CN208833694U - 基于断层扫描的材料多场耦合性能在线表征装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于材料测试技术领域，提出了一种基于断层扫描的材料多场耦合性能在线表征装置及系统，包括多场模拟机构，多场模拟机构上设置有外场加载机构、外力加载机构以及数据采集机构，外力加载机构与传动机构连接，多场模拟机构包括上下两个多场模拟炉盖，两个多场模拟炉盖之间形成密封的多场模拟炉腔，解决了现有技术不能在热‑力‑化学多场耦合环境中对热防护材料的力学性能进行实时在线表征的技术问题。
Description
技术领域
本实用新型属于材料测试技术领域，涉及一种基于断层扫描的材料多场耦合性能在线表征装置及系统。
背景技术
空天飞行器是指能够飞行在临近空间或空间执行特定任务并能长时间驻留的飞行器，因其飞行速度一般均达到5倍音速以上，因而也被称为超高声速飞行器，是未来航天航空技术新的制高点。引其飞行速度达5马赫以上，飞行过程中飞行器表面温度急剧升高，其中头锥及翼前缘等关键部位温度达2000℃以上。因此，热防护系统成了研制和保障空天飞行器在极端环境下安全服役最为关键的技术之一。航天飞机使用的可重复使用热防护系统防热结构主要有薄壳式防热结构和陶瓷防热结构两大类。其中，薄壳材料主要包括C/C，C/Si，SiC/SiC等复合材料，其使用温度高达1650℃。陶瓷热防护结构则分为刚性陶瓷隔热瓦和柔性隔热毡两大类，其中第三代陶瓷防热瓦为氧化硅纤维+氧化铝纤维+硼硅酸纤维型氧化铝增强热屏蔽隔热材料，其重复使用温度1530℃。这些优异的热防护材料一般都具有复杂的制造工艺及微观结构，如何对这类材料服役过程中的应力应变、微观结构演化、断裂损伤信息进行实时在线检测就成了航空航天工业中的技术重点、难点。
超高声速飞行器在飞行过程中还会受到气动载荷及振动等外部载荷作用，这对热防护材料高温环境下的力学性能也提出了一定的要求。同时，服役过程中的化学环境腐蚀及急剧升降温引起的热失配等都会引起材料微观结构的损伤，从而造成力学性能的衰退，甚至引起材料的破坏。因此，如何在热-力-化学多场耦合环境中对热防护材料的力学性能进行实时在线表征就成为一个亟需解决的问题。然而，由于温度的限制，目前能对材料高温力学性能进行测试的设备非常有限，而能够在实现宏观力学性能测试的同时进行微观结构演化观测的在线表征的方法更是少之又少。目前，最有代表性的高温力学性能实时表征方法就是高温数字图像相关法。然而该方法仅能获取试样表面的位移场，进而获取材料应变场，进一步通过本构关系转换为材料表面的应力场，无法获取材料内部的相关信息；而且在极端环境中对材料表面的散斑信息进行观测仍然存在较大难度，导致目前获取的位移应变信息存在较大误差。因此开发一种设备能够在高温环境中实时获取材料表面及内部的应力应变状态、断裂损伤信息等对航空航天工业就显得十分必要。基于以上技术需求背景，本发明提供了一种基于计算机断层扫描的材料多场耦合力学特性在线表征装置，实现了在热-力-化学多场耦合环境中对材料表面及内部应力应变状态、微观结构演化、损伤断裂信息等的实时精确在线检测，对于航空航天工业检测技术领域具有重大意义。
实用新型内容
本实用新型提出了一种基于断层扫描的材料多场耦合性能在线表征装置及系统，解决了现有技术不能在热-力-化学多场耦合环境中对热防护材料的力学性能进行实时在线表征的技术问题。
本实用新型的技术方案是这样实现的：
一种基于断层扫描的材料多场耦合性能在线表征装置，包括：
多场模拟机构，所述多场模拟机构上设置有外场加载机构、外力加载机构以及数据采集机构，所述外力加载机构与传动机构连接，所述多场模拟机构包括上下两个多场模拟炉盖，两个所述多场模拟炉盖之间形成密封的多场模拟炉腔。
作为进一步技术方案，所述外场加载机构包括使射线透入所述多场模拟炉腔内的射线透过窗口，所述射线透过窗口设置在两个所述多场模拟炉盖的连接处，所述多场模拟炉盖上设置有模组挂载窗，所述模组挂载窗内壁上设置有聚焦到所述多场模拟炉腔几何中心处的石英灯。
作为进一步技术方案，所述外场加载机构还包括设置在所述多场模拟炉盖上的气体通道。
