CN115615843A - 一种基于数字孪生的高温承压氢混原位蠕变疲劳试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生的高温承压氢混原位蠕变疲劳试验系统，包括主机及环境系统、数字孪生控制平台、真空泵、氩气源、氢气源和数据采集系统；主机及环境系统包括主机和环境系统，主机包括主机支架和载荷施加装置，环境系统内承载有试件，载荷施加装置用于对环境系统内的试件施加机械载荷；环境系统包括加热装置和试件盛放装置，试件放置于试件盛放装置内，由加热装置加热提供高温环境，试件盛放装置连接氩气源、氢气源和真空泵；数字孪生控制平台用于控制整个高温承压氢气环境的安全运维，数据采集系统用于采集实验数据；本发明中的基于数字孪生的高温承压氢混原位蠕变疲劳试验系统，能够实现高温氢混环境下材料原位蠕变疲劳性能测试。

Description

一种基于数字孪生的高温承压氢混原位蠕变疲劳试验系统

技术领域

本发明涉及试件力学性能试验技术领域，特别是涉及一种基于数字孪生的高温承压氢混原位蠕变疲劳试验系统。

背景技术

氢能作为清洁环保能源，已成为低碳高效发展的重要方向，对航空动力领域的发展有着巨大的促进作用。众多航空科研院所也已开始研究氢能飞机和氢混燃气轮机。目前，主要有两条技术路线：一是氢气在改进的燃烧室中点燃，直接产生动力；二是发展氢燃料电池，连接电动机为飞行器提供动力。研究表明，直接使用氢燃料，可以将飞机排放气体对气候的影响降低50％-75％，现已成为氢能航发研究的重点。

然而，当金属长期在氢环境工况中服役，将不可避免的出现氢脆现象，导致金属的力学性能下降，服役寿命降低等问题。这给氢能在航天动力领域的利用造成了巨大的安全隐患，严重制约了氢能的应用与普及。为确保氢能设备的安全，可靠运行，有必要对金属材料在氢环境下的进行力学性能的测试与评估。目前已有多种氢环境下材料力学性能测试系统，涉及材料的断裂韧性，屈服强度，蠕变疲劳性能等。然而，现有技术中在测试试件力学性能时无法进行原位蠕变疲劳性能测试。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于数字孪生的高温承压氢混原位蠕变疲劳试验系统，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现高温氢混环境下材料原位蠕变疲劳性能测试。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种基于数字孪生的高温承压氢混原位蠕变疲劳试验系统，包括主机及环境系统、数字孪生控制平台、真空泵、氩气源、氢气源和数据采集系统；

其中，所述主机及环境系统包括主机和环境系统，所述主机包括主机支架和载荷施加装置，所述环境系统内承载有试件，所述环境系统安装于所述主机支架内，所述载荷施加装置用于对所述环境系统内的所述试件施加机械载荷；所述环境系统包括加热装置和试件盛放装置，所述试件放置于所述试件盛放装置内，由所述加热装置加热提供高温环境，所述试件盛放装置连接所述氩气源、所述氢气源和所述真空泵，所述真空泵用于对所述试件盛放装置内部抽真空，所述氩气源和所述氢气源用于向所述试件盛放装置内通入实验所需气体；

所述数字孪生控制平台用于控制整个高温承压氢气环境的安全运维，所述数据采集系统用于采集实验数据。

优选地，所述主机支架包括底板、连板、立柱和上横板，所述连板设置于所述底板的顶部，所述底板的顶部两侧分别设置有一个所述立柱，两个所述立柱的顶部安装有所述上横板，所述上横板的顶部安装所述载荷施加装置。

优选地，所述载荷施加装置为一作动缸。

优选地，所述试件盛放装置包括安全室和玻璃罩，所述安全室底部通过底座连接所述连板，所述安全室的前端设置有门和与所述门连接的门框，所述门上设置有观察窗一，所述试件密封放置于所述玻璃罩内，所述玻璃罩设置于所述安全室内。

