够接收所述第一温度传感器(14)和/或第二温度传感器(15)的传递的信息，并将信息传递给所述控制系统(17)；
所述控制系统(17)能够控制所述线性模组(2)运动，从而调节所述辐射加热系统与所述试验件加温区域(5)在垂直方向上的距离。
6.如权利要求1所述的热载联合试验装置，其特征在于，所述线性模组(2)包括固定部、电机、运动部以及加热器支架；其中，
所述固定部设置在所述承力墙(1)上；
所述运动部设置在所述固定部上且能够相对所述固定部运动；
所述电机的控制端与所述控制系统连接，所述电机的输出端与所述运动部连接；
所述运动部上设置有所述加热器支架；
所述加热器支架上设置有所述辐射加热系统。
7.如权利要求1所述的热载联合试验装置，其特征在于，所述辐射加热系统包括石英灯管(24)、加热器底座(25)、灯管夹(26)以及反射板(8)；其中，石英灯管(24)通过灯管夹(26)安装在加热器底座(25)的灯管安装槽(27)内；
加热器底座(25)面向石英灯管(24)的一侧表面上安装有高硅氧棉毡隔热材料(28)；
所述加热器底座(25)内部设置有空腔，通过螺纹杆(29)与水冷却设备连接；
所述加热器底座(25)安装在线性模组(2)上；
所述反射板(8)安装在加热器底座(25)上的反射板安装槽(30)内。
8.如权利要求7所述的热载联合试验装置，其特征在于，其特征在于，所述反射板(8)内部设置有空心腔，所述空心腔与水冷设备连接。
9.如权利要求7所述的热载联合试验装置，其特征在于，所述反射板(8)面向加热器底座(25)的一侧表面采用抛光处理或高反射率材料涂层。
10.如权利要求5所述的热载联合试验装置，其特征在于，所述温度控制系统包括低温储罐(18)、蝶阀(19)、低温流量计(20)、变频风机(21)、液氮喷嘴(22)；其中，
所述低温流量计(20)与所述测量系统(16)连接；
所述变频风机(21)通过蝶阀(19)的控制端与所述控制系统连接；
所述蝶阀(19)的输入端与所述低温储罐(18)连接；
所述蝶阀(19)的输出端与所述液氮喷嘴(22)的输入端连接；
所述液氮喷嘴(22)的输出端与所述导流罩(4)连接；
所述变频风机(21)与所述导流罩(4)连接。
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