CN113804379A - 一种复合材料超高温振动疲劳试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合材料超高温振动疲劳试验方法，涉及复合材料超高温振动疲劳性能测试技术领域。使用试验仪器包括激振器系统(包括激振器、功率放大器、振动控制器和加速度传感器)、金属材料腔体和磁感应加热系统(包括高频磁感应加热机和红外温度探测仪)。该方法对复合材料加热振动的方式为：通过磁感应加热系统对金属材料腔体进行加热，金属材料腔体内形成一个超高温空间，复合材料在这个超高温空间中通过热传导形式被加热到特定温度，激振器系统给试件提供振动。本方法可为复合材料提供超高温及振动环境，利于研究复合材料在超高温振动环境条件下的疲劳性能，降低设计成本，提高设计水平。
Description
技术领域
本发明属于复合材料振动疲劳性能测试技术领域，尤其涉及复合材料超高温振动疲劳试验方法。
背景技术
航空航天领域中超高速飞行器服役环境异常严苛，其表面材料承受着严酷且复杂的超高温振动载荷作用。材料在超高温及振动载荷双重作用下，疲劳寿命将大大缩短，并且疲劳失效具有突发性，往往会造成严重的经济损失和人员伤亡。
复合材料以其低密度、高强度、耐高温的性能，成为超高速飞行器结构的重要使用材料。复合材料作为一种新兴的耐高温材料，研究者对其在超高温振动载荷作用下的疲劳性能研究较少。而且复合材料不导电，无法使用磁感应加热这一金属材料常用的加热方式进行加热。如何对复合材料加热，研究复合材料超高温条件下的振动疲劳性能，是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明目的在于针对复合材料超高温振动疲劳性能测试的需求，提出一种超高温振动疲劳试验方法。材料或零件在单向循环载荷作用下所产生的失效现象称为疲劳。本发明方法以激振器为激励源，给予复合材料试件振动载荷作用，复合材料试件处于一金属材料试件腔体中，通过磁感应加热器对金属材料腔体进行加热的方式间接地对复合材料试件进行加热。复合材料试件振动过程中的加热温度可达几百至上千摄氏度，可以模拟超高速飞行器结构材料遭受的超高温振动工作状况。
研究复合材料的超高温性能时，多使用高温炉加热。高温炉价格昂贵，多为定制，而且炉腔体积恒定，更换大试件则需重新订制高温炉。而本发明方法使用装置安装灵活，采用金属材料腔体的形式对复合材料试件进行加热，通过激振器对复合材料试件施加振动激励。试件较大，则更换金属材料腔体即可。整套装置安装灵活，功能齐全，占地面积小，以较低的价格实现对复合材料试件的超高温振动疲劳性能测试。
本发明采用的技术方案为一种复合材料超高温振动疲劳试验方法。
复合材料试件形状如图1所示，为狗骨状，试件可通过两端圆孔与夹具或附重块连接，中间区域为高温加热区。本方法就是通过对中间区域研究来预测复合材料的超高温振动疲劳寿命。
金属材料腔体形状为一中空圆柱体，腔体通过一支架固定在地面上，如图2所示。金属材料腔体与试件不接触，不影响试件振动。
试验仪器包括激振器系统(包括激振器、功率放大器、振动控制器和加速度传感器)、金属材料腔体和磁感应加热系统(包括高频磁感应加热机和红外温度探测仪)。
各构件连接关系：
振动控制器与功率放大器、加速度传感器连接；
激振器安装到固定台或地面上，并与功率放大器连接；
夹具一端与激振器推杆连接，另一端固定复合材料试件，连接方式都为螺栓连接；
加速度传感器粘贴在夹具上，并对振动信号进行负反馈；
复合材料试件一端固定在夹具处，另一端悬空，试件中间区域被金属材料腔体包围，但不与金属材料腔体接触；
高频磁感应加热机的感应线圈套在金属材料腔体上，但不与金属材料腔体接触；
红外温度探测仪与高频磁感应加热机连接，安装位置任意，能保证试验时，红外温度探测仪对准金属材料腔体加热部位即可。
设备描述：
(1)振动控制器：通过功率放大器控制激振器工作，并将加速度传感器信号作为负反馈信号。
(2)功率放大器：产生最大功率输出以驱动激振器。
(3)激振器：产生激励，从而对试件进行振动。
(4)高频磁感应加热机：产生高频磁场，利用导体在高频磁场作用下产生的感应电流以及导体内磁场的作用引起金属导体自身发热而进行加热。
(5)红外温度传感器：利用辐射热效应，探测试件温度变化，并反馈给高频磁感应加热机从而形成对高频磁感应加热机的闭环控制。
(6)加速度传感器：采集试件振动加速度，并反馈给振动控制器从而形成对振动控制器的闭环控制。
本方法的实验步骤如下：
步骤1)复合材料试件一端通过夹具与激振器连接，另一端置于金属材料腔体内；
