專利名稱：材料性能試驗模擬裝置及其模擬方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種材料性能試驗模擬裝置，還涉及利用這種材料性能試驗模擬裝置進行材料性能試驗模擬的方法。
背景技術：
空天飛行器的頭錐、襟翼、方向舵等防熱結構一體化構件都是大型薄壁復雜構件，是由許多小型構件連接組合而成，其中襟翼、方向舵等控制構件還具有活動性。因此，對空天飛行器再入大氣條件下防熱結構一體化材料的環(huán)境性能研究，涉及應力氧化燒蝕、高溫連接和高溫高載低速摩擦磨損等問題。
文獻“http://www.st.dlr.de/BK/insthome_e.html”公開了德國宇航局的一種材料再入大氣環(huán)境性能試驗模擬裝置Indutherm，該模擬裝置由試驗箱體、真空泵、供氣系統(tǒng)、材料力學試驗機和感應加熱設備組成，通過真空泵和供氣系統(tǒng)可以模擬與再入大氣環(huán)境相近的氣壓環(huán)境，感應加熱設備模擬再入大氣的高溫環(huán)境，材料力學試驗機模擬材料所受的氣動載荷環(huán)境。但是該模擬裝置也存在以下缺點①不能模擬再入大氣過程的高速熱氣流環(huán)境，無法對材料再入大氣的燒蝕問題進行研究；②設備加熱效率低，升溫所需時間長達幾個小時，消耗能源大；③最高加熱溫度為1650℃；④不能在試驗箱體內模擬再入大氣過程的氧化性空氣環(huán)境；⑤材料試件在實驗模擬過程中是固定不動的，因此不能對材料的摩擦磨損性能進行研究。

發(fā)明內容
為了克服現(xiàn)有技術不能對再入環(huán)境下材料的應力氧化燒蝕、高溫連接和高溫高載低速摩擦磨損等環(huán)境性能進行實驗模擬的不足，本發(fā)明提供一種材料性能試驗模擬裝置，可以模擬高速熱氣流的燒蝕環(huán)境，解決模擬環(huán)境下材料試件的摩擦磨損問題。
本發(fā)明還提供利用這種材料性能試驗模擬裝置進行材料性能試驗模擬的方法。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是一種材料性能試驗模擬裝置，包括材料力學試驗機2，其特征在于還包括小型常壓亞音速燃氣流風洞1、伺服傳動裝置7和氣體控制系統(tǒng)8，材料力學試驗機2與小型常壓亞音速燃氣流風洞1垂直放置，中心線相交，試驗件5置于小型常壓亞音速燃氣流風洞1的試驗段，其軸套通過鍵槽與下夾具6固連，軸銷通過卡槽與伺服傳動裝置7固連，上夾具4和下夾具6分別通過不銹鋼夾具3與材料力學試驗機2的夾頭固連，氣體控制系統(tǒng)8管路連接于小型常壓亞音速燃氣流風洞1的燃氣發(fā)生器，其控制電路與計算機連接。
所述的上夾具4和下夾具6是由C/SiC復合材料板制作。
所述的試驗件5為軸銷、軸套結構，軸銷的一端有與伺服傳動裝置7固連的卡槽，軸套緊套在軸銷上，其左右兩端留有與下夾具固連的鍵槽。
一種利用上述材料性能試驗模擬裝置進行材料性能試驗模擬的方法，其特征在于，包括下述步驟將試驗件5的軸套與下夾具6固連，下夾具6的下端與不銹鋼夾具3固連，上夾具4下端放置在試驗件5的軸套上，其上端與另一不銹鋼夾具3固連，不銹鋼夾具3與材料力學試驗機2的夾頭固連，使試驗件5位于小型常壓亞音速燃氣流風洞1的試驗段，試驗件5的軸銷的一端與伺服傳動裝置7固連，啟動操作程序，設定氧氣含量和目標溫度600℃～1800℃，氣體控制系統(tǒng)根據設定值自動調節(jié)氧氣、甲烷和氮氣的流量，并把氣體通入通入小型常壓亞音速燃氣流風洞(1)的燃氣發(fā)生器進行發(fā)生器混合，按程序要求的步驟進行操作，點燃風洞，在1～2分鐘內實驗段產生600℃～1800℃的高溫富氧燃氣，啟動伺服傳動裝置7，設定轉速0～128轉/分，帶動試驗件5的軸銷轉動，當轉速達到設定轉速轉動平穩(wěn)時，啟動材料力學試驗機2施加垂直載荷。
