CN114739821A - 一种空天飞机壁板结构载荷模拟试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请属于航空飞行器结构部件的静或动平衡的测试技术领域，为一种空天飞机壁板结构载荷模拟试验装置，包括盒型夹具工装、试验件、热载荷加载装置和压力载荷加载装置；通过在盒型夹具工装内设置石英灯加热元件对试验件进行热载荷加热试验，石英灯加热元件与控制系统相连，石英灯加热元件的功率通过控制系统进行控制，可以有效保证石英灯加热元件的加热精度，并且石英灯加热元件的加热温度上限高，实现非接触解热，温度载荷跟随性更好，加热范围更广，能够更高效地进行热载荷加载试验。通过设置冲压管和抽气管来实现正压载荷和负压载荷的施压，通过控制系统来控制压密封腔体内的压力大小，进行不同的压力载荷试验，压力载荷模拟精度高、范围广。

Description

一种空天飞机壁板结构载荷模拟试验装置及方法
技术领域
本申请属于航空飞行器结构部件的静或动平衡的测试技术领域，特别涉及一种空天飞机壁板结构载荷模拟试验装置及方法。
背景技术
高超声速飞行器在巡航或再入过程中经历着严酷的气动力与气动热等复杂严酷环境，影响着结构的完整性和可靠性。为满足隔热和轻质化的要求，飞行器结构多采用带有防热层的高温合金壁板结构或高温复合材料加筋壁板结构。对于壁板结构高温压力载荷模拟的试验装置及方法研究，获取其工作条件下的热、力学性能，可以为飞行器机身结构、发动机排气管结构等选型工作提供有力的数据和技术支撑。
目前涉及到高温压力载荷模拟的试验方法通常为：
热载荷采用加热带接触加热方式，将加热带粘贴到被测试件表面。加热带内部为电阻丝，通电发热后可以对试件进行加热。但受限于加热电阻丝功率大小（通常不超过2.5W/cm²），加热极限较低，通常只能加热到250℃。若强行增加单位面积电阻丝功率，极易发生电阻丝熔断现象，造成试验加热失败。此外，加热带由于自身特点，电阻丝排布不可能完全均匀，因此加热均匀性差，加热波动较大。
压力载荷通常采用水囊或气囊加载方式，在加热带外铺设高硅氧布等隔热材料，压力囊紧贴在隔热材料外部，通过压力囊充水或者充气的方式施加压力载荷。对于壁板结构，此种压力载荷加载方式只能施加正压载荷，无法施加负压载荷，因此载荷施加范围严重受限。且压力囊的加载方式对于气动力的模拟不够真实，载荷施加精度不足。
因此，如何实现对壁板结构的更高热载荷试验同时能够对壁板结构进行负压载荷试验是一个需要解决的问题。
发明内容
本申请的目的是提供了一种空天飞机壁板结构载荷模拟试验装置及方法，以解决现有技术中对壁板结构进行热载荷试验时加热上限较低、进行压力载荷试验时无法进行负载载荷试验的问题。
本申请的技术方案是：一种空天飞机壁板结构载荷模拟试验装置，包括盒型夹具工装、试验件、热载荷加载装置和压力载荷加载装置；所述盒型夹具工装内部为中空结构，所述盒型夹具工装上设有过渡连接板，所述试验件安装于过渡连接板上，所述过渡连接板、试验件与盒型夹具工装组合形成密封腔体；所述热载荷加载装置包括石英灯加热元件，所述石英灯加热元件设于密封腔体内，所述过渡连接板为回字形结构并且过渡连接板的中部开口处与密封腔体相连通，所述试验件安装于过渡连接板的中部开口处；所述压力载荷加载装置包括设于盒型夹具工装上的控制系统、冲压管、抽气管、测压管和排气管，所述冲压管、抽气管、测压管和排气管均与密封腔体连通，所述冲压管连接气源和第一进气比例阀，所述抽气管连接真空泵和抽气比例阀，所述测压管连接控制压力传感器，所述排气管连接第二进气比例阀和排气比例阀，所述控制压力传感器实时监测密封腔体内的压力并上传至控制系统，控制系统根据控制压力传感器的数值控制第一进气比例阀、第二进气比例阀、抽气比例阀和排气比例阀的通断；所述试验件上设有应变传感器和温度传感器，所述盒型夹具工装壁面设有与应变传感器和温度传感器相连的测量出线接口，所述测量出线接口与控制系统相连。
优选地，所述盒型夹具工装为钢制结构，所述盒型夹具工装包括围框、上翻边、下底板和加强筋；所述围框为中空矩形结构，所述上翻边设于围框的上端并且上翻边与过渡连接板相贴，所述下底板设于围框的下端，所述加强筋设于围框的外侧壁上；
