CN108760469B - 一种陶瓷基复合材料榫连接结构高温强度测试试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种陶瓷基复合材料榫连接结构高温强度测试试验装置及试验方法，步骤：(1)特制试验件加工，确定特制试验件的尺寸大小，设计试验件中榫头尺寸的形状(2)确定专用夹具结构，通过确定特制试验件的结构，获得专用夹具结构形状的要求。(3)测试结构安装，在确定的试验件与专用夹具的基础上，对测试装置进行安装。

Description

一种陶瓷基复合材料榫连接结构高温强度测试试验装置及试 验方法

技术领域

本发明属于材料结构力学性能测试领域，特别涉及一种针对陶瓷基复合材料榫连接结构的高温强度测试试验装置及方法试验。

背景技术

陶瓷基复合材料作为一种高温结构材料，因其在高温下具有良好的力学性能，在航空航天飞行器中需要承受极高温度的特殊部位结构应用具有很大潜力。与传统材料相比，陶瓷基复合材料具有耐高温、耐磨损、耐化学腐蚀、高比强等优点，且密度仅为合金的1/3左右，且强度不会随着温度升高而降低。此前针对陶瓷基复合材料的力学性能主要集中于材料的标准件，而结构件的相关研究相对较少。但航空发动机上已经逐步安装应用陶瓷基复合材料在涡轮叶片上。因此，开展对陶瓷基复合材料结构件的强度测试十分有必要。考虑到发动机涡轮叶片的结构复杂性，因此首先针对叶片的部分结构进行相关研究。日本IHI公司针对陶瓷基复合材料的榫头结构开展研究并进行相关试验，针对榫头不同部位采用不同陶瓷基复合材料编织方法，得到了陶瓷基复合材料榫头的强度性能相关数据，为后续应用奠定基础。相较与日本的研究，本发明的试验件考虑了叶片段的编织方式，是榫头与叶片的结合而非单独的榫头结构，其数据结果在应用上更具有参考价值，同时，针对榫头的编织方法，本发明采用的是沿着榫头倾斜面的角度，而日本的研究中并未考虑的倾斜面的存在，而本发明中考虑了倾斜面变化的影响，更适合于实际应用。

陶瓷基复合材料的强度性能通过在高温下开展拉伸试验获得。通过拉伸试验是的陶瓷基复合材料榫连接结构受到均匀分布力，从而获得结构的应力应变曲线。且考虑到实际结构中轮盘的尺寸，将陶瓷基复合材料榫头加工成与实际尺寸相符的大小，可以直接以用于结构的强度预测。现有技术中，为考虑到倾斜面存在对于陶瓷基复合材料榫头结构力学性能的影响，本发明中则主要考虑了倾斜面存在对其的影响。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术没有针对具体榫连接结构特征以及陶瓷基复合材料的不足，提供一种陶瓷基复合材料榫连接结构高温强度测试试验装置及测验方法，将陶瓷基复合材料纤维增强的特点应用于榫连接结构的特征上，有利于陶瓷基复合材料后续在具体结构件上的应用以及对于陶瓷基复合材料未来加工，实现后续陶瓷基复合材料应用于具体结构件例如涡轮叶片时，能够在高温环境下稳定工作。

本发明技术解决方案：一种陶瓷基复合材料榫连接结构高温强度测试试验装置，其特征在于包括：特制试验件及专用夹具；特制试验件通过专用夹具固定在试验台上。其中，特制试验件为模拟叶片榫头部分的结构件，通过陶瓷基复合材料的编织工艺获得；专用夹具分为三部分，用于固定特制试验件的两端，传递相应的轴向拉力，并限制特制试验件垂直方向的移动；通过专用夹具与特制试验件，开展陶瓷基复合材料榫连接结构的高温强度测试，获得榫连接结构的强度性能数据。