本發(fā)明的有益效果是，由于采用了小型常壓亞音速燃氣流風洞，創(chuàng)造了亞音速熱氣流環(huán)境；采用高燃燒值的甲烷做為燃料，加熱效率高，與現(xiàn)有技術相比，升溫時間由幾個小時減少至2分鐘，最高加熱溫度由1650℃提高到1800℃；采用氣體控制系統(tǒng)控制混合氣體中的各氣體的流量，實現(xiàn)了與再入大氣過程相近的氧化性空氣環(huán)境；采用了伺服傳動裝置，實現(xiàn)了再入大氣模擬環(huán)境下材料試件轉動，可研究材料再入大氣環(huán)境的摩擦磨損問題。
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。


圖1是本發(fā)明材料性能試驗模擬裝置的示意2是圖1的A-A向剖視3是圖2中試驗件的放大4是圖1中上夾具的結構示意5是圖1中下夾具的結構示意中，1-小型常壓亞音速燃氣流風洞 2-材料力學試驗機 3-不銹鋼夾具 4-上夾具 5-試驗件 6-下夾具 7-伺服傳動裝置 8-氣體控制系統(tǒng)具體實施方式
參照圖1～5，采用小型常壓亞音速燃氣流風洞產生與再入大氣環(huán)境相近的高速燃氣流環(huán)境，通過對風洞燃燒劑的和氧化劑的選擇，可提高加熱效率和最高加熱溫度；利用氣體控制系統(tǒng)調節(jié)燃氣成分實現(xiàn)與再入大氣過程相近的空氣環(huán)境；設計伺服傳動裝置和專用的摩擦磨損試驗件解決模擬環(huán)境下材料試件的摩擦磨損問題。
本發(fā)明采用的小型常壓亞音速燃氣流風洞選用了甲烷和氧氮混合氣為燃料。甲烷具有高燃燒值，加熱效率高，僅需2分鐘就可實現(xiàn)1800℃的高溫；選用氧氣和氮氣混合氣體為氧化劑，通過氣體控制系統(tǒng)調節(jié)氧氣和氮氣的比例，可以使風洞產生的燃氣成分與空氣成分接近。本發(fā)明的燃氣流風洞是針對材料環(huán)境性能實驗而研制的，燃氣發(fā)生器尺寸略大于試驗件尺寸即可，僅有Φ50mm，燃料消耗低，節(jié)省了能源。通過循環(huán)冷卻水系統(tǒng)對燃氣發(fā)生器和實驗段可進行有效地冷卻，可使燃氣流風洞在高溫下長時間持續(xù)穩(wěn)定運行。
空天飛行器再入大氣時，通過襟翼、方向舵等控制構件的緩慢轉動來控制飛行姿態(tài)，此類構件材料的摩擦磨損情況較為復雜，它不僅要承受再入大氣環(huán)境的高溫度、氣動載荷、高速熱氣流沖刷，還受到轉動產生的摩擦載荷作用，是一種高溫高載低速條件下的摩擦磨損，不同于普通剎車材料的高速摩擦磨損。因此，本發(fā)明在小型常壓亞音速燃氣流風洞和材料力學試驗機組合的基礎上，設計了伺服傳動裝置來帶動試驗件轉動，從而實現(xiàn)對再大氣模擬環(huán)境下材料摩擦磨損性能的研究。
本發(fā)明的裝置包括材料力學試驗機2，小型常壓亞音速燃氣流風洞1、伺服傳動裝置7和氣體控制系統(tǒng)8，材料力學試驗機2與小型常壓亞音速燃氣流風洞1垂直放置，中心線相交，試驗件5置于小型常壓亞音速燃氣流風洞1的試驗段，其軸套通過鍵槽與下夾具6固連，軸銷通過卡槽與伺服傳動裝置7固連，上、下夾具分別通過不銹鋼夾具3與材料力學試驗機2固連，氣體控制系統(tǒng)8管路連接于燃氣發(fā)生器，其電路于計算機連接。