作为进一步技术方案，所述外力加载机构包括分别穿过上下两个所述多场模拟炉盖伸入至所述多场模拟炉腔几何中心处的的水冷却上夹具和水冷却下夹具，所述水冷却上夹具可上下移动。
作为进一步技术方案，所述水冷却上夹具的顶部通过丝杠运动套筒与加载运动块连接，所述加载运动块设置在所述滚珠丝杠螺母上，所述滚珠丝杠螺母上下移动设置在传动丝杠上，所述传动丝杠的自由端伸入所述丝杠运动套筒内，所述多场模拟炉盖上位于所述传动丝杠的四周设置有直线导轨，所述加载运动块的端部通过直线轴承在所述直线导轨上上下滑动。
作为进一步技术方案，所述传动机构包括与所述传动丝杠连接减速器，所述减速器与电机连接。
作为进一步技术方案，所述多场模拟炉盖的两侧分别设置有冷却水进水口和冷却水出水口，所述冷却水进水口通过蛇形排布的冷却水管道与所述冷却水出水口连通。
作为进一步技术方案，所述水冷却上夹具的两侧分别设置有夹具冷却水入口和夹具冷却水出口，所述夹具冷却水入口与竖直水流通道连通，所述竖直水流通道与一U型水流通道的底部连通，所述U型水流通道开口朝上且其底部靠近所述水冷却上夹具的自由端，所述U型水流通道的顶端通过一环形水流通道与所述夹具冷却水出口连通。
作为进一步技术方案，所述数据采集机构包括设置在所述直线导轨和所述加载运动块之间的位移传感器，所述丝杠运动套筒上设置有加载力传感器。
一种基于断层扫描的材料多场耦合性能在线表征系统，包括在线表征装置，所述在线表征装置设置在基座上，所述基座上位于所述在线表征装置的两侧分别设置有辐射源和图像重构数据采集屏。
与现有技术相比，本实用新型工作原理和有益效果为：
1、本实用新型中，采用模组挂载窗上的多个卤素灯点聚焦辐射加热的方式，实现了使用多个通用卤素灯小型灯具(灯具安装直径低于21cm，单个灯珠功率约30W～50W)，即可对目标聚焦点进行高速快速加热的特点。其理论上，在0.25cm2的加热焦点面上，热流密度最高达1.8×106J/m2·s，的加热温度上限为2100℃，有效模拟了材料在服役的高温服役环境；聚焦加热点被密封的空腔包围，构成实验腔，实验腔内可以通入化学气体，用于模拟化学气氛环境，当实验腔内的压力超过额定值时，其上设置的出气口的保压阀打开，释放部分气体，保证化学气氛的加载安全。有效模拟了材料在服役环境中的化学氛围。
2、本实用新型中，该装置通过整合与设计使得装置具有在热化耦合场下对材料做单轴拉伸与压缩实验的能力，有效地模拟试验材料的加载状态；装置的试验段中射线透过窗口采用了对X射线具有高透过率的材料，构成了X射线透过窗口，使得设备能够在材料的试验过程中，能够通过工业基于计算机断层扫描的对材料进行在线表征，还原材料在试验过程中的损伤过程。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
图1为本实用新型中在线表征装置结构示意图；
图2为本实用新型中外力加载机构结构示意图；
图3为本实用新型中多场模拟机构结构示意图；
图4为本实用新型中水冷却上夹具中冷却系统结构示意图；
图5为本实用新型中多数据采集机构框线结构示意图；
图6为本实用新型中冷却流量控制框线结构示意图；
图7为本实用新型中在线表征系统结构示意图；
图中：1-传动机构，11-减速器，12-电机，2-外力加载机构，21-水冷却上夹具，22-水冷却下夹具，23-丝杠运动套筒，24-加载运动块，25-滚珠丝杠螺母，26-传动丝杠，27-直线导轨，28-直线轴承，29金属隔热块，3-多场模拟机构，31-多场模拟炉盖，32-多场模拟炉腔，33-冷却水进水口，34-冷却水出水口，35-冷却水管道，36-夹具冷却水入口，37-夹具冷却水出口，38-竖直水流通道，39-U型水流通道，30-环形水流通道，4-数据采集机构，41-位移传感器，42-加载力传感器，43-红外测温仪，44-热电偶线，5-外场加载机构，51-射线透过窗口，52-模组挂载窗，53-石英灯，54-气体通道，61-电子流量阀，62-电子流量计，63-水泵，64-气体压力阀，65-控制器，7-基座，8-辐射源，9-图像重构数据采集屏。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如图1～图7所示，本实用新型提出一种基于断层扫描的材料多场耦合性能在线表征装置及系统，包括：