实现步骤如下：

(1)开展特制试验件的加工，首先要根据实际发动机涡轮叶片榫头的尺寸大小，确定所需特制试验件的尺寸结构，并绘制相关加工图；针对特制试验件榫头端结构中接触面倾斜方向不同，采用不同的陶瓷基复合材料编织方法，使得榫头端中陶瓷基复合材料的增强方向与榫头端斜面的倾斜方向保持平行；也即特制试验件榫头端倾斜面方向即为陶瓷基复合材料的增强方向。

(2)确定专用夹具结构，通过确定特制试验件的结构，可以获得专用夹具结构形状的要求，所述专用夹具分三个部分，分别为第一、第二和第三夹具。其中用于与特制试验件中榫头端固定的为第三夹具，第三夹具结构上采用与榫头形状一致的凹槽以便榫头固定，同时底部采用保留螺纹加工的一段圆柱以便于试验台相固定；用于与特制试验件非榫头端固定的为两个对半式夹具，即第一夹具和第二夹具；通过在第一夹具和第二夹具中加工凹槽以及螺栓来固定非榫头端，同时第一夹具顶部采用保留螺纹加工的一段圆柱以便于试验台相固定。

(3)测试安装，在确定特制试验件与专用夹具的基础上，进行安装，首先将特制试验件的榫头端与第三夹具安装，使得榫头端固定；再将第一夹具和第二夹具与特制试验件的非榫头端相配合，确定好非榫头端的位置，再通过螺栓将两个夹具进行固定，测试装置安装完成，用于拉伸试验机开展强度测试试验。

一种陶瓷基复合材料榫连接结构高温强度测试试验方法，其特征在于步骤如下：

(1)将特制试验件中榫头端固定于第三夹具中，确保特制试验件不会掉出；

(2)将第一夹具与第二夹具组装在特制试验件中非榫头端部分，将特制试验件放置于两夹具相对应的凹槽中，将第一夹具与第二夹具通过螺栓进行固定，确保特制试验件不会滑出两个夹具中；

(3)将第三夹具通过螺纹圆柱固定于拉伸试验台的底座上，保持结构稳定后将第一夹具与第二夹具通过螺纹固定于拉伸试验台的拉伸端，检查试验件是否保持竖直状态，确定后将加热装置安装于特制试验件外部；

(4)对试验台保持稳定速度，使得试件加速度小至忽略不计，施加拉伸载荷，记录拉伸过程中的应变。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明解决了陶瓷基复合才俩榫连接结构的试验装置问题。通过特制试验件与专用夹具，可以对涡轮叶片榫头开展高温强度测试，了解陶瓷基复合材料结构件的力学性能。同时，通过夹具的设计，使得试验安装简单、拆装方便，使得高温强度测试试验能够有效开展。

附图说明

图1为本发明中特制试验件结构二维图；其中(a)图为特制试验件的正视图，(b)图为特制试验件榫头端的放大图，其中(a)图中，L表示特制试验件结构的长度，θ₃表示特制试验件非榫头端的倾角，L₁表示特制试验件榫头端与倾角中间等宽段，R₃表示等宽带与倾斜段之间倒圆角半径；(b)图中，θ₁，θ₂表示特制试验件榫头端的倾斜角，R₁，R₂分别为特制试验件榫头端的倒圆角半径以及榫头与长段部分的倒圆角半径，d表示特制试验件榫头端上部的宽度，D表示特制试验件榫头端下部的宽度，h表示特制试验件榫头端的最大宽度。

图2为本发明的主要组成结构部分三维示意图，其中，(1)(2)(3)图分别表示专用夹具中的第一夹具、第二夹具和第三夹具，(4)为图1所示特制试验件三维结构图。

图3为本发明的一种陶瓷基复合材料榫连接结构高温强度测试试验装置的安装结构三维示意图，其中，(1)(2)(3)(4)分别为第一夹具、第二夹具、第三夹具和特制试验件。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行详细说明。