伺服傳動裝置7由伺服電機、傳動系統(tǒng)、磁粉離合器和支座組成，伺服電機提供轉動的動力，傳動裝置起到降低轉速和傳遞轉矩的作用，磁粉離合器控制轉矩的傳遞，傳動裝置通過支座與試驗件相連，帶動其轉動。
高溫高載低速摩擦磨損性能試驗件采用了軸銷軸套型設計，軸銷的一端有與伺服傳動裝置7固連的卡槽，軸套緊套在軸銷上，其左右兩端留有與下夾具固連的鍵槽。進行材料摩擦磨損性能實驗只需更換軸銷和軸套即可，簡化了試驗件的制造工藝，節(jié)約了材料。
軸套是外徑為30mm，厚度為5mm的圓環(huán)，軸套的左右兩端留有寬4mm×深2mm的鍵槽，該鍵槽的目的是為了把軸套固定在下夾具中。
軸銷是外徑20mm厚度為4mm的圓環(huán)，為了實現(xiàn)伺服傳動裝置帶動軸銷轉動，在軸銷的一端開了寬5mm，深10.5mm的卡槽，通過卡槽與傳動伺服裝置固連。
再入環(huán)境性能模擬實驗過程中，高溫高載低速摩擦磨損性能試驗件處在燃氣中心，承愛著極高的溫度和嚴重的氧化燒蝕環(huán)境，要在這種環(huán)境下對試驗件進行定位和加載，必須使用耐高溫性能和抗氧化性能優(yōu)異的C/SiC復合材料夾具。本發(fā)明設計的C/SiC復合材料夾具分為上下兩部分。
上夾具是尺寸為140mm×58mm×12mm的C/SiC復合材料板。上部加工了16的孔，用于和不銹鋼夾具的連接；下部加工了30的孔，用于和軸套配合。
下夾具由三塊C/SiC復合材料板連接組成。其中左右兩塊尺寸為117mm×58mm×12mm，中間一塊尺寸為140mm×58mm×12mm。左右兩塊C/SiC復合材料板均要加工與軸套配合的30孔和寬4mm×深2mm的定位鍵槽中間的C/SiC復合材料板加工了16的孔，用于和不銹鋼夾具的連接；三塊板均留有9個Φ6mm的孔，通過9個Φ6mm的C/SiC鉚釘來把三塊板連接成整體。
材料力學試驗機的機械載荷通過不銹鋼夾具和C/SiC復合材料夾具傳遞到軸套上，由伺服傳動裝置帶軸銷轉動，使軸銷與軸套間產生轉動載荷一動摩擦力。
操作步驟1.把試驗件安裝在常壓亞音速燃氣流風洞試驗段。通過C/SiC復合材料夾具與材料力學試驗機上下夾頭相連來固定試驗件的上下位置，伺服傳動裝置通過支座與試驗件相連。
2.運行實驗模擬裝置的操作程序，輸入實驗要求的氧氣含量和目標溫度。
3.按程序步驟進行燃氣流風洞點火，在風洞試驗段產生所需的實驗環(huán)境。
4.當實驗段環(huán)境穩(wěn)定時，啟動伺服傳動系統(tǒng)，帶動試驗件轉動。
5.當轉動平穩(wěn)時，由材料力學試驗機加載，直至試驗件的軸銷停止轉動，實驗結束。
6.記錄整個實驗過程中的載荷和轉矩等數據，進行結果分析。
應力氧化燒蝕性能實驗將試驗件穿過實驗段與材料力學試驗機的夾頭相連，運行實驗模擬裝置的操作程序，輸入實驗要求的燃氣成分中的氧氣質量百分含量10％～30％和目標溫度600～1800℃，氣體控制系統(tǒng)則根據熱學計算自動調節(jié)實現(xiàn)目標溫度和氧含量所需的氧氣、甲烷和氮氣流量，使氣體進入燃氣發(fā)生器中進行混合，按操作程序要求的步驟點燃混合氣體，1～2分鐘，當燃燒穩(wěn)定時即達到所要求的目標溫度和氧化氣氛環(huán)境。此時處于實驗段的試驗件承受著燃氣的氧化燒蝕作用，然后再啟動材料力學試驗機施加載荷，并記錄實驗數據。