所述围框壁厚为20mm，上翻边及下底板厚度为25mm。
优选地，所述上翻边上开设有第一密封槽，所述过渡连接板上开设有第二密封槽，所述第一密封槽和第二密封槽内均设有石墨密封圈。
优选地，所述石英灯加热元件共有多组并且多组石英灯加热元件并排均匀设于密封腔体内。
优选地，所述热载荷加热装置还包括导流条和气密接线柱，所述导流条设于石英灯加热元件的两端，所述气密接线柱设于盒型夹具工装内，所述导流条与气密接线柱之间连接有电极连接片，所述气密接线柱从盒型夹具工装内伸出并连接电源设备。
优选地，所述盒型夹具工装内部设有安装板，所述导流条安装于安装板上，所述导流条的外壁设有绝缘瓷套。
优选地，所述冲压管上连接有第一监测压力传感器，所述抽气管上连接有第二监测压力传感器，所述第一监测压力传感器和第二监测压力传感器与控制系统相连。
优选地，所述测压管上还连接有精密压力表和电接点压力表，所述精密压力表的数值与控制压力传感器的感应数值相同，所述电接点压力表上设置上、下限指针，若冲压管、抽气管或排气管中压力高于设定的最高值或低于最低值，电接点压力表的电接点连通，向控制系统发送应急信号，控制系统接收该信号后应急卸载。
优选地，所述排气管连接应急手阀，若压力载荷出现明显偏高或明显偏低时，应急手阀打开并手动排气或进气。
作为一种具体实施方式，一种空天飞机壁板结构载荷模拟试验方法，包括，
向密封腔体充气进行正压载荷加载，冲压管与气源连接，冲压时关闭抽气管的抽气比例阀和排气管的应急手阀和进气比例阀，打开冲压管处的第一进气比例阀和排气管处的排气比例阀，以测压管处控制压力传感器的读数作为控制系统的反馈信号，控制系统根据压力设定值与反馈信号的误差来调节第一进气比例阀和排气比例阀的开度；
向密封腔体抽气进行负压载荷加载，抽气管与真空泵连接，抽压时关闭冲压管处的第一进气比例阀和排气管处的第二进气比例阀，打开抽气管处的抽气比例阀和排气管处的第二进气比例阀，以测压管处控制压力传感器的读数作为控制系统的反馈信号，控制系统根据压力设定值与反馈信号的误差来调节抽气比例阀和第二进气比例阀的开度。
本申请的一种空天飞机壁板结构载荷模拟试验装置，包括盒型夹具工装、试验件、热载荷加载装置和压力载荷加载装置；通过在盒型夹具工装内设置石英灯加热元件对试验件进行热载荷加热试验，石英灯加热元件与控制系统相连，石英灯加热元件的功率通过控制系统进行控制，可以有效保证石英灯加热元件的加热精度，并且石英灯加热元件的加热温度上限高，实现非接触解热，温度载荷跟随性更好，加热范围更广，能够更高效地进行热载荷加载试验。通过设置冲压管和抽气管来实现正压载荷和负压载荷的施压，通过控制系统来控制压密封腔体内的压力大小，进行不同的压力载荷试验，压力载荷模拟精度高、波动小、范围广、控制稳定。
附图说明
为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1为本申请整体结构轴测图；
图2为本申请整体结构俯视图；
图3为本申请盒型夹具工装去除过渡连接板和试验件的结构示意图；
图4为本申请盒型夹具工装凸显安装板的剖视结构示意图；
图5为本申请盒型夹具工装凸显电极连接片的剖视结构示意图；
图6为本申请压力载荷试验管路结构示意图。
1、试验件；2、过渡连接板；3、盒型夹具工装；4、测量出线接口；5、冲压管；6、测压管；7、抽气管；8、排气管；9、导流条；10、石英灯加热元件；11、气密接线柱；12、电极连接片；13、安装板；14、绝缘瓷套；15、第一进气比例阀；16、第二进气比例阀；17、抽气比例阀；18、排气比例阀；19、围框；20、上翻边；21、下底板；22、加强筋；23、第一密封槽；24、第二密封槽；25、第一监测压力传感器；26、第二监测压力传感器；27、精密压力表；28、电接点压力表；29、应急手阀；30、控制压力传感器。
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例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