如图2所示，本发明装置实现步骤如下：

(1)特制试验件加工：首先开展特制试验件的加工。该特制试验件采用陶瓷基复合材料加工而成，因此首先要根据实际发动机涡轮叶片榫头的尺寸大小，确定特制试验件榫头端的尺寸结构，并绘制相关加工图。针对特制试验件榫头端结构中接触面倾斜方向不同，采用不同的陶瓷基复合材料编织方法，使得榫头端中陶瓷基复合材料的增强方向与榫头端斜面的倾斜方向保持平行。其中，考虑榫头端的倾斜面，其应用于不同尺寸大小的盘中需要考虑到叶片数目及安放位置，因此采用不同的倾斜角度，也即图1中的(b)图中所示的倾斜角θ₂，θ₂的值表示了榫头端倾斜面的倾斜角度，其大小值决定了榫头与榫槽相互作用的面积。而在特制试验件加工的过程中，应使得榫头端中陶瓷基复合材料的增强方向与θ₂所示的方向一致，也即陶瓷基复合材料增强方向同样为θ₂。特制试验件榫头端倾斜面方向即为陶瓷基复合材料的增强方向。

图1所示为特制试验件的结构二维图，其中，在沿非榫头端的方向也即(a)中所标注的y方向上，针对非榫头端也即(a)中所示(1)部分采用同一种编织方法，纤维增强方向相同；而随着榫头的倾角，编织方式也相应的变为沿着倾面方向，从而使得整个试验件中陶瓷基复合材料的增强方向不是固定的，而是在不同的结构有不同的方向。同时，考虑到叶片的夹持，在叶片处同样设计一个倾角以便后续夹具的设计。倾角的范围保持在1°到3°之间变化，保证试件在夹持的过程中保持稳定。

(2)确定专用夹具结构：通过确定特制试验件的结构，获得专用夹具结构形状的要求。根据榫连接结构特制试验件的形状，可以确定专用夹具的结构。考虑到安装固定等试验需求以及特制试验件结构尺寸，专用夹具分三个部分，如图2所示，分别为第一、第二和第三夹具。其中用于与特制试验件中榫头端固定的为第三夹具，第三夹具结构上采用与榫头形状一致的凹槽以便榫头端的固定，同时底部采用保留螺纹加工的一段圆柱以便于试验台相固定传递拉力；用于与特制试验件非榫头端固定的为两个对半式夹具，即第一夹具和第二夹具；通过在第一夹具和第二夹具中加工凹槽以及螺栓来固定非榫头端，同时第一夹具的顶部采用保留螺纹加工的一段圆柱以便于试验台相固定。

图2所示为专用夹具的结构示意图，其中，图中第一夹具1为专用夹具中用于夹持榫头另一端的其中部分，通过与第二夹具2所示专用夹具的另一部分配合从而固定试验件，第一夹具1，第二夹具2中所示夹具均开有大小相同，位置一致的螺栓孔用于两夹具之间的固定。第三夹具1所示为专用夹具的下部分，用于试验件中榫头部分的固定。此外，第一夹具1，第三夹具3所示的夹具均包含带螺纹的连接部分，用于与拉伸试验台的固定以及载荷的施加。第一夹具1，第二夹具2通过配合从而固定试验件，两个夹具均开有大小相同、位置一致的螺栓孔用于两夹具之间的固定。第三夹具3用于特制试验件中榫头端的固定。此外，第一夹具1与第一夹具3中所示的夹具均包含带螺纹的连接部分，用于与拉伸试验台的固定以及载荷的施加。特制试验件的三维图3，大小尺寸以图1为基准。

(3)测试结构安装：在确定特制试验件与专用夹具的基础上，进行安装，首先将特制试验件的榫头端与第三夹具安装，使得榫头端固定；再将第一夹具和第二夹具与特制试验件的非榫头端相配合，确定好非榫头端的位置，再通过螺栓将两个夹具进行固定，测试装置安装完成，用于拉伸试验机开展强度测试试验。

如何进行测试试验的方法如下：

(1)确定特制试验件中榫头端的倾斜角θ₂，选定陶瓷基复合材料的编织方式后加工得到确定倾斜角相对应的特制试验件以及所需的第三夹具3。将特制试验件中榫头端固定于第三夹具中，确保特制试验件中榫头端的倾斜面与第三夹具3中倾斜面相接触而不会掉出。

