CN112730502A - 一种自动化的辐射加热试验系统 - Google Patents

Abstract

本申请属于热试验技术领域，特别涉及一种自动化的辐射加热试验系统，该系统主要包括：承力墙，其上设置有沿竖直方向延伸的线性模组；加热器支架，设置在线性模组上，并能够在线性模组上沿竖直方向上下移动；辐射加热器，固定在加热器支架上，辐射加热器包括加热器底座，加热器底座上具有沿水平方向延伸有滑轨，多个能够在滑轨上移动的移动单元受控设置在加热器底座上，每个移动单元的末端设置有灯管夹，灯管夹用于夹持石英灯管；隔热棉毡，固定在承力墙的安装线性模组的一侧面上，隔热棉毡具有固定端，用于固定试验件；控制系统，电连接线性模组及移动单元。本申请可以动态调整温度控制点的位置，减少了试验成本，加快了试验周期。

Description

一种自动化的辐射加热试验系统

技术领域

本申请属于热试验技术领域，特别涉及一种自动化的辐射加热试验系统。

背景技术

随着航空航天技术的发展，飞行器的飞行速度越来越快，飞行器在飞行过程会受到气动加热作用，降低飞行器的结构强度和刚度。为验证飞行器在热载荷作用下的强度性能，需开展结构热试验。

结构热试验中通常采用石英灯辐射加热系统作为加热手段，石英灯加热方式简单，且可加载的温度高、热流大。多数热试验中，不仅要求结构最高温度加载到目标温度，而且要求试验件的受热面满足某种温度场分布形式，对加热试验及石英灯辐射加热系统的设计提出了更高的要求。对于此情况，可以在试验前采用热辐射仿真分析开展方案设计，设计出满足温度加载要求和温度场分布要求的结构热试验，然而这种方法也存在几点局限性：

1)受制于热辐射算法的精度，加热方案设计完成后，通常需要开展调试试验来验证和修正加热方案，并且确定的加热方案在试验中是固定的，即试验过程中辐射加热器与试验件之间的相对位置以及石英灯管之间的排布是不能调整的；

2)针对不同的试验要求，每次试验前都需要重新开展一次热辐射仿真分析，增大人力物力成本，增加试验周期；

3)对于一些结构热试验，在温度加载过程中，结构会产生较大的变形，而结构外形的改变较大时会明显改变结构与石英灯辐射加热器之间的相对位置，从而使试验件的温度场分布发生改变，不能满足温度场分布的要求；并且温度场分布的改变可能会改变受热面中最高温度点的位置，而试验中通常是在最高温度点处安装温度传感器，将其作为温度控制点，因此当最高温度点位置发生改变时，此时控制程序控制的温度就不是最高温度，不仅控制效果不理想，还有可能使真正的最高温度点温度超出试验目标温度较多，造成试验件损坏，影响试验进行。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种自动化的辐射加热试验系统，实现结构热试验中辐射加热器的自动动态调整且满足试验加热要求，该系统主要包括：

承力墙，其上设置有沿竖直方向延伸的线性模组；

加热器支架，设置在所述线性模组上，并能够在所述线性模组上沿竖直方向上下移动；

辐射加热器，固定在所述加热器支架上，辐射加热器包括加热器底座，加热器底座上具有沿水平方向延伸有滑轨，多个能够在所述滑轨上移动的移动单元受控设置在所述加热器底座上，每个移动单元的末端设置有灯管夹，灯管夹用于夹持石英灯管；

隔热棉毡，固定在承力墙的安装线性模组的一侧面上，所述隔热棉毡具有固定端，用于固定试验件；

控制系统，电连接所述线性模组及移动单元。

优选的是，所述加热器底座通过螺纹杆固定在所述加热器支架上。

优选的是，还包括非接触测温仪，电连接所述控制系统，所述非接触测温仪被设置成用于监测试验件的温度场分布。

优选的是，所述加热器底座上还设置有隔热板，所述隔热板设置在所述石英灯管的背向试验件的一侧。

优选的是，所述螺纹杆与所述加热器支架上设置有通路，且所述螺纹杆与所述加热器支架的通路相连通，形成水循环通路，所述水循环通路连接水冷却设备。

优选的是，所述隔热棉毡通过螺栓固定在承力墙上，且具有双耳结构，试验件对应设置有与隔热棉毡进行固定的单耳片。

本申请将石英灯辐射加热系统、自动化控制装置结合，实现试验前快速给出加热方案，试验过程中可以根据试验结果动态调整加热方案的设计参数，并可以动态调整温度控制点的位置，保证温度控制点的温度始终为最高温度值。通过本申请可快速给出试验方案，减少试验成本，加快试验周期。