一种空天飞机壁板结构载荷模拟试验装置，如图1-6所示，包括盒型夹具工装3、试验件1、热载荷加载装置和压力载荷加载装置，热载荷加载装置用于热载荷加载试验，压力载荷加载装置用于压力载荷加载试验，热载荷和压力载荷的加载试验可以同时进行，也可以分开进行。
盒型夹具工装3内部为中空结构，盒型夹具工装3上设有过渡连接板2，试验件1安装于过渡连接板2上，试验件1通过过渡连接板2安装于盒型加载工装上，过渡连接板2、试验件1与盒型夹具工装3组合形成密封腔体。
热载荷加载装置包括石英灯加热元件10，石英灯加热元件10设于密封腔体内，过渡连接板2为回字形结构并且过渡连接板2的中部开口处与密封腔体相连通，试验件1安装于过渡连接板2的中部开口处。石英灯加热元件10通过电辐射加热穿过过渡连接板2的中部开口处加热试验件1的壁板平面，石英灯加热元件10在与试验件1不接触的情况下实现了热载荷加载试验，同时石英灯加热元件10的灯管表面能加热到1200℃，远大于热电阻丝的加热温度，能够有效满足热载荷加载试验需求。
压力载荷加载装置包括设于盒型夹具工装3上的控制系统、冲压管5、抽气管7、测压管6和排气管8，冲压管5、抽气管7、测压管6和排气管8均与密封腔体连通，冲压管5连接气源和第一进气比例阀15，抽气管7连接真空泵和抽气比例阀17，测压管6连接控制压力传感器30，排气管8连接第二进气比例阀16和排气比例阀18，控制压力传感器30实时监测密封腔体内的压力并上传至控制系统，控制系统根据控制压力传感器30的数值控制第一进气比例阀15、第二进气比例阀16、抽气比例阀17和排气比例阀18的通断。通过冲压管5、抽气管7和排气管8的相互开关配合，能够实现正压载荷和负压载荷的加载试验，进行正压载荷的加载试验时，第一进气比例阀15和排气比例阀18打开，其它阀体关闭，气源输气进行正压载荷试验；进行负压载荷的加载试验时，抽气比例阀17和第二进气比例阀16打开，其它阀体关闭，真空泵抽气使得密封腔体内达到负压，进行负压载荷试验。
试验件1上设有应变传感器和温度传感器，盒型夹具工装3壁面设有与应变传感器和温度传感器分别相连的2个测量出线接口4，测量出线接口4与控制系统相连，可实现在高温热载荷和压力载荷施加过程中对试验件1壁板表面温度测量和应变测量的传输，从而及时获知试验件1状态和试验结果。
通过在盒型夹具工装3内设置石英灯加热元件10对试验件1进行热载荷加热试验，石英灯加热元件10与控制系统相连，石英灯加热元件10的功率通过控制系统进行控制，可以有效保证石英灯加热元件10的加热精度，并且石英灯加热元件10的加热温度上限高，实现非接触解热，温度载荷跟随性更好，加热范围更广，能够更高效地进行热载荷加载试验。通过设置冲压管5和抽气管7来实现正压载荷和负压载荷的施压，通过控制系统来控制压密封腔体内的压力大小，进行不同的压力载荷试验，如50kPa、80kPa、100kPa，压力载荷模拟精度高、波动小、范围广、控制稳定。
在此设定盒型夹具工装3靠近过渡连接板2的一端为盒型夹具工装3的上端。
优选地，盒型夹具工装3为钢制结构，保证盒型夹具工装3的强度，盒型夹具工装3包括围框19、上翻边20、下底板21和加强筋22；围框19为中空矩形结构，上翻边20设于围框19的上端并且上翻边20与过渡连接板2相贴，下底板21设于围框19的下端，加强筋22共有多组并设于围框19的四个外侧壁上；围框19壁厚为20mm，上翻边20及下底板21厚度为25mm。通过围框19、上翻边20、下底板21和加强筋22相互配合，实现了一端开口、其它部分封闭的结构形式，加强筋22的设置保证了盒型夹具工装3的强度。
优选地，上翻边20上开设有第一密封槽23，过渡连接板2上开设有第二密封槽24，第一密封槽23和第二密封槽24内均设有石墨密封圈，共2组。2组石墨密封圈的设置有效保证了盒型夹具工装3上端开口处的密封性能，并且石墨密封圈耐温可达1000℃，能有效满足试验需求，相较于常用涂胶密封形式，此种密封形式加工简单、安装便捷且密封可靠性更高。
优选地，石英灯加热元件10共有多组并且多组石英灯加热元件10并排均匀设于密封腔体内。该设置保证了石英灯加热元件10产生热辐射的均匀性，保证热载荷加载试验的精度。