多场模拟机构3，多场模拟机构3上设置有外场加载机构5、外力加载机构2以及数据采集机构4，外力加载机构2与传动机构1连接，多场模拟机构3包括上下两个多场模拟炉盖31，两个多场模拟炉盖31之间形成密封的多场模拟炉腔32。
本实施例中，外场加载机构5是辐射场以及热源的加入，外力加载机构为样品提供在线的拉伸或者压缩作用力，通过在多场模拟机构3中密封的多场模拟炉腔32中对样品施加外场加载机构5和外力加载机构2的作用力，使设备能够在高温环境中实时获取材料表面及内部应力应变状态、断裂损伤信息，实现多长耦合状态下对材料进行表征，并且通过数据采集机构4将数据传输出去。
进一步，外场加载机构5包括使射线透入多场模拟炉腔32内的射线透过窗口51，射线透过窗口32设置在两个多场模拟炉盖31的连接处，多场模拟炉盖31上设置有模组挂载窗52，模组挂载窗52内壁上设置有聚焦到多场模拟炉腔32几何中心处的石英灯53。
本实施例中，考虑到射线透过窗口32的承载能力，装置的主要结构零部件均采用轻量化材料与轻量化材料。同时对整个设备做了中心旋转对中处理，以减少偏置重量对关键零件的额外负载。
石英灯53通过环形阵列与上下镜像的布置方式使灯光聚集到多场模拟炉腔32的中心处，其中心处设置有样品，恰好对样品施加高温，射线透过窗口302可以选用Al材质，玻璃纤维等材质。整个射线透过窗口51呈环形以此提高截面惯性矩，增大零件的承载能力，理论测算中铝与玻璃纤维做成的零件不发生失效的前提下，均能保证X射线通透性，中心透过区域为环状，上下两个连接多场模拟炉盖的连接处采用形位连接的方式来完成固定连接。
进一步，外场加载机构5还包括设置在多场模拟炉盖31上的气体通道54。
本实施例中，气体通道54布置在多场模拟炉盖31上，接入多场模拟炉腔32中，可以通过化学气体，增加样品检测的参数变化，更容易实现多场模拟的作用。
进一步，外力加载机构2包括分别穿过上下两个多场模拟炉盖31伸入至多场模拟炉腔32几何中心处的的水冷却上夹具21和水冷却下夹具22，水冷却上夹具21可上下移动。
本实施例中，样品设置在腔体的中心，被水冷却上夹具21和水冷却下夹具22夹持，水冷却上夹具21可以上下移动，实现对样品的拉伸和压缩。
进一步，水冷却上夹具21的顶部通过丝杠运动套筒23与加载运动块24连接，加载运动块24设置在滚珠丝杠螺母25上，滚珠丝杠螺母25上下移动设置在传动丝杠26上，传动丝杠26的自由端伸入丝杠运动套筒23内，多场模拟炉盖31上位于传动丝杠26的四周设置有直线导轨27，加载运动块24的端部通过直线轴承28在直线导轨27上上下滑动。
本实施例中，传动丝杠26转动带动滚珠丝杠螺母25上下移动，装置所采用的齿轮精度等级范围在IT2～IT5。由于设备应用于高温环境，传动系统均采用润滑脂润滑，在传动丝杠连接处仍采用油封设计。所选用的传动丝杠为C2级及其以上精度的滚珠丝杠。
进一步，传动机构1包括与传动丝杠26连接减速器11，减速器11与电机12连接。
本实施例中，电机12的通过行星轮减速器11或者谐波减速器11做出第一阶段减速，然后再用传动丝杠26做出第二阶段减速。通过两个阶段的多级减速使得有效提升了加载端的载荷。装置的理论峰值加载为3000N。
进一步，多场模拟炉盖31的两侧分别设置有冷却水进水口33和冷却水出水口34，冷却水进水口33通过蛇形排布的冷却水管道35与冷却水出水口34连通。
进一步，水冷却上夹具21的两侧分别设置有夹具冷却水入口36和夹具冷却水出口37，夹具冷却水入口36与竖直水流通道38连通，竖直水流通道38与一U型水流通道39的底部连通，U型水流通道39开口朝上且其底部靠近水冷却上夹具21的自由端，U型水流通道39的顶端通过一环形水流通道30与夹具冷却水出口37连通。