附图说明

图1是本申请自动化的辐射加热试验系统的结构示意图。

图2是本申请图1所示实施例的承力墙装配图。

图3是本申请图1所示实施例的线性模组安装示意图。

图4是本申请图1所示实施例的辐射加热器结构示意图。

图5是本申请图1所示实施例的传动装置结构示意图。

图6是本申请图1所示实施例的隔热板安装示意图。

图7是本申请图1所示实施例的隔热棉毡安装示意图。

其中，1-承力墙，2-线性模组，3-辐射加热器，4-传动装置，5-连动杆，6-隔热板，7-隔热棉毡，8-试验件，9-非接触测温仪，10-控制系统，11-夹持装置，12-耳片，13-加热器支架，14-螺纹杆，15-石英灯管，16-加热器底座，17-灯管夹，18-灯管安装槽，19-移动单元。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式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。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，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方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

如图1-图7所示，本申请的自动化的辐射加热试验系统，主要包括：

承力墙1，其上设置有沿竖直方向延伸的线性模组2；

加热器支架13，设置在所述线性模组2上，并能够在所述线性模组2上沿竖直方向上下移动；

辐射加热器3，固定在所述加热器支架13上，辐射加热器3包括加热器底座16，加热器底座16上具有沿水平方向延伸有滑轨，多个能够在所述滑轨上移动的移动单元19受控设置在所述加热器底座16上，每个移动单元19的末端设置有灯管夹17，灯管夹17用于夹持石英灯管15；

隔热棉毡7，固定在承力墙1的安装线性模组2的一侧面上，所述隔热棉毡7具有固定端，用于固定试验件8；

控制系统10，电连接所述线性模组2及移动单元19。

在一些可选实施方式中，如图2所示，承力墙1的底部螺接固定在地轨上，在承力墙1一侧的两个夹持装置11采用螺栓连接试验件的耳片12来固定试验件8，在承力墙1的同侧表面安装两个线性模组2，两个线性模组2为平行方向。

在一些可选实施方式中，所述加热器底座16通过螺纹杆14固定在所述加热器支架13上。

在一些可选实施方式中，还包括非接触测温仪9，电连接所述控制系统10，所述非接触测温仪9被设置成用于监测试验件8的温度场分布。

如图3所示，线性模组2固定安装在承力墙1上，其采用电机(图1未视出)驱动，每个线性模组2上分别安装有一个加热器支架13，加热器支架13与辐射加热器3的螺纹杆14采用螺接安装。线性模组2与控制系统10通过电线连接，试验过程中通过非接触测温仪9动态采集获得的试验件8的热面温度场后，实时反馈给控制系统10，控制系统10比较当前时刻下温度场分布和目标温度分布，当两者差异较大时，则通过控制系统10对线性模组2的垂直方向控制，控制辐射加热器3与试验件8的垂直方向距离，从而改变试验件8的表面温度分布。

在一些可选实施方式中，所述加热器底座16上还设置有隔热板6，所述隔热板6设置在所述石英灯管15的背向试验件8的一侧。

如图4所示，辐射加热器3主要由螺纹杆14、石英灯管15、加热器底座16、灯管夹17组成。

石英灯管15的石英玻璃内表面一半为高反射率材料涂层的反射层，另一半为透明层，试验安装过程中，需要将石英灯管15的反射层一侧正对试验件8，通过反射层使背离试验件方向的大部分热辐射反射回试验件，提高石英灯管15的热辐射效率。石英灯管15通过灯管夹17安装在加热器底座16的灯管安装槽18内，如图5所示，灯管夹17通过连动杆5与传动装置4的移动单元19连接，传动装置4与控制系统10电连接，试验过程中通过非接触测温仪9动态采集获得的试验件8的热面温度场及极值温度信息后，实时反馈给控制系统10，控制系统10比较当前时刻下温度场分布和目标温度分布，当两者差异较小时，则通过控制系统10对传动装置4的移动单元19进行控制，通过调节各个移动单元19在传动装置4上的位置，则通过连动杆5带动灯管夹17在灯管安装槽18上的位置调整，改变石英灯管15的排布方式，进而改变试验件8的温度场分布。

在一些可选实施方式中，所述螺纹杆14与所述加热器支架13上设置有通路，且所述螺纹杆14与所述加热器支架13的通路相连通，形成水循环通路，所述水循环通路连接水冷却设备。本实施例中，加热器底座16面向石英灯管的一侧表面上安装有一定厚度的隔热板6，用以防止高温对加热器底座16以及其他试验设备的影响，此外加热器底座16内部有圆柱形空腔，通过螺纹杆14与水冷却设备连接，形成冷却水循环，对加热器底座16与灯管夹17进行降温，使辐射加热器3可以正常工作。

本申请中，隔热板6由隔热材料组成，如图6所示，其安装在辐射加热器3的加热器底座16上。其主要有两个作用。一用来阻碍外界环境与试验件8的热量交换，提高辐射加热器3的热效率，提高试验件8的控温精度；二可防止辐射加热器3对试验件8周围区域的设备高温影响，避免设备无法使用。

