CN113252267A - 测量板类零件在梯度温度场中动响应的装置及测量方法 - Google Patents

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张骞
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Abstract

本发明属于动响应测取技术领域，公开了一种测量板类零件在梯度温度场中动响应的装置，包括制热单元、制冷单元、激振单元、温度控制单元、数据分析单元及夹持单元；制冷单元和制热单元沿测试板厚度方向设置；激振单元包括激振器和激振杆，激振杆一端与激振器连接，另一端与测试板表面接触；在激振杆的自由端设有力传感器，在测试板的冷侧表面设有加速度传感器；制热单元与制冷单元均与温度控制单元连接；温度控制单元包括温度控制模块，分别设置在测试板的两侧的第一测温元件和第二测温元件，第一测温元件和第二测温元件均与温度控制模块连接。还公开了测量方法，能够模拟零件的服役环境，精确测取了测试板在振动和沿厚度向梯度温度场下的动响应。

Description

测量板类零件在梯度温度场中动响应的装置及测量方法
技术领域
本发明属于动响应测取技术领域，特别涉及一种用于测量板类零件在梯度温度场中动响应的装置及测量方法。
背景技术
飞行器超声速飞行或再入大气层时，其表面的板材因气动加热而产生温度变化，主要表现为与空气接触侧温度高，近飞行器腔体侧温度底，在结构内部沿厚度方向形成一种非均匀温度场，由此引起的热应力与热变形会影响结构的动响应特性。研究动响应特性对板零件在服役环境下的安全和可靠性评估有重要意义。
目前没有针对该类零件处于梯度温度场下的动响应属性的实验装置，无法测取沿板厚非均匀温度环境中的测试板的动响应。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于测量板类零件在梯度温度场中动响应的装置及测量方法，解决了无针对板类零件在梯度温度场中动响应属性进行测取的实验装置的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种测量板类零件在梯度温度场中动响应的装置，包括制热单元、制冷单元、激振单元、温度控制单元、数据分析单元及用于夹持测试板的夹持单元；制冷单元和制热单元沿测试板厚度方向设置，制冷单元设置在测试板一侧，制热单元设置在测试板另一侧；制冷单元包括冷却板和伸缩支撑架，冷却板连接在伸缩支撑架上端；
激振单元包括激振器和激振杆，激振杆的固定端与激振器连接，自由端与测试板的一侧表面接触；在激振杆的自由端设有力传感器，在测试板的受冷侧表面上设有加速度传感器；力传感器和加速度传感器均与数据分析单元连接；
制热单元与制冷单元均与温度控制单元连接，温度控制单元与数据分析单元连接；
温度控制单元包括温度控制模块、第一测温元件和第二测温元件，第一测温元件和第二测温元件均与温度控制模块连接，第一测温元件设置在测试板与冷却板相对的一侧表面上，第二测温元件设置在测试板与制热单元相对的一侧表面上；
制热单元包括电源、红外测温计、制热元件和分压器，分压器与温度控制模块连接，制热元件与分压器和电源构成回路；红外测温计设置在测试板的受热面一侧，用于监测测试板受热面温度。
进一步，夹持单元包括底座和放置在底座上的上夹持板和下夹持板，测试板放置在上夹持板和下夹持板中间。
进一步，底座包括对称设置的两个长工形基座和对称设置的两个短工形基座，两个长工形基座和两个短工形基座构成固定平台；
上夹持板和下夹持板与固定平台螺栓连接。
进一步，伸缩支撑架包括对称设置的第一支撑架和第二支撑架，第一支撑架和第二支撑架均包括立柱、滑块和导轨，立柱连接在冷却板下表面，滑块固定在立柱上，导轨固定在夹持单元的底座上，滑块与导轨形成导轨滑块机构。