优选地，所述加热装置为套设于所述玻璃罩外部的加热炉，所述加热炉上设置有与所述观察窗一相对的观察窗二。

优选地，所述玻璃罩底部设置有下法兰座，所述下法兰座通过螺钉一穿过所述连板内围的连接孔连接所述底板，所述玻璃罩的顶部设置有上法兰座，所述上法兰座顶部通过螺钉二连接一波纹管底部的法兰，所述波纹管顶部连接拉杆，所述拉杆顶部通过万向轴连接所述作动缸底部的连接轴；

所述玻璃罩内部设置有上夹头和下夹头，所述试件的两端通过连接销连接于所述上夹头与所述下夹头之间，所述下夹头的底部通过传感器连接所述下法兰座，所述传感器用于采集施加到所述试件上的机械载荷，并将采集到的机械载荷传输到所述数据采集系统中；所述上夹头的顶部通过连杆穿过所述波纹管后连接所述拉杆。

优选地，所述上法兰座和所述下法兰座与所述玻璃罩的连接处分别设置有上密封垫和下密封垫。

优选地，所述玻璃罩的内腔通过管道分别连接所述真空泵、所述氢气源和所述氩气源，所述氢气源与所述氩气源与所述玻璃罩之间的管路上设置有流量控制阀和流量传感器。

优选地，所述流量传感器、所述数据采集系统和空气环境传感器均与所述数字孪生控制平台相连，通过所述数字孪生控制平台实时检测试验环境，映射试验状态，进而调整试验参数；所述空气环境传感器检测到氢气泄漏时，所述数字孪生控制平台控制所述流量控制阀自动关闭氩气、氢气管道，停止试验，保证试验的安全可靠。

优选地，还包括原位观测仪，所述原位观测仪通过所述观察窗一和所述观察窗二监测所述玻璃罩内部的试件，用于在线实时监测试件表面状态。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

本发明提供的基于数字孪生的高温承压氢混原位蠕变疲劳试验系统，通过设置带有载荷施加装置的主机，并将装有试件的试件盛放装置安装在主机支架上，试件盛放装置通过加热装置加热，并外接真空泵、氩气源和氢气源，使试件在试验环境下同时能够施加载荷，通过数字孪生控制平台控制整个高温承压氢气环境的安全运维，数据采集系统用于采集实验数据，实现高温氢混环境下材料原位蠕变疲劳性能测试。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中基于数字孪生的高温承压氢混原位蠕变疲劳试验系统的结构示意图；

图2为本发明中主机支架和环境系统的装配图；

图3为本发明中主机支架的结构示意图；

图4为本发明中安全室及安全室内的加热炉、玻璃罩的结构示意图；

图5为本发明中带有加热炉的玻璃罩的结构示意图；

图6为图5的剖面图；

图中：1-主机及环境系统、101-主机支架、102-底板、103-连板、104-立柱、105-上横板、106-作动缸；201-环境系统、202-安全室、203-玻璃罩、204-底座、205-门、206-门框、207-观察窗一、208-加热炉、209-观察窗二、210-下法兰座、211-螺钉一、212-上法兰座、213-螺钉二、214-法兰、215-波纹管、216-拉杆、217-万向轴、218-连接销、219-连接轴、220-上夹头、221-下夹头、222-传感器、223-连杆、224-上密封垫、225-下密封垫、226-销轴；

2-数字孪生控制平台、3-真空泵、4-氩气源、5-氢气源、6-数据采集系统、7-试件、8-原位观测仪。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于数字孪生的高温承压氢混原位蠕变疲劳试验系统，以解决现有技术存在的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本实施例中的基于数字孪生的高温承压氢混原位蠕变疲劳试验系统，如图1-图6所示，包括主机及环境系统1、数字孪生控制平台2、真空泵3、氩气源4、氢气源5和数据采集系统6；

其中，主机及环境系统1包括主机和环境系统201，主机包括主机支架101和载荷施加装置，环境系统201内承载有试件7，环境系统201安装于主机支架101内，载荷施加装置用于对环境系统201内的试件7施加机械载荷；环境系统201包括加热装置和试件盛放装置，试件7放置于试件盛放装置内，由加热装置加热提供高温环境，试件盛放装置连接氩气源4、氢气源5和真空泵3，真空泵3用于对试件盛放装置内部抽真空，氩气源4和氢气源5用于向试件盛放装置内通入实验所需气体；

