一種瞬態均布熱力載荷協調施加裝置及方法
2023-10-05 05:15:29
專利名稱：一種瞬態均布熱力載荷協調施加裝置及方法
技術領域：
本發明屬於航空強度試驗領域，特別是涉及到一種瞬態均布熱力載荷協調施加裝置及方法。
背景技術：
高超聲速科技是二十一世紀航空航天領域的制高點，新一代空天飛行器可作為未來的商用飛機，實現洲際旅行的朝出晚歸；太空梭可為未來太空開發提供一個更經濟、更安全進入軌道的運載工具；高超聲速武器具有突防能力強、反應快速、精確打擊和機動作戰的能力。高超聲速科技的突破將對一個國家科學技術和國民經濟的發展、綜合國力的提升將產生重大影響。因此，進入二十一世紀以來，包括我國在內的很多國家都對高超聲速飛行器研製進行了較大力度的投入。然而，當飛行器以高超聲速在大氣層內飛行時，其周圍的空氣由於摩擦、壓力改變和速度受到阻滯等原因而出現升溫。高溫空氣再以對流換熱、導熱等方式把熱量傳輸給飛行器，致使其結構表面溫度升高，即所謂的氣動加熱。飛行器飛行速度越高，氣動加熱問題越嚴重，其表面溫度也就越高。例如當飛行器以Ma=8的速度在27千米高空飛行時其頭錐處的溫度為1793°C，機翼或尾翼前緣的溫度高達1455°C，其他部位溫度相對較低但也都達到了 800°C左右。為了保證高超聲速飛行器的安全，通常會在其蒙皮表面敷設熱防護結構陣列。該熱防護結構主要起隔熱作用，使飛行器承載結構的溫度控制在允許的範圍之內。對於單塊的熱防護結構而言，在服役過程中其外表面同時承受著隨時間變化的均布氣動力、氣動熱載荷。因此在利用試驗手段驗證熱防護結構設計的合理性、可靠性時，就需要儘可能的做到以下幾點熱防護結構試驗件的上表面加熱均勻、施力均勻(均布力)；熱防護結構試驗件的上表面熱與力同時施加；熱防護結構試驗件上表面施加的熱、力學載荷可以隨時間變化。只有儘可能的做到了以上幾點才能保證熱防護結構試驗質量，試驗數據也才能真實有效的反映熱防護結構熱/力學特徵。然而，目前針對熱防護結構的地面試驗驗證方法有兩種風洞試驗和結構熱試驗。前者可以非常精確的模擬熱防護結構服役過程中其表面的熱、力受載狀況，但是試驗成本過高。後者目前的做法是通過可控的輻射加熱裝置——石英燈加熱器實現熱防護結構試驗件上表面的瞬態加熱，通過把熱防護結構外表面實際服役過程中承受的均布氣動力折算為多個集中力後利用多個剛性傳力杆實現力載荷傳遞、施加(見圖1)。這種熱、力載荷施加問題是均布氣動力沒有很好的模擬，而且容易引起應力集中問題，從而有可能導致熱防護結構試驗件的提前破壞。同時，剛性傳力杆對熱防護結構試驗件外表面均勻溫度場也有較大的影響，從而導致測出的熱防護結構試驗件瞬態熱響應不能反映熱防護結構實際服役過程中的熱響應特徵，致使熱防護結構試驗失敗。所以該熱、力載荷施加方法容易導致「過試驗」或「欠試驗」現象，不能得到熱防護結構有效的熱、力學性能數據。總而言之，在目前的熱防護結構試驗中，還不能低成本的有效解決瞬態均布熱、力載荷的協同施加問題。
發明內容
發明目的提供一種能實現熱防護結構試驗件外表面瞬態均布熱、力載荷協同施加的瞬態均布熱力載荷協調施加裝置和方法。技術方案一種瞬態均布熱力載荷協調施加裝置，包括載荷傳遞裝置1、接觸式加熱器2以及隔熱氈3，所述載荷傳遞裝置I由耐高溫陶瓷製成，所述接觸式加熱器2包括加熱絲201及耐高溫陶瓷外殼202。所述載荷傳遞裝置I外形為四稜台結構，下表面101的面積大於上表面102的面積，且下表面101的面積不小於熱防護結構試驗件4的上表面401的面積。所述加熱絲201為電阻絲或電阻片。所述隔熱氈3為耐高溫柔性高鋁質纖維材料隔熱氈。所述接觸式加熱器2還包括一個可以調節施加電壓的控制裝置203。