进一步，制热元件布设在测试板的正上方，冷却板布设在测试板的正下方，在冷却板上安装有冷却弯管。
进一步，力传感器和加速度传感器均经电荷放大器与数据分析单元连接。
进一步，激振单元还包括用于产生激振信号的和功率放大器，信号发生器经功率放大器与激振器连接。
进一步，激振杆、力传感器和加速度传感器设置在测试板受冷面一侧。
进一步，制热元件采用石英灯阵。
本发明还公开了所述一种测量板类零件在梯度温度场中动响应的装置的测量方法，包括以下过程：
S1、通过制热单元给测试板的一面加热，制冷单元给测试板的另一面制冷，在测试板内部沿板厚方向形成梯度温度场；
S2、第一测温元件和第二测温元件实时获取梯度温度场中的温度数据，并反馈给温度控制模块；
当第一测温元件测定温度达到设定温度时，温度控制模块控制制冷单元使测试板受冷面温度稳定在设定温度；当第二测温元件测定温度达到设定温度时，温度控制模块控制分压器，使测试板受热面温度稳定在设定温度；
S3、当红外测温计测得的温度在受热面设定温度的误差范围之内，打开激振器，通过激振杆使测试板产生振动；
S4、测试板的受冷面测点温度由S2步骤中第一测温元件接触测温，测试板的受热面测点温度由S2步骤中第二测温元件接触测温，力传感器测取激振杆的力，加速度传感器测取测试板的动响应，力传感器和加速度传感器的信号显示于数据分析单元。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开了一种用于测量板类零件在梯度温度场中动响应的装置，包括固定测试板的夹持单元、给测试板一面制冷的制冷单元、给测试板另一面加热的制热单元、提供振动的激振单元、温度控制单元及数据分析单元，制冷单元和制热单元在测试板内部沿板厚方向形成梯度温度场，同时通过激振单元提供振动环境。测试板受热面测点温度由设置在测试板与制热单元相对的一侧表面上的测温元件测取，测试板受冷面测点温度由设置在测试板与冷却板相对的一侧表面上的测温元件测取，动响应经加速度传感器显示于数据分析单元。布置在测试板受冷面的测温元件与温度控制模块连接，达到设定温度时反馈给温度控制模块来控制制冷板的制冷程度，使测试板受冷面温度稳定在设定温度，布置在测试板受热面的测温元件与温度控制模块连接，达到设定温度时，可以通过温度控制模块控制分压器，使测试板受热面温度稳定在设定温度，以实现温度可控；不同厚度的测试板振动幅度不同，将制冷单元的支架设计成可伸缩结构，可以根据不同需要调整测试板与冷却板之间的距离；测试板受热面的温度由红外测温计直接非接触式测取，当红外测温计测得的温度在预设温度要求的误差范围之内，则说明制热面上的温度受热比较均匀，可以忽略面内温度梯度的影响，开启振动，避免了受热面上温度梯度对试验结果的影响。本发明能够模拟零件的真实服役环境，解决了相关技术中未考虑板类零件沿厚度向存在梯度温度场带来的问题，精确测取了测试板在振动和沿厚度向梯度温度场下的动响应，可为板类零件在复杂热条件下的动态响应行为预示和结构设计提供参考依据，对板零件在服役环境下的安全和可靠性评估有重要意义。
进一步，底座包括对称设置的两个长工形基座和对称设置的两个短工形基座，用工形基座代替矩形基座，便于冷却管路和测温元件线路的引出。
进一步，将力传感器、加速度传感器和激振杆布置在测试板受冷面的一侧，防止传感器受热损坏，也防止激振杆在热环境下变形。
本发明还公开了所述用于测量板类零件在梯度温度场中动响应的装置的测量方法，通过测试板制热面和制冷面上的测温元件实时测温，并与温度控制模块形成反馈调节，通过温度控制模块控制制冷和制热效果，使得制冷面和制热面的温度保持在预设的温度，然后给测试板施加激振力，通过力传感器和加速度传感器测取测试板的动响应，并显示于通过数据分析单元显示。通过该方法为研究板类零件的动响应特性，为板零件在服役环境下的安全和可靠性评估提供数据支持。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的夹持单元的结构示意图；
