CN1948946A - 材料性能试验模拟装置及其模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种材料性能试验模拟装置，用于再入大气环境下材料的应力氧化烧蚀、高温连接、高温高载低速摩擦磨损性能的实验模拟。包括材料力学试验机(2)，还包括小型常压亚音速燃气流风洞(1)、伺服传动装置(7)和气体控制系统(8)，材料力学试验机(2)与小型常压亚音速燃气流风洞(1)垂直放置，试验件(5)置于小型常压亚音速燃气流风洞(1)的试验段，其轴销与伺服传动装置(7)固连，伺服传动装置(7)带动下转动。本发明还公开了利用上述材料性能试验模拟装置进行材料性能试验模拟的方法，采用小型常压亚音速燃气流风洞、材料力学试验机和伺服传动装置实现了再入大气热物理化学环境、气动载荷和转动载荷的实验模拟。

Description

材料性能试验模拟装置及其模拟方法

技术领域

本发明涉及一种材料性能试验模拟装置，还涉及利用这种材料性能试验模拟装置进行材料性能试验模拟的方法。

背景技术

空天飞行器的头锥、襟翼、方向舵等防热结构一体化构件都是大型薄壁复杂构件，是由许多小型构件连接组合而成，其中襟翼、方向舵等控制构件还具有活动性。因此，对空天飞行器再入大气条件下防热结构一体化材料的环境性能研究，涉及应力氧化烧蚀、高温连接和高温高载低速摩擦磨损等问题。

文献“http://www.st.dlr.de/BK/insthome_e.html”公开了德国宇航局的一种材料再入大气环境性能试验模拟装置Indutherm，该模拟装置由试验箱体、真空泵、供气系统、材料力学试验机和感应加热设备组成，通过真空泵和供气系统可以模拟与再入大气环境相近的气压环境，感应加热设备模拟再入大气的高温环境，材料力学试验机模拟材料所受的气动载荷环境。但是该模拟装置也存在以下缺点：①不能模拟再入大气过程的高速热气流环境，无法对材料再入大气的烧蚀问题进行研究；②设备加热效率低，升温所需时间长达几个小时，消耗能源大；③最高加热温度为1650℃；④不能在试验箱体内模拟再入大气过程的氧化性空气环境；⑤材料试件在实验模拟过程中是固定不动的，因此不能对材料的摩擦磨损性能进行研究。

发明内容

为了克服现有技术不能对再入环境下材料的应力氧化烧蚀、高温连接和高温高载低速摩擦磨损等环境性能进行实验模拟的不足，本发明提供一种材料性能试验模拟装置，可以模拟高速热气流的烧蚀环境，解决模拟环境下材料试件的摩擦磨损问题。

本发明还提供利用这种材料性能试验模拟装置进行材料性能试验模拟的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种材料性能试验模拟装置，包括材料力学试验机2，其特征在于：还包括小型常压亚音速燃气流风洞1、伺服传动装置7和气体控制系统8，材料力学试验机2与小型常压亚音速燃气流风洞1垂直放置，中心线相交，试验件5置于小型常压亚音速燃气流风洞1的试验段，其轴套通过键槽与下夹具6固连，轴销通过卡槽与伺服传动装置7固连，上夹具4和下夹具6分别通过不锈钢夹具3与材料力学试验机2的夹头固连，气体控制系统8管路连接于小型常压亚音速燃气流风洞1的燃气发生器，其控制电路与计算机连接。

所述的上夹具4和下夹具6是由C/SiC复合材料板制作。

所述的试验件5为轴销、轴套结构，轴销的一端有与伺服传动装置7固连的卡槽，轴套紧套在轴销上，其左右两端留有与下夹具固连的键槽。

一种利用上述材料性能试验模拟装置进行材料性能试验模拟的方法，其特征在于，包括下述步骤：

将试验件5的轴套与下夹具6固连，下夹具6的下端与不锈钢夹具3固连，上夹具4下端放置在试验件5的轴套上，其上端与另一不锈钢夹具3固连，不锈钢夹具3与材料力学试验机2的夹头固连，使试验件5位于小型常压亚音速燃气流风洞1的试验段，试验件5的轴销的一端与伺服传动装置7固连，启动操作程序，设定氧气含量和目标温度600℃～1800℃，气体控制系统根据设定值自动调节氧气、甲烷和氮气的流量，并把气体通入通入小型常压亚音速燃气流风洞(1)的燃气发生器进行发生器混合，按程序要求的步骤进行操作，点燃风洞，在1～2分钟内实验段产生600℃～1800℃的高温富氧燃气，启动伺服传动装置7，设定转速0～128转/分，带动试验件5的轴销转动，当转速达到设定转速转动平稳时，启动材料力学试验机2施加垂直载荷。