在一些可选实施方式中，所述隔热棉毡7通过螺栓固定在承力墙1上，且具有双耳结构，试验件8对应设置有与隔热棉毡7进行固定的单耳片12。如图7所示，隔热棉毡7由隔热材料组成，其通过螺栓固定安装在承力墙1的夹持装置11的受热面上，以此来保护加热过程中夹持装置11及试验件8的耳片12不受高温影响而发生变形和损坏。

本申请中，试验件8由试验区域与耳片12组成，通过耳片12与承力墙1的夹持装置11螺接安装。

本申请中，非接触测温仪9为基于红外波的非接触温度测量仪器，试验过程中将其调整好视角，保证其可以观察到试验件8的热面全部区域，并设定试验件8的材料发生率以及温度相关性。非接触测温仪9与控制系统10连接，试验过程中，非接触测温仪9将测量的试验件8热面温度场分布、最高温度值及发生位置传递给控制系统10，通过控制系统10对结果进行对比分析。

本申请中，控制系统10中包含热辐射分析软件以及控制硬件模块，在试验开展前首先通过内部的热辐射分析软件给出初步的热辐射方案，并依据该加热方案控制线性模组2和传动装置4，改变辐射加热器3与试验件8的相对位置关系以及石英灯管15之间的排布。试验过程中，非接触测温仪9测量试验件8的热面极值温度以及温度场分布，并将结果反馈给控制系统10，当极值温度未达到目标温度时，控制系统10通过功率控制柜(图中未视处)控制辐射加热器3的功率输出，改变石英灯管15的输出辐射热流，进而改变试验件8的极值温度；当温度分布未满足试验要求时，当结果与目标相差较大时，通过控制线性模组2对辐射加热器3与试验件8的整体相对位置进行调整；当结果与目标相差较小时，则通过控制传动装置4对石英灯管15的排布进行调整。最终改变试验件8的温度分布和极值温度。此外，试验过程中，通过非接触测温仪9反馈的最高温度值及发生位置，控制系统10可以实时动态调整温度控制点位置，保证温度控制点的温度始终为最高温度值，防止试验过加热，造成试验件的损坏和试验事故。

本发明将石英灯辐射加热系统、自动化控制装置结合，实现试验前快速给出加热方案，试验过程中可以根据试验结果动态调整加热方案的设计参数，并可以动态调整温度控制点的位置，保证温度控制点的温度始终为最高温度值。通过该发明可快速给出试验方案，减少试验成本，加快试验周期。

本发明可应用于飞行器的常规结构热试验中，也可应用于热作用下结构产生大变形的相关热试验中，并且该发明的思路可用于其他试验装置的设计上，尤其是那些具有明显的动态特性试验。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种自动化的辐射加热试验系统，其特征在于，包括：

承力墙(1)，其上设置有沿竖直方向延伸的线性模组(2)；

加热器支架(13)，设置在所述线性模组(2)上，并能够在所述线性模组(2)上沿竖直方向上下移动；

辐射加热器(3)，固定在所述加热器支架(13)上，辐射加热器(3)包括加热器底座(16)，加热器底座(16)上具有沿水平方向延伸有滑轨，多个能够在所述滑轨上移动的移动单元(19)受控设置在所述加热器底座(16)上，每个移动单元(19)的末端设置有灯管夹(17)，灯管夹(17)用于夹持石英灯管(15)；

隔热棉毡(7)，固定在承力墙(1)的安装线性模组(2)的一侧面上，所述隔热棉毡(7)具有固定端，用于固定试验件(8)；

控制系统(10)，电连接所述线性模组(2)及移动单元(19)。

2.如权利要求1所述的自动化的辐射加热试验系统，其特征在于，所述加热器底座(16)通过螺纹杆(14)固定在所述加热器支架(13)上。

3.如权利要求1所述的自动化的辐射加热试验系统，其特征在于，还包括非接触测温仪(9)，电连接所述控制系统(10)，所述非接触测温仪(9)被设置成用于监测试验件(8)的温度场分布。

4.如权利要求1所述的自动化的辐射加热试验系统，其特征在于，所述加热器底座(16)上还设置有隔热板(6)，所述隔热板(6)设置在所述石英灯管(15)的背向试验件(8)的一侧。

5.如权利要求1所述的自动化的辐射加热试验系统，其特征在于，所述螺纹杆(14)与所述加热器支架(13)上设置有通路，且所述螺纹杆(14)与所述加热器支架(13)的通路相连通，形成水循环通路，所述水循环通路连接水冷却设备。

6.如权利要求1所述的自动化的辐射加热试验系统，其特征在于，所述隔热棉毡(7)通过螺栓固定在承力墙(1)上，且具有双耳结构，试验件(8)对应设置有与隔热棉毡(7)进行固定的单耳片(12)。

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