本实施例中，装置冷却系统通过工业冷却循环水泵集中供水，通过管路分别分散接入设备内部的冷却回路中。冷却水在炉盖上，通过冷却水进水口33进入后通过蛇形排布的冷却水管道后再由冷却水出水口34流出，实现较好的降温效果；在夹具上冷却时，通过夹具冷却水入口36流入竖直水流通道38中，流到夹具底部后再通过U型水流通道39向上流动，流入上方的环形水流通道30中，最终由夹具冷却水出口37流出，实现的冷却效果优异。
在水路的进出口分别布置有流量阀、溢流阀、安全阀等管路元件，其水流量、温度均反馈回集成控制系统。当水流不足时或温度过高时，系统报警，无法进行加热操作。
进一步，数据采集机构4包括设置在直线导轨27和加载运动块24之间的位移传感器41，丝杠运动套筒23上设置有加载力传感器42。
本实施例中，加载的过程通过集成控制系统的非线性闭环控制完成，通过固定于直线导轨27上的位移传感器41反馈回加载段的位置，通过连接于加载主轴的加载力传感器42反馈回加载负荷，最后通过控制系统内的“加载主轴力与位移非线性修正函数”完成对加载主轴实际情况的修正。然后基于非线性闭环控制进行加载。理论上，机械系统的单向运动时，电机单步加载使得试验段运动的最小步长为0.1μm。
一种基于断层扫描的材料多场耦合性能在线表征系统，包括在线表征装置，在线表征装置设置在基座7上，基座7上位于在线表征装置的两侧分别设置有辐射源8和图像重构数据采集屏9。
本实施例中，在线表征装置可以通过旋转台设置在基座7上，通过对表征装置的旋转，来保证试验装置在相对静止状态下对试件的加载，同时又能通过旋转来完成基于计算机断层扫描的对所检测目标的切面图像重构数据采集，也可以将表征装置直接设置在基座7上，通过基座上7的辐射源8发射射线通过射线透过窗口进入腔体内，作用于样品上，再通过图像重构数据采集屏9将切面图像数据进行采集。
数据采集机构4还包括设置在模组挂载窗52内壁上的红外测温仪43，以及穿过模组挂载窗52通入多场模拟炉腔32内的热电偶线44。
红外测温仪43与热电偶44集束位于多场模拟炉盖31的模组挂载窗52上。热电偶44与红外测温仪43根据任务要求对试件的测试点、测试环境做温度检测，反馈回集成控制系统，集成控制系统通过模糊非线性闭环控制对石英灯53的功率进行控制，以此来保证石英灯53加热的准确性。同时机械结构上石英灯53周围拥有6个紧固调节螺丝，通过螺丝的紧固程度可以控制石英灯53加热的灯心位置，从而完成加热点的矫正保证高的加热效率与精度.
冷却水管道35上以及竖直水流通道38上均设置有电子流量阀61和电子流量计62，且其均与水泵63连接，气体通道54上设置有气体压力阀64，位移传感器41、加载力传感器42、红外测温仪43、热电偶线44、电子流量计62、气体压力阀64均与控制器65连接。
两个多场模拟炉盖31通过螺栓进行连接，二者连接处采用环形石墨密封圈进行密封，多个石英灯通过环形摆放并且上下对称布置的方式，使灯光汇聚于炉腔的中心。
丝杠运动套筒23和水冷却上夹具21之间设置有金属隔热块29。
传动机构1所采用的齿轮精度等级范围在IT2～IT5；传动机构1中布置有固定在外壳上的静止配重，保证传动机构1的静质心位于设备的中心轴线上；传动机构1均采用润滑脂润滑，在传动丝杠26连接处采用迷宫与毛毡圈油封设计；所选用的传动丝杠26为C2级及其以上精度的滚珠丝杠。
射线透过窗口31采用射线高透过率材料铝、铝合金或者玻璃纤维制成。
采用相同的加热与对试件测试的机制，调整整机或部分零件的使用尺寸、参数、拓扑形状以适应不同的基于计算机断层扫描的与其他检测系统，完成对材料试验位置的聚焦加热、力学加载与化学氛围模拟方法；并且可以对发明装置的部分零件表面与内部做改性与优化处理，但不改变其聚焦加热、力学加载与化学氛围模拟的具体实现方式。
仍采用相同的对试验件的聚焦加热、力学加载与化学氛围模拟方法，可以将该加载测试方法与装置应用于其他无损检测技术中；可以对发明装置的直线导轨做数量上的调整，以满足设备在结构与强度上需要；对发明装置的管路做数量、直径上的调整，以满足设备在冷却过程中冷却系统的需要。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于断层扫描的材料多场耦合性能在线表征装置，其特征在于，包括多场模拟机构(3)，所述多场模拟机构(3)上设置有外场加载机构(5)、外力加载机构(2)以及数据采集机构(4)，所述外力加载机构(2)与传动机构(1)连接，