图3为本发明的制冷单元的结构示意图。
其中，1-信号发生器，2-功率放大器，3-激振器，4-激振杆，5-力传感器，6-加速度传感器，7-电荷放大器，8-数据分析单元，9-冷却板，10-冷却弯管，11-第一测温元件，12-第二测温元件，13-温度控制模块，14-红外测温计，15-测试板，16-螺栓，17-下夹持板，18-石英灯阵，19-分压器，20-电源，21-上夹持板，22-短工形基座，23-长工形基座，24-立柱，25-滑块，26-导轨。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1～3所示，本发明公开了提供一种施加沿板厚梯度温度场及测试其动响应的装置，包括制热单元、制冷单元、激振单元、温度控制单元、数据分析单元8及用于夹持测试板15的夹持单元；制冷单元和制热单元沿测试板15厚度方向设置，制冷单元设置在测试板15一侧，制热单元设置在测试板15另一侧；制冷单元包括冷却板9和伸缩支撑架，冷却板9连接在伸缩支撑架上端；制冷单元与制热单元均与温度控制单元连接，温度控制单元与数据分析单元8连接；温度控制单元包括温度控制模块13、第一测温元件11和第二测温元件12，第一测温元件11设置在测试板15与冷却板9相对的一侧表面上，第二测温元件12设置在测试板15与制热单元相对的一侧表面上。冷却板9上开有用于穿过力传感器5和加速度传感器6的通孔；测试板15的受冷面测点温度由第一测温元件11接触测温，受热面测点温度由第二测温元件12接触测温。
第一测温元件11和第二测温元件12均采用测温热电偶。
如图2所示，夹持单元包括底座和放置在底座上的上夹持板21和下夹持板17，底座包括对称设置的两个长工形基座23和对称设置的两个短工形基座22，测试板15被上夹持板21和下夹持板17固定住四边，将其用螺栓16固定在两个短工形基座22和两个长工形基座23相对布置所围成的固定平台上。
如图3所示，伸缩支撑架包括对称设置的第一支撑架和第二支撑架，第一支撑架和第二支撑架均包括立柱24、滑块25和导轨26，立柱24连接在冷却板9下表面，滑块25固定在立柱24上，导轨26固定在夹持单元的底座上，滑块25与导轨26形成导轨滑块机构。长工形基座23上开有用于固定导轨26的螺纹孔，立柱24的一端与冷却板9螺纹连接，另一端与滑块25螺纹连接。不同厚度的测试板15振动幅度不同，将制冷单元的支架设计成可伸缩结构，可以根据不同需要调整测试板15与冷却板9之间的距离。
冷却板9和测试板15间距为0～50mm，间距可调控，冷却板9的四边分别与短工形基座22壁面和长工形基座23壁面的间距为3mm，形成较为密闭的冷却空间，使冷却效果更优。
如图1所示，制热元件布设在测试板15的正上方，冷却板9布设在测试板15的正下方，在冷却板9上安装有冷却弯管10。如图3所示，冷却板9布置在测试板15的正下方且远离测试板15的板面铣有放置冷却弯管10的槽，冷却板9和冷却弯管10的材质采用紫铜，冷却弯管10内部的冷却液的流速受温度控制模块13的调节。
冷却弯管10焊接在冷却板9的槽内，冷却板9的四周分别与短工形基座22内壁面和长工形基座23内壁面的间距为3mm；滑块25在导轨26内限定的位置移动，导轨26与长工形基座23螺纹连接。
如图1所示，制热单元包括制热元件、分压器19和红外测温计14，分压器19与温度控制模块13连接。红外测温计14设置在测试板15的受热面一侧，测试板15受热面的温度由红外测温计14直接非接触式测取，当红外测温计14测得的温度在预设温度要求的误差范围之内，则说明制热面上的温度受热比较均匀，可以忽略面内温度梯度的影响，开启振动，避免了受热面上温度梯度对试验结果的影响。