(2)确定特制试验件中非榫头端部分的倾斜角θ₃，以及相对应的第一夹具1与第二夹具2中凹槽的深度与倾斜度。将第一夹具1与第二夹具2组装在特制试验件中非榫头端，将特制试验件放置于两夹具相对应的凹槽中，用螺栓将第一夹具1与第二夹具2进行固定，确保特制试验件不会滑出专用夹具。

(3)将第三夹具3通过螺纹固定于拉伸试验台的底座上，保持结构稳定后将第一夹具1与第二夹具2通过螺纹固定于拉伸试验台的拉伸端，检查试验件是否保持竖直状态。确定后将加热装置安装于特制试验件外部。

(4)对试验台保持稳定速度(使得试件加速度小至忽略不计)施加拉伸载荷，记录拉伸过程中的应变。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (2)

1.一种陶瓷基复合材料榫连接结构高温强度测试试验装置，其特征在于：包括特制试验件及专用夹具；特制试验件通过专用夹具固定在试验台上；特制试验件为模拟叶片榫头部分的结构件，通过陶瓷基复合材料的编织工艺获得；专用夹具用于固定特制试验件的两端，传递相应的轴向拉力，并限制特制试验件垂直方向的移动；通过专用夹具与特制试验件，开展陶瓷基复合材料榫连接结构的高温强度测试，获得榫连接结构的强度性能数据；

所述特制试验件的一端也既榫头端为榫头结构，榫头结构由陶瓷基复合材料的编织加工而成，编织的方向与榫头的倾面一致，同时为了方便专用夹具的夹持，在特制试验件的非榫头端加工时保留一定的倾角；

所述特制试验件的非榫头端加工时保留一定的倾角范围为1°-3°；

所述专用夹具分三个部分，分别为第一、第二和第三夹具；其中用于与特制试验件中榫头端固定的为第三夹具，第三夹具结构上采用与榫头形状一致且长于榫头长度的凹槽以便榫头与专用夹具能够配合同时保证榫头能被固定，同时底部采用保留螺纹加工的一段圆柱以便于试验台相固定；用于与特制试验件非榫头端固定的为两个对半式夹具，即第一夹具和第二夹具；第一夹具和第二夹具的下半部分结构，也即与非榫头端直接接触部分对半分开，通过在第一夹具和第二夹具中加工的凹槽来固定特制试验件非榫头端；在第一夹具和第二夹具的上半部分结构中，第一夹具和第二夹具通过圆弧线相接触，其中第一夹具体积比第二夹具大，通过第一夹具和第二夹具之间的圆弧线接触，避免了拉伸试验中两夹具之间产生打滑问题以及夹具之间应力集中问题，方便特制试验件与专用夹具的安装，同时通过螺栓连接两对半式夹具，对特制试验件垂直方向进行固定， 第一夹具顶部采用保留螺纹加工的一段圆柱以便于试验台相固定。

2.一种如权利要求1所述的陶瓷基复合材料榫连接结构高温强度测试试验装置的试验方法，其特征在于，步骤如下：

(1)将特制试验件中榫头端固定于第三专用夹具中，确保特制试验件不会掉出；

(2)将第一夹具与第二夹具组装在特制试验件中非榫头端部分，将特制试验件放置于两夹具相对应的凹槽中，将第一夹具与第二夹具通过螺栓进行固定，确保特制试验件不会滑出两个夹具中；

(3)将第三夹具通过螺纹圆柱固定于拉伸试验台的底座上，保持结构稳定后将第一夹具与第二夹具通过螺纹固定于拉伸试验台的拉伸端，检查试验件是否保持竖直状态，确定后将加热装置安装于特制试验件外部；

(4)对试验台保持稳定速度，使得试件加速度小至忽略不计，施加拉伸载荷，记录拉伸过程中的应变。

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