本发明的有益效果是，由于采用了小型常压亚音速燃气流风洞，创造了亚音速热气流环境；采用高燃烧值的甲烷做为燃料，加热效率高，与现有技术相比，升温时间由几个小时减少至2分钟，最高加热温度由1650℃提高到1800℃；采用气体控制系统控制混合气体中的各气体的流量，实现了与再入大气过程相近的氧化性空气环境；采用了伺服传动装置，实现了再入大气模拟环境下材料试件转动，可研究材料再入大气环境的摩擦磨损问题。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明材料性能试验模拟装置的示意图

图2是图1的A-A向剖视图

图3是图2中试验件的放大图

图4是图1中上夹具的结构示意图

图5是图1中下夹具的结构示意图

图中，1-小型常压亚音速燃气流风洞  2-材料力学试验机  3-不锈钢夹具  4-上夹具  5-试验件  6-下夹具  7-伺服传动装置  8-气体控制系统

具体实施方式

参照图1～5，采用小型常压亚音速燃气流风洞产生与再入大气环境相近的高速燃气流环境，通过对风洞燃烧剂的和氧化剂的选择，可提高加热效率和最高加热温度；利用气体控制系统调节燃气成分实现与再入大气过程相近的空气环境；设计伺服传动装置和专用的摩擦磨损试验件解决模拟环境下材料试件的摩擦磨损问题。

本发明采用的小型常压亚音速燃气流风洞选用了甲烷和氧氮混合气为燃料。甲烷具有高燃烧值，加热效率高，仅需2分钟就可实现1800℃的高温；选用氧气和氮气混合气体为氧化剂，通过气体控制系统调节氧气和氮气的比例，可以使风洞产生的燃气成分与空气成分接近。本发明的燃气流风洞是针对材料环境性能实验而研制的，燃气发生器尺寸略大于试验件尺寸即可，仅有Φ50mm，燃料消耗低，节省了能源。通过循环冷却水系统对燃气发生器和实验段可进行有效地冷却，可使燃气流风洞在高温下长时间持续稳定运行。

空天飞行器再入大气时，通过襟翼、方向舵等控制构件的缓慢转动来控制飞行姿态，此类构件材料的摩擦磨损情况较为复杂，它不仅要承受再入大气环境的高温度、气动载荷、高速热气流冲刷，还受到转动产生的摩擦载荷作用，是一种高温高载低速条件下的摩擦磨损，不同于普通刹车材料的高速摩擦磨损。因此，本发明在小型常压亚音速燃气流风洞和材料力学试验机组合的基础上，设计了伺服传动装置来带动试验件转动，从而实现对再大气模拟环境下材料摩擦磨损性能的研究。

本发明的装置包括材料力学试验机2，小型常压亚音速燃气流风洞1、伺服传动装置7和气体控制系统8，材料力学试验机2与小型常压亚音速燃气流风洞1垂直放置，中心线相交，试验件5置于小型常压亚音速燃气流风洞1的试验段，其轴套通过键槽与下夹具6固连，轴销通过卡槽与伺服传动装置7固连，上、下夹具分别通过不锈钢夹具3与材料力学试验机2固连，气体控制系统8管路连接于燃气发生器，其电路于计算机连接。

伺服传动装置7由伺服电机、传动系统、磁粉离合器和支座组成，伺服电机提供转动的动力，传动装置起到降低转速和传递转矩的作用，磁粉离合器控制转矩的传递，传动装置通过支座与试验件相连，带动其转动。

高温高载低速摩擦磨损性能试验件采用了轴销轴套型设计，轴销的一端有与伺服传动装置7固连的卡槽，轴套紧套在轴销上，其左右两端留有与下夹具固连的键槽。进行材料摩擦磨损性能实验只需更换轴销和轴套即可，简化了试验件的制造工艺，节约了材料。

轴套是外径为30mm，厚度为5mm的圆环，轴套的左右两端留有宽4mm×深2mm的键槽，该键槽的目的是为了把轴套固定在下夹具中。

轴销是外径20mm厚度为4mm的圆环，为了实现伺服传动装置带动轴销转动，在轴销的一端开了宽5mm，深10.5mm的卡槽，通过卡槽与传动伺服装置固连。

再入环境性能模拟实验过程中，高温高载低速摩擦磨损性能试验件处在燃气中心，承爱着极高的温度和严重的氧化烧蚀环境，要在这种环境下对试验件进行定位和加载，必须使用耐高温性能和抗氧化性能优异的C/SiC复合材料夹具。本发明设计的C/SiC复合材料夹具分为上下两部分。