制热元件采用耐热性好、加热功率可调且易于控制的石英灯阵18，石英灯阵18布置在测试板15的正上方，与分压器19和电源20用电线接成回路，分压器19受温度控制模块13的调节，温度控制模块13包含收集热电偶温度数据的功能和控制分压器19的功能。
如图1所示，激振单元包括依次连接的信号发生器1、功率放大器2、激振器3和激振杆4，信号发生器1和功率放大器2用于产生激振信号，激振杆4的自由端与测试板15的一侧表面接触；在激振杆4的自由端设有力传感器5，在测试板15的一侧表面上设有加速度传感器6；力传感器5和加速度传感器6与数据分析单元8连接。激振器3接收由信号发生器1发生且经功率放大器2处理后的信号，控制头部置有力传感器5的激振杆4振动，动响应由加速度传感器6经电荷放大器7显示于数据分析单元8。
本发明的使用方法如下：
S1.在进行测取测试板15在梯度温度场中动响应实验前，先在测试板15内部沿板厚方向形成梯度温度场。石英灯阵18给四边固支的测试板15的一面加热，冷却水管通过冷却板9间接给测试板15的另一面制冷。
S2.在进行测取测试板15在梯度温度场的动响应实验中，实时获取在梯度温度场中第一测温元件11温度数据和第二测温元件12温度数据，当第一测温元件11温度达到设定温度时，可以反馈温度控制模块13来控制冷却弯管10内水的流速，使测试板15受冷面温度稳定在设定温度，当第二测温元件12温度达到设定温度时，可以通过温度控制模块13控制分压器19，使测试板15受热面温度稳定在设定温度。
S3、当红外测温计(14)测得的温度在预设温度要求的误差范围之内，则说明制热面上的温度受热比较均匀，可以忽略面内温度梯度的影响，此时，打开激振器3，通过激振杆4使测试板15产生振动。一般误差范围控制在预设温度±3％之内。
S4、测试板15的受冷面测点温度由S2步骤中第一测温元件11接触测温，测试板15的受热面测点温度由S2步骤中第二测温元件12接触测温，力传感器5测取激振杆4的力，加速度传感器6测取测试板15的动响应，力传感器5和加速度传感器6的信号经电荷放大器7显示于数据分析单元8。
本发明能够模拟零件的真实服役环境，解决了相关技术中未考虑板类零件沿厚度向存在梯度温度场带来的问题，精确测取了测试板15在振动和沿厚度向梯度温度场下的动响应，可为板类零件在复杂热条件下的动态响应行为预示和结构设计提供参考依据，对板零件在服役环境下的安全和可靠性评估有重要意义。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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。凡在本发明的精神和原则之内，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 (10)

1.一种测量板类零件在梯度温度场中动响应的装置，其特征在于，包括制热单元、制冷单元、激振单元、温度控制单元、数据分析单元(8)及用于夹持测试板(15)的夹持单元；制冷单元和制热单元沿测试板(15)厚度方向设置，制冷单元设置在测试板(15)一侧，制热单元设置在测试板(15)另一侧；制冷单元包括冷却板(9)和伸缩支撑架，冷却板(9)连接在伸缩支撑架上端；
激振单元包括激振器(3)和激振杆(4)，激振杆(4)的固定端与激振器(3)连接，自由端与测试板(15)的一侧表面接触；在激振杆(4)的自由端设有力传感器(5)，在测试板(15)的受冷侧表面上设有加速度传感器(6)；力传感器(5)和加速度传感器(6)均与数据分析单元(8)连接；
制热单元与制冷单元均与温度控制单元连接，温度控制单元与数据分析单元(8)连接；