室溫高載低速摩擦磨損性能實驗在室溫條件下把試驗件5與夾具安裝在實驗段，不銹鋼夾具3與材料力學試驗機2的夾頭相連，軸銷與伺服傳動裝置7相連。啟動伺服傳動裝置，在操作程序中輸入實驗要求的轉速0～128轉/分，帶動試驗件轉動，當轉動平穩(wěn)時，啟動材料力學試驗機施加垂直載荷，單次運行時間為1800s，記錄整個實驗過程中試驗件所受載荷和轉矩。
權利要求
1.一種材料性能試驗模擬裝置，包括材料力學試驗機(2)，其特征在于還包括小型常壓亞音速燃氣流風洞(1)、伺服傳動裝置(7)和氣體控制系統(tǒng)(8)，材料力學試驗機(2)與小型常壓亞音速燃氣流風洞(1)垂直放置，中心線相交，試驗件(5)置于小型常壓亞音速燃氣流風洞(1)的試驗段，其軸套通過鍵槽與下夾具(6)固連，軸銷通過卡槽與伺服傳動裝置(7)固連，上夾具(4)和下夾具(6)分別通過不銹鋼夾具(3)與材料力學試驗機(2)的夾頭固連，氣體控制系統(tǒng)(8)管路連接于小型常壓亞音速燃氣流風洞(1)的燃氣發(fā)生器，其控制電路與計算機連接。
2.根據權利要求1所述的材料性能試驗模擬裝置，其特征在于所述的上夾具(4)和下夾具(6)是由C/SiC復合材料板制作。
3.根據權利要求1所述的材料性能試驗模擬裝置，其特征在于所述的試驗件(5)為軸銷、軸套結構，軸銷的一端有與伺服傳動裝置(7)固連的卡槽，軸套緊套在軸銷上，其左右兩端留有與下夾具(6)固連的鍵槽。
4.一種利用權利要求1所述材料性能試驗模擬裝置進行材料性能試驗模擬的方法，其特征在于，包括下述步驟將試驗件(5)的軸套與下夾具(6)固連，下夾具(6)的下端與不銹鋼夾具(3)固連，上夾具(4)下端放置在試驗件(5)的軸套上，其上端與另一不銹鋼夾具(3)固連，不銹鋼夾具(3)與材料力學試驗機(2)的夾頭固連，使試驗件(5)位于小型常壓亞音速燃氣流風洞(1)的試驗段，試驗件(5)的軸銷的一端與伺服傳動裝置(7)固連，啟動操作程序，設定氧氣含量和目標溫度600℃～1800℃，氣體控制系統(tǒng)根據設定值自動調節(jié)氧氣、甲烷和氮氣的流量，并把氣體通入小型常壓亞音速燃氣流風洞(1)的燃氣發(fā)生器進行混合，按程序要求的步驟進行操作，點燃風洞，在1～2分鐘內實驗段產生600℃～1800℃的高溫富氧燃氣，啟動伺服傳動裝置(7)，設定轉速0～128轉/分，帶動試驗件(5)的軸銷轉動，當轉速達到設定轉速轉動平穩(wěn)時，啟動材料力學試驗機(2)施加垂直載荷。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種材料性能試驗模擬裝置，用于再入大氣環(huán)境下材料的應力氧化燒蝕、高溫連接、高溫高載低速摩擦磨損性能的實驗模擬。包括材料力學試驗機(2)，還包括小型常壓亞音速燃氣流風洞(1)、伺服傳動裝置(7)和氣體控制系統(tǒng)(8)，材料力學試驗機(2)與小型常壓亞音速燃氣流風洞(1)垂直放置，試驗件(5)置于小型常壓亞音速燃氣流風洞(1)的試驗段，其軸銷與伺服傳動裝置(7)固連，伺服傳動裝置(7)帶動下轉動。本發(fā)明還公開了利用上述材料性能試驗模擬裝置進行材料性能試驗模擬的方法，采用小型常壓亞音速燃氣流風洞、材料力學試驗機和伺服傳動裝置實現(xiàn)了再入大氣熱物理化學環(huán)境、氣動載荷和轉動載荷的實驗模擬。
文檔編號G01M9/00GK1948946SQ200610042930
公開日2007年4月18日 申請日期2006年6月6日 優(yōu)先權日2006年6月6日
發(fā)明者成來飛, 張立同, 徐永東, 劉小瀛, 欒新剛, 趙東林 申請人:西北工業(yè)大學