上夹具是尺寸为140mm×58mm×12mm的C/SiC复合材料板。上部加工了16的孔，用于和不锈钢夹具的连接；下部加工了30的孔，用于和轴套配合。

下夹具由三块C/SiC复合材料板连接组成。其中左右两块尺寸为117mm×58mm×12mm，中间一块尺寸为140mm×58mm×12mm。左右两块C/SiC复合材料板均要加工与轴套配合的30孔和宽4mm×深2mm的定位键槽：中间的C/SiC复合材料板加工了16的孔，用于和不锈钢夹具的连接；三块板均留有9个Φ6mm的孔，通过9个Φ6mm的C/SiC铆钉来把三块板连接成整体。

材料力学试验机的机械载荷通过不锈钢夹具和C/SiC复合材料夹具传递到轴套上，由伺服传动装置带轴销转动，使轴销与轴套间产生转动载荷一动摩擦力。

操作步骤：

1.把试验件安装在常压亚音速燃气流风洞试验段。通过C/SiC复合材料夹具与材料力学试验机上下夹头相连来固定试验件的上下位置，伺服传动装置通过支座与试验件相连。

2.运行实验模拟装置的操作程序，输入实验要求的氧气含量和目标温度。

3.按程序步骤进行燃气流风洞点火，在风洞试验段产生所需的实验环境。

4.当实验段环境稳定时，启动伺服传动系统，带动试验件转动。

5.当转动平稳时，由材料力学试验机加载，直至试验件的轴销停止转动，实验结束。

6.记录整个实验过程中的载荷和转矩等数据，进行结果分析。

应力氧化烧蚀性能实验：将试验件穿过实验段与材料力学试验机的夹头相连，运行实验模拟装置的操作程序，输入实验要求的燃气成分中的氧气质量百分含量10％～30％和目标温度600～1800℃，气体控制系统则根据热学计算自动调节实现目标温度和氧含量所需的氧气、甲烷和氮气流量，使气体进入燃气发生器中进行混合，按操作程序要求的步骤点燃混合气体，1～2分钟，当燃烧稳定时即达到所要求的目标温度和氧化气氛环境。此时处于实验段的试验件承受着燃气的氧化烧蚀作用，然后再启动材料力学试验机施加载荷，并记录实验数据。

室温高载低速摩擦磨损性能实验：在室温条件下把试验件5与夹具安装在实验段，不锈钢夹具3与材料力学试验机2的夹头相连，轴销与伺服传动装置7相连。启动伺服传动装置，在操作程序中输入实验要求的转速：0～128转/分，带动试验件转动，当转动平稳时，启动材料力学试验机施加垂直载荷，单次运行时间为1800s，记录整个实验过程中试验件所受载荷和转矩。

Claims (4)

1、一种材料性能试验模拟装置，包括材料力学试验机(2)，其特征在于：还包括小型常压亚音速燃气流风洞(1)、伺服传动装置(7)和气体控制系统(8)，材料力学试验机(2)与小型常压亚音速燃气流风洞(1)垂直放置，中心线相交，试验件(5)置于小型常压亚音速燃气流风洞(1)的试验段，其轴套通过键槽与下夹具(6)固连，轴销通过卡槽与伺服传动装置(7)固连，上夹具(4)和下夹具(6)分别通过不锈钢夹具(3)与材料力学试验机(2)的夹头固连，气体控制系统(8)管路连接于小型常压亚音速燃气流风洞(1)的燃气发生器，其控制电路与计算机连接。

2、根据权利要求1所述的材料性能试验模拟装置，其特征在于：所述的上夹具(4)和下夹具(6)是由C/SiC复合材料板制作。

3、根据权利要求1所述的材料性能试验模拟装置，其特征在于：所述的试验件(5)为轴销、轴套结构，轴销的一端有与伺服传动装置(7)固连的卡槽，轴套紧套在轴销上，其左右两端留有与下夹具(6)固连的键槽。

4、一种利用权利要求1所述材料性能试验模拟装置进行材料性能试验模拟的方法，其特征在于，包括下述步骤：

将试验件(5)的轴套与下夹具(6)固连，下夹具(6)的下端与不锈钢夹具(3)固连，上夹具(4)下端放置在试验件(5)的轴套上，其上端与另一不锈钢夹具(3)固连，不锈钢夹具(3)与材料力学试验机(2)的夹头固连，使试验件(5)位于小型常压亚音速燃气流风洞(1)的试验段，试验件(5)的轴销的一端与伺服传动装置(7)固连，启动操作程序，设定氧气含量和目标温度600℃～1800℃，气体控制系统根据设定值自动调节氧气、甲烷和氮气的流量，并把气体通入小型常压亚音速燃气流风洞(1)的燃气发生器进行混合，按程序要求的步骤进行操作，点燃风洞，在1～2分钟内实验段产生600℃～1800℃的高温富氧燃气，启动伺服传动装置(7)，设定转速0～128转/分，带动试验件(5)的轴销转动，当转速达到设定转速转动平稳时，启动材料力学试验机(2)施加垂直载荷。

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