所述多场模拟机构(3)包括上下两个多场模拟炉盖(31)，两个所述多场模拟炉盖(31)之间形成密封的多场模拟炉腔(32)。
2.根据权利要求1所述的一种基于断层扫描的材料多场耦合性能在线表征装置，其特征在于，所述外场加载机构(5)包括使射线透入所述多场模拟炉腔(32)内的射线透过窗口(51)，所述射线透过窗口(32)设置在两个所述多场模拟炉盖(31)的连接处，所述多场模拟炉盖(31)上设置有模组挂载窗(52)，所述模组挂载窗(52)内壁上设置有聚焦到所述多场模拟炉腔(32)几何中心处的石英灯(53)。
3.根据权利要求2所述的一种基于断层扫描的材料多场耦合性能在线表征装置，其特征在于，所述外场加载机构(5)还包括设置在所述多场模拟炉盖(31)上的气体通道(54)。
4.根据权利要求1所述的一种基于断层扫描的材料多场耦合性能在线表征装置，其特征在于，所述外力加载机构(2)包括分别穿过上下两个所述多场模拟炉盖(31)伸入至所述多场模拟炉腔(32)几何中心处的水冷却上夹具(21)和水冷却下夹具(22)，所述水冷却上夹具(21)可上下移动。
5.根据权利要求4所述的一种基于断层扫描的材料多场耦合性能在线表征装置，其特征在于，所述水冷却上夹具(21)的顶部通过丝杠运动套筒(23)与加载运动块(24)连接，所述加载运动块(24)设置在滚珠丝杠螺母(25)上，所述滚珠丝杠螺母(25)上下移动设置在传动丝杠(26)上，所述传动丝杠(26)的自由端伸入所述丝杠运动套筒(23)内，所述多场模拟炉盖(31)上位于所述传动丝杠(26)的四周设置有直线导轨(27)，所述加载运动块(24)的端部通过直线轴承(28)在所述直线导轨(27)上上下滑动。
6.根据权利要求5所述的一种基于断层扫描的材料多场耦合性能在线表征装置，其特征在于，所述传动机构(1)包括与所述传动丝杠(26)连接减速器(11)，所述减速器(11)与电机(12)连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于断层扫描的材料多场耦合性能在线表征装置，其特征在于，所述多场模拟炉盖(31)的两侧分别设置有冷却水进水口(33)和冷却水出水口(34)，所述冷却水进水口(33)通过蛇形排布的冷却水管道(35)与所述冷却水出水口(34)连通。
8.根据权利要求4所述的一种基于断层扫描的材料多场耦合性能在线表征装置，其特征在于，所述水冷却上夹具(21)的两侧分别设置有夹具冷却水入口(36)和夹具冷却水出口(37)，所述夹具冷却水入口(36)与竖直水流通道(38)连通，所述竖直水流通道(38)与一U型水流通道(39)的底部连通，所述U型水流通道(39)开口朝上且其底部靠近所述水冷却上夹具(21)的自由端，所述U型水流通道(39)的顶端通过一环形水流通道(30)与所述夹具冷却水出口(37)连通。
9.根据权利要求5所述的一种基于断层扫描的材料多场耦合性能在线表征装置，其特征在于，所述数据采集机构(4)包括设置在所述直线导轨(27)和所述加载运动块(24)之间的位移传感器(41)，所述丝杠运动套筒(23)上设置有加载力传感器(42)。
10.一种基于断层扫描的材料多场耦合性能在线表征系统，其特征在于，包括权利要求1～9任意一项所述的在线表征装置，所述在线表征装置设置在基座(7)上，所述基座(7)上位于所述在线表征装置的两侧分别设置有辐射源(8)和图像重构数据采集屏(9)。
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| CN109115811A (zh) * | 2018-09-04 | 2019-01-01 | 西安特瑞昇航空材料技术有限公司 | 断层扫描的材料多场耦合性能在线表征装置、系统及方法 |
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