优选地，热载荷加热装置还包括导流条9和气密接线柱11，导流条9设于石英灯加热元件10的两端，气密接线柱11设于盒型夹具工装3内，导流条9与气密接线柱11之间连接有电极连接片12，气密接线柱11从盒型夹具工装3内伸出并连接电源设备。导流条9的和气密接线柱11的设计保证多组石英灯加热元件10能够通过电源设备有效地供电，结构简单稳定。
优选地，盒型夹具工装3内部设有安装板13，导流条9安装于安装板13上，导流条9的外壁设有绝缘瓷套14。绝缘瓷套14提高了导流条9的绝缘性能，保证了电流传输的稳定性。
优选地，冲压管5上连接有第一监测压力传感器25，抽气管7上连接有第二监测压力传感器26，第一监测压力传感器25和第二监测压力传感器26与控制系统相连。第一监测压力传感器25和第二监测压力传感器26监测的数值不参与压力控制，但控制系统对该两个传感器信号进行采集并监控，当该两个传感器的数值超过控制系统设定的保护限时，控制系统应急卸载，对控制系统进行有效保护。
优选地，测压管6上还连接有精密压力表27和电接点压力表28，精密压力表27的数值与控制压力传感器30的感应数值相同，作为现场人员监视压力数值的仪表，安装于测压管6管路处；电接点压力表28上设置上、下限指针，若冲压管5、抽气管7或排气管8中压力高于设定的最高值或低于最低值，电接点压力表28的电接点连通，向控制系统发送应急信号，控制系统接收该信号后应急卸载，对控制系统进行有效保护。
优选地，排气管8连接应急手阀29，应急手阀29、第二进气比例阀16和第二排气比例阀18并联设置，若压力载荷出现明显偏高或明显偏低时，且其一比例阀出现异常时，应急手阀29打开并手动排气或进气，从而避免试验压力载荷超调严重情况。
作为一种具体实施方式，一种空天飞机壁板结构载荷模拟试验方法，包括，
步骤S100，向密封腔体充气进行正压载荷加载，冲压管5与气源连接，冲压时关闭抽气管7的抽气比例阀17和排气管8的应急手阀29和进气比例阀，打开冲压管5处的第一进气比例阀15和排气管8处的排气比例阀18，以测压管6处控制压力传感器30的读数作为控制系统的反馈信号，控制系统根据压力设定值与反馈信号的误差来调节第一进气比例阀15和排气比例阀18的开度，从而达到控制充气压力的目的；
步骤S200，向密封腔体抽气进行负压载荷加载，抽气管7与真空泵连接，抽压时关闭冲压管5处的第一进气比例阀15和排气管8处的第二进气比例阀16，打开抽气管7处的抽气比例阀17和排气管8处的第二进气比例阀16，以测压管6处控制压力传感器30的读数作为控制系统的反馈信号，控制系统根据压力设定值与反馈信号的误差来调节抽气比例阀17和第二进气比例阀16的开度，从而达到控制抽气压力的目的。
通过上述方法，能够高效稳定地实现正压与负载载荷的试验模拟。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 (10)

1.一种空天飞机壁板结构载荷模拟试验装置，其特征在于：包括盒型夹具工装(3)、试验件(1)、热载荷加载装置和压力载荷加载装置；
所述盒型夹具工装(3)内部为中空结构，所述盒型夹具工装(3)上设有过渡连接板(2)，所述试验件(1)安装于过渡连接板(2)上，所述过渡连接板(2)、试验件(1)与盒型夹具工装(3)组合形成密封腔体；
所述热载荷加载装置包括石英灯加热元件(10)，所述石英灯加热元件(10)设于密封腔体内，所述过渡连接板(2)为回字形结构并且过渡连接板(2)的中部开口处与密封腔体相连通，所述试验件(1)安装于过渡连接板(2)的中部开口处；
所述压力载荷加载装置包括设于盒型夹具工装(3)上的控制系统、冲压管(5)、抽气管(7)、测压管(6)和排气管(8)，所述冲压管(5)、抽气管(7)、测压管(6)和排气管(8)均与密封腔体连通，所述冲压管(5)连接气源和第一进气比例阀(15)，所述抽气管(7)连接真空泵和抽气比例阀(17)，所述测压管(6)连接控制压力传感器(30)，所述排气管(8)连接第二进气比例阀(16)和排气比例阀(18)，所述控制压力传感器(30)实时监测密封腔体内的压力并上传至控制系统，控制系统根据控制压力传感器(30)的数值控制第一进气比例阀(15)、第二进气比例阀(16)、抽气比例阀(17)和排气比例阀(18)的通断；