步骤2)启动高频磁感应加热机，对金属材料腔体进行加热，并将红外温度探测仪对准金属材料腔体加热部分，通过闭环控制，使金属材料腔体加热温度达到预定温度；
步骤3)持续加热一段时间，使复合材料试件温度达到预定温度；
步骤4)启动振动控制器，输入振动参数，通过功率放大器驱动激振器，并通过加速度传感器进行闭环控制；
步骤5)当试件断裂或达到预定振动时间时，结束试验，切断电源。
本发明的优点在于：提出了一种复合材料超高温振动疲劳试验方法。本方法能够模拟复合材料的受载条件，体现复合材料在超高温振动疲劳载荷下的机械性能，提出具有物理意义的疲劳寿命预测模型和相关力学模型，以供设计人员研究。而且，采用本方法可以减少设备结构设计的台架试验，降低设计的资源和时间成本。
附图说明
图1复合材料试件形状
图2金属材料腔体。
图3超高温振动疲劳试验系统。
图4振动信号示例，其中图a为振动信号的功率谱密度，图b为振动信号时域形式。
图中：1、激振器；2、加速度传感器；3、夹具；4、复合材料试件；5、金属材料腔体；6、金属材料腔体支架；7、高频磁感应加热线圈；8、高频磁感应加热机。
具体实施方式
通过对C/SiC复合材料进行振动控制的超高温振动疲劳试验，对本发明作进一步说明，金属腔体材料采用GH5188，GH5188熔点1300℃，可在1100℃下长时间使用。
一种复合材料超高温振动疲劳试验方法，其步骤为：
步骤1)连接试验系统，将C/SiC复合材料试件一端通过夹具与激振器连接，另一端置于金属材料腔体内；
步骤2)在红外温度探测仪中设定试件加热温度为1000℃，将红外温度探测仪对准金属材料腔体加热部分，启动高频磁感应加热机，对金属材料腔体进行加热，持续0.5小时时间；
步骤3)启动振动控制器及功率放大器，将图4所示振动信号输入振动控制器中；图4的(a)为该振动信号的功率谱密度，图4的(b)为该振动信号的时域形式；振动控制器控制激振器振动；
步骤4)当试件断裂或达到预定振动时间时，结束试验，切断电源。
本发明提供了一种复合材料超高温振动疲劳试验方法，涉及复合材料超高温振动疲劳性能测试技术领域。该方法对复合材料加热的方式为：通过高频磁感应加热机对金属材料腔体进行加热，金属材料腔体内形成一个超高温空间，复合材料在这个超高温空间中通过热传导形式被加热到特定温度。该方法对复合材料施加振动的方式为：采用激振器对复合材料试件施加振动。
该方法所需试验仪器包括激振器系统(包括激振器、功率放大器、振动控制器和加速度传感器)、金属材料腔体和磁感应加热系统(包括高频磁感应加热机和红外温度探测仪)。试验步骤为：(1)连接试验系统，将复合材料试件固定到夹具上；(2)设定试验加热温度，通过红外温度探测仪对试件温度进行探测，闭环控制高频磁感应加热机的加热与否，启动高频磁感应加热机，对试件进行加热，加热持续一段时间；(3)启动振动控制器及功率放大器，向振动控制器中输入振动参数，通过功率放大器对激振器进行控制；(4)根据失效判据或预定时间来结束试验。本方法可用于复合材料超高温振动疲劳性能的测定，降低设计成本，提高设计水平。
Claims (2)
1.一种复合材料超高温振动疲劳试验方法，其特征在于：对复合材料加热，通过高频磁感应加热机对金属材料腔体进行加热，金属材料腔体内形成一个高温空间，复合材料在这个高温空间中通过热传导形式被加热到特定温度；复合材料的加热温度受制于金属材料的熔点；所需试验仪器如下：
振动控制器、功率放大器、激振器、试件夹具、复合材料试件、金属材料腔体、高频磁感应加热机、加速度传感器、红外温度探测仪；
本方法试验步骤如下：
(1)启动高频磁感应加热机，对金属材料腔体进行加热；
(2)将红外温度探测仪对准金属材料腔体加热部分，通过闭环控制，使金属材料腔体加热温度达到预定温度；
(3)持续加热一段时间，使复合材料试件表面及内部温度达到预定温度；
(4)启动振动控制器，输入振动参数，通过功率放大器驱动激振器，并通过加速度传感器进行闭环控制；
(5)当试验达到失效判据或预定振动时间时，结束试验；
(6)导出加速度传感器数据。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料超高温振动疲劳试验方法，其特征在于：复合材料加热振动方式为步骤2)、步骤3)与步骤5)所述，即通过高频磁感应加热机对金属材料腔体进行加热，金属材料腔体内形成一个高温空间，复合材料在这个高温空间中通过热传导形式被加热到特定温度，通过激振器对复合材料施加振动。
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