温度控制单元包括温度控制模块(13)、第一测温元件(11)和第二测温元件(12)，第一测温元件(11)和第二测温元件(12)均与温度控制模块(13)连接，第一测温元件(11)设置在测试板(15)与冷却板(9)相对的一侧表面上，第二测温元件(12)设置在测试板(15)与制热单元相对的一侧表面上；
制热单元包括电源(20)、制热元件、红外测温计(14)、和分压器(19)，分压器(19)与温度控制模块(13)连接，制热元件与分压器(19)和电源(20)构成回路；红外测温计(14)设置在测试板(15)的受热面一侧，用于监测测试板(15)受热面温度。
2.根据权利要求1所述的一种测量板类零件在梯度温度场中动响应的装置，其特征在于，夹持单元包括底座和放置在底座上的上夹持板(21)和下夹持板(17)，测试板(15)放置在上夹持板(21)和下夹持板(17)中间。
3.根据权利要求1所述的一种测量板类零件在梯度温度场中动响应的装置，其特征在于，底座包括对称设置的两个长工形基座(23)和对称设置的两个短工形基座(22)，两个长工形基座(23)和两个短工形基座(22)构成固定平台；
上夹持板(21)和下夹持板(17)与固定平台螺栓(16)连接。
4.根据权利要求1所述的一种测量板类零件在梯度温度场中动响应的装置，其特征在于，伸缩支撑架包括对称设置的第一支撑架和第二支撑架，第一支撑架和第二支撑架均包括立柱(24)、滑块(25)和导轨(26)，立柱(24)连接在冷却板(9)下表面，滑块(25)固定在立柱(24)上，导轨(26)固定在夹持单元的底座上，滑块(25)与导轨(26)形成导轨滑块机构。
5.根据权利要求1所述的一种测量板类零件在梯度温度场中动响应的装置，其特征在于，制热元件布设在测试板(15)的正上方，冷却板(9)布设在测试板(15)的正下方，在冷却板(9)上安装有冷却弯管(10)。
6.根据权利要求1所述的一种测量板类零件在梯度温度场中动响应的装置，其特征在于，力传感器(5)和加速度传感器(6)均经电荷放大器(7)与数据分析单元(8)连接。
7.根据权利要求1所述的一种测量板类零件在梯度温度场中动响应的装置，其特征在于，激振单元还包括用于产生激振信号的和功率放大器(2)，信号发生器(1)经功率放大器(2)与激振器(3)连接。
8.根据权利要求1所述的一种测量板类零件在梯度温度场中动响应的装置，其特征在于，激振杆(4)、力传感器(5)和加速度传感器(6)设置在测试板(15)受冷面一侧。
9.根据权利要求1所述的一种测量板类零件在梯度温度场中动响应的装置，其特征在于，制热元件采用石英灯阵(18)。
10.权利要求1～9任意一项所述一种测量板类零件在梯度温度场中动响应的装置的测量方法，其特征在于，包括以下过程：
S1、通过制热单元给测试板(15)的一面加热，制冷单元给测试板(15)的另一面制冷，在测试板(15)内部沿板厚方向形成梯度温度场；
S2、第一测温元件(11)和第二测温元件(12)实时获取梯度温度场中的温度数据，并反馈给温度控制模块(13)；
当第一测温元件(11)测定温度达到设定温度时，温度控制模块(13)控制制冷单元使测试板(15)受冷面温度稳定在设定温度；当第二测温元件(12)测定温度达到设定温度时，温度控制模块(13)控制分压器(19)，使测试板(15)受热面温度稳定在设定温度；
S3、当红外测温计(14)测得的温度在受热面设定温度的误差范围之内，打开激振器(3)，通过激振杆(4)使测试板(15)产生振动；
S4、测试板(15)的受冷面测点温度由S2步骤中第一测温元件(11)接触测温，测试板(15)的受热面测点温度由S2步骤中第二测温元件(12)接触测温，力传感器(5)测取激振杆(4)的力，加速度传感器(6)测取测试板(15)的动响应，力传感器(5)和加速度传感器(6)的信号显示于数据分析单元(8)。
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