所述试验件(1)上设有应变传感器和温度传感器，所述盒型夹具工装(3)壁面设有与应变传感器和温度传感器相连的测量出线接口(4)，所述测量出线接口(4)与控制系统相连。
2.如权利要求1所述的空天飞机壁板结构载荷模拟试验装置，其特征在于：所述盒型夹具工装(3)为钢制结构，所述盒型夹具工装(3)包括围框(19)、上翻边(20)、下底板(21)和加强筋(22)；所述围框(19)为中空矩形结构，所述上翻边(20)设于围框(19)的上端并且上翻边(20)与过渡连接板(2)相贴，所述下底板(21)设于围框(19)的下端，所述加强筋(22)设于围框(19)的外侧壁上；
所述围框(19)壁厚为20mm，上翻边(20)及下底板(21)厚度为25mm。
3.如权利要求2所述的空天飞机壁板结构载荷模拟试验装置，其特征在于：所述上翻边(20)上开设有第一密封槽(23)，所述过渡连接板(2)上开设有第二密封槽(24)，所述第一密封槽(23)和第二密封槽(24)内均设有石墨密封圈。
4.如权利要求1所述的空天飞机壁板结构载荷模拟试验装置，其特征在于：所述石英灯加热元件(10)共有多组并且多组石英灯加热元件(10)并排均匀设于密封腔体内。
5.如权利要求1所述的空天飞机壁板结构载荷模拟试验装置，其特征在于：所述热载荷加热装置还包括导流条(9)和气密接线柱(11)，所述导流条(9)设于石英灯加热元件(10)的两端，所述气密接线柱(11)设于盒型夹具工装(3)内，所述导流条(9)与气密接线柱(11)之间连接有电极连接片(12)，所述气密接线柱(11)从盒型夹具工装(3)内伸出并连接电源设备。
6.如权利要求5所述的空天飞机壁板结构载荷模拟试验装置，其特征在于：所述盒型夹具工装(3)内部设有安装板(13)，所述导流条(9)安装于安装板(13)上，所述导流条(9)的外壁设有绝缘瓷套(14)。
7.如权利要求1所述的空天飞机壁板结构载荷模拟试验装置，其特征在于：所述冲压管(5)上连接有第一监测压力传感器(25)，所述抽气管(7)上连接有第二监测压力传感器(26)，所述第一监测压力传感器(25)和第二监测压力传感器(26)与控制系统相连。
8.如权利要求1所述的空天飞机壁板结构载荷模拟试验装置，其特征在于：所述测压管(6)上还连接有精密压力表(27)和电接点压力表(28)，所述精密压力表(27)的数值与控制压力传感器(30)的感应数值相同，所述电接点压力表(28)上设置上、下限指针，若冲压管(5)、抽气管(7)或排气管(8)中压力高于设定的最高值或低于最低值，电接点压力表(28)的电接点连通，向控制系统发送应急信号，控制系统接收该信号后应急卸载。
9.如权利要求1所述的空天飞机壁板结构载荷模拟试验装置，其特征在于：所述排气管(8)连接应急手阀(29)，若压力载荷出现明显偏高或明显偏低时，应急手阀(29)打开并手动排气或进气。
10.一种空天飞机壁板结构载荷模拟试验方法，其特征在于：包括，
向密封腔体充气进行正压载荷加载，冲压管(5)与气源连接，冲压时关闭抽气管(7)的抽气比例阀(17)和排气管(8)的应急手阀(29)和进气比例阀，打开冲压管(5)处的第一进气比例阀(15)和排气管(8)处的排气比例阀(18)，以测压管(6)处控制压力传感器(30)的读数作为控制系统的反馈信号，控制系统根据压力设定值与反馈信号的误差来调节第一进气比例阀(15)和排气比例阀(18)的开度；
向密封腔体抽气进行负压载荷加载，抽气管(7)与真空泵连接，抽压时关闭冲压管(5)处的第一进气比例阀(15)和排气管(8)处的第二进气比例阀(16)，打开抽气管(7)处的抽气比例阀(17)和排气管(8)处的第二进气比例阀(16)，以测压管(6)处控制压力传感器(30)的读数作为控制系统的反馈信号，控制系统根据压力设定值与反馈信号的误差来调节抽气比例阀(17)和第二进气比例阀(16)的开度。
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