数字孪生控制平台2用于控制整个高温承压氢气环境的安全运维，数据采集系统6用于采集实验数据。

于本具体实施例中，主机支架101用于支撑载荷施加装置和环境系统201，主机支架101包括底板102、连板103、立柱104和上横板105，连板103设置于底板102的顶部，底板102的顶部两侧分别设置有一个立柱104，两个立柱104的顶部安装有上横板105，上横板105的顶部安装载荷施加装置，载荷施加装置为一作动缸106。

于本具体实施例中，试件盛放装置包括安全室202和玻璃罩203，安全室202底部的底座204通过螺钉穿过连板103外围的连接孔连接底板102，安全室202的前端设置有门205和与门205连接的门框206，门205和门框206之间设置有密封垫以保证密封性，门205上设置有观察窗一207，试件7密封放置于玻璃罩203内，玻璃罩203设置于安全室202内。

于本具体实施例中，加热装置为套设于玻璃罩203外部的加热炉208，加热炉208上设置有与观察窗一207相对的观察窗二209。

于本具体实施例中，玻璃罩203底部设置有下法兰座210，下法兰座210通过螺钉一211穿过连板103内围的连接孔连接底板102，玻璃罩203的顶部设置有上法兰座212，上法兰座212顶部通过螺钉二213连接一波纹管215底部的法兰214，波纹管215顶部连接拉杆216，拉杆216顶部通过万向轴217连接作动缸106底部的连接轴219，万向轴217则通过销轴226与连接轴219铰接；

玻璃罩203内部设置有上夹头220和下夹头221，试件7的两端通过连接销218连接于上夹头220与下夹头221之间，下夹头221的底部通过传感器222连接下法兰座210，传感器222用于采集施加到试件7上的机械载荷，并将采集到的机械载荷传输到数据采集系统6中；上夹头220的顶部通过连杆223穿过波纹管215后连接拉杆216。

上法兰座212和下法兰座210与玻璃罩203的连接处分别设置有上密封垫224和下密封垫225。

于本具体实施例中，玻璃罩203的内腔通过管道分别连接真空泵3、氢气源5和氩气源4，氢气源5与氩气源4与玻璃罩203之间的管路上设置有流量控制阀和流量传感器，用以调节氢混气体组分构成。

于本具体实施例中，流量传感器、数据采集系统6和空气环境传感器均与数字孪生控制平台2相连，通过数字孪生控制平台2实时检测试验环境，映射试验状态，进而调整试验参数；数据采集系统6主要采集试验的温度、介质压力、试件上的载荷等信息；空气环境传感器可以安装在实验室的棚顶，检测空气环境中的氢气含量，便于检测氢气浓度是不是达到爆炸的浓度，当空气环境传感器检测到氢气泄漏时，数字孪生控制平台2控制流量控制阀自动关闭氩气、氢气管道，停止试验，保证试验的安全可靠。

本实施例中，还包括原位观测仪8，原位观测仪8通过观察窗一207和观察窗二209监测玻璃罩203内部的试件7，用于在线实时监测试件表面状态，，包括试件表面裂纹形成、扩展等形貌状态。

本发明中的基于数字孪生的高温承压氢混原位蠕变疲劳试验系统在工作时，将试件7装入玻璃罩内，两端通过连接销218与上夹头210和下夹头221铰接连接，然后安装好玻璃罩203，关闭安全室202的门205，通过真空泵3对玻璃罩203内抽真空，抽真空达到一定真空度以后，将预先设置好的氢混气体充入玻璃罩203内，将试件7完全置于氢混介质中并维持一定压力，试验介质达到预定压力后对试件7进行超高温加热。当温度与介质压力都满足试验要求后，启动作动缸106对试样施加机械负荷，进行试验。

本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于数字孪生的高温承压氢混原位蠕变疲劳试验系统，其特征在于：包括主机及环境系统、数字孪生控制平台、真空泵、氩气源、氢气源和数据采集系统；

其中，所述主机及环境系统包括主机和环境系统，所述主机包括主机支架和载荷施加装置，所述环境系统内承载有试件，所述环境系统安装于所述主机支架内，所述载荷施加装置用于对所述环境系统内的所述试件施加机械载荷；所述环境系统包括加热装置和试件盛放装置，所述试件放置于所述试件盛放装置内，由所述加热装置加热提供高温环境，所述试件盛放装置连接所述氩气源、所述氢气源和所述真空泵，所述真空泵用于对所述试件盛放装置内部抽真空，所述氩气源和所述氢气源用于向所述试件盛放装置内通入实验所需气体；

所述数字孪生控制平台用于控制整个高温承压氢气环境的安全运维，所述数据采集系统用于采集实验数据。

2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的高温承压氢混原位蠕变疲劳试验系统，其特征在于：所述主机支架包括底板、连板、立柱和上横板，所述连板设置于所述底板的顶部，所述底板的顶部两侧分别设置有一个所述立柱，两个所述立柱的顶部安装有所述上横板，所述上横板的顶部安装所述载荷施加装置。

3.根据权利要求2所述的基于数字孪生的高温承压氢混原位蠕变疲劳试验系统，其特征在于：所述载荷施加装置为一作动缸。

4.根据权利要求3所述的基于数字孪生的高温承压氢混原位蠕变疲劳试验系统，其特征在于：所述试件盛放装置包括安全室和玻璃罩，所述安全室底部通过底座连接所述连板，所述安全室的前端设置有门和与所述门连接的门框，所述门上设置有观察窗一，所述试件密封放置于所述玻璃罩内，所述玻璃罩设置于所述安全室内。

5.根据权利要求4所述的基于数字孪生的高温承压氢混原位蠕变疲劳试验系统，其特征在于：所述加热装置为套设于所述玻璃罩外部的加热炉，所述加热炉上设置有与所述观察窗一相对的观察窗二。

6.根据权利要求4所述的基于数字孪生的高温承压氢混原位蠕变疲劳试验系统，其特征在于：所述玻璃罩底部设置有下法兰座，所述下法兰座通过螺钉一穿过所述连板内围的连接孔连接所述底板，所述玻璃罩的顶部设置有上法兰座，所述上法兰座顶部通过螺钉二连接一波纹管底部的法兰，所述波纹管顶部连接拉杆，所述拉杆顶部通过万向轴连接所述作动缸底部的连接轴；

所述玻璃罩内部设置有上夹头和下夹头，所述试件的两端通过连接销连接于所述上夹头与所述下夹头之间，所述下夹头的底部通过传感器连接所述下法兰座，所述传感器用于采集施加到所述试件上的机械载荷，并将采集到的机械载荷传输到所述数据采集系统中；所述上夹头的顶部通过连杆穿过所述波纹管后连接所述拉杆。

7.根据权利要求6所述的基于数字孪生的高温承压氢混原位蠕变疲劳试验系统，其特征在于：所述上法兰座和所述下法兰座与所述玻璃罩的连接处分别设置有上密封垫和下密封垫。

8.根据权利要求6所述的基于数字孪生的高温承压氢混原位蠕变疲劳试验系统，其特征在于：所述玻璃罩的内腔通过管道分别连接所述真空泵、所述氢气源和所述氩气源，所述氢气源与所述氩气源与所述玻璃罩之间的管路上设置有流量控制阀和流量传感器。

9.根据权利要求8所述的基于数字孪生的高温承压氢混原位蠕变疲劳试验系统，其特征在于：所述流量传感器、所述数据采集系统和空气环境传感器均与所述数字孪生控制平台相连，通过所述数字孪生控制平台实时检测试验环境，映射试验状态，进而调整试验参数；所述空气环境传感器检测到氢气泄漏时，所述数字孪生控制平台控制所述流量控制阀自动关闭氩气、氢气管道，停止试验，保证试验的安全可靠。

10.根据权利要求5所述的基于数字孪生的高温承压氢混原位蠕变疲劳试验系统，其特征在于：还包括原位观测仪，所述原位观测仪通过所述观察窗一和所述观察窗二监测所述玻璃罩内部的试件，用于在线实时监测试件表面状态。

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