一種瞬態均布熱力載荷協調施加方法，利用到上面所述的裝置，包括以下步驟步驟一、按照熱防護結構試驗件4下表面402實際服役過程中換熱特徵、受載特徵放置熱防護結構試驗件；步驟二、將接觸式加熱器2放置到熱防護結構試驗件4的上表面401，並使得接觸式加熱器2覆蓋住熱防護結構試驗件4的上表面401，保證接觸式加熱器2與熱防護結構試驗件4的上表面401的緊密貼實接觸；步驟三、將隔熱氈3放置到接觸式加熱器2的上表面204，並使得隔熱氈3覆蓋住接觸式加熱器2的上表面204，保證隔熱氈3與接觸式加熱器2的上表面204的緊密貼實接觸；步驟四、將載荷傳遞裝置I放置在隔熱氈3上表面301，並使得載荷傳遞裝置I的下表面101覆蓋住隔熱氈3的上表面301，保證載荷傳遞裝置I與隔熱氈3的上表面301的緊密貼實接觸；步驟五、同時對熱防護結構試驗件4施加力學載荷和熱學載荷接觸式加熱器2通電實現熱學載荷的施加，在載荷傳遞裝置I的上表面102施加集中力實現力學載荷的施加。優選地，步驟五中通過可控的作動筒5對載荷傳遞裝置I的上表面102施加集中力實現力學載荷施加。有益效果本發明專利提供的瞬態均布熱、力載荷協同施加裝置和方法，在實際熱防護結構試驗中，由可控的作動筒5提供的集中力，經過載荷傳遞裝置1、隔熱氈3及接觸式加熱器2傳遞後，轉化為均布力施加到熱防護結構試驗件4外表面401。同時由於接觸式加熱器2的存在使得在施加均布力的同時不影響熱防護結構試驗件4上表面401均勻加熱要求。從而最終實現了熱防護結構試驗件4的上表面401瞬態均布熱、力載荷協同施加，為熱防護結構試驗的有效性提供了前提。總體而言，相比傳統的熱防護結構試驗件4上表面401的熱、力學載荷施加裝置與方法，本發明實現了均布熱、力學載荷協調施加，接觸式加熱器2在提供瞬態熱載荷的同時，給熱防護結構試驗件4的上表面401傳遞了瞬態均布力學載荷，而且瞬態均布熱、力學載荷施加互不影響，從而使得熱防護結構試驗件4上表面401受到的熱、力學載荷更加接近實際服役狀態，從而大大提高了試驗精度，為熱防護結構可靠設計提供了保障。
圖1是在熱防護結構試驗中傳統的熱防護結構試驗件4的上表面401瞬態均布熱、力載荷協同施加裝置和方法。圖2是本發明針對熱防護結構試驗提出的熱防護結構試驗件4的上表面401瞬態均布熱力載荷協同施加裝置。其中I是載荷傳遞裝置，2是接觸式加熱器，3是隔熱氈，4是熱防護結構試驗件。圖3是圖2的爆炸示意圖。101是載荷傳遞裝置I的下表面，102是載荷傳遞裝置I的上表面，204是接觸式加熱器2的上表面，205是接觸式加熱器2的下表面，301是隔熱氈3的上表面，302是隔熱氈3的下表面，401是熱防護結構試驗件4的上表面、402是熱防護結構試驗件4的下表面。圖4是接觸式加熱器2示意圖。201是接觸式加熱器2的加熱絲，202是接觸式加熱器2的陶瓷外殼，203是調整接觸式加熱器2工作電壓的控制裝置。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述，請參閱圖1至圖4。一種瞬態均布熱力載荷協調施加裝置，包括載荷傳遞裝置1、接觸式加熱器2以及隔熱氈3，所述載荷傳遞裝置I由耐高溫陶瓷製成，所述接觸式加熱器2包括加熱絲201及耐高溫陶瓷外殼202。載荷傳遞裝置I主要是把作動筒5施加的集中力轉化為所需的均布力。接觸式加熱器2 —方面起均勻加熱的作用，另一方面把均布力傳遞給熱防護結構試驗件4的上表面401。隔熱氈3主要是避免接觸式加熱器2產生的熱量傳遞給載荷傳遞裝置1，保證載荷傳遞裝置I的工作溫度處於允許範圍。所述載荷傳遞裝置I外形為四稜台結構，下表面101的面積大於上表面102的面積，且下表面101的面積不小於熱防護結構試驗件4的上表面401的面積。載荷傳遞裝置I的四稜台結構外形，一方面可以使集中力更好的轉化為均布力，另一方面也與熱防護結構試驗件4的上表面401的方形形狀保持了一致,從而有利於均布力學載荷的施加。載荷傳遞裝置I下表面101的面積不小於熱防護結構試驗件4的上表面401的面積主要是為了使施加的力可以最終均勻分布到熱防護結構試驗件4的上表面401的所有部位。所述加熱絲201為電阻絲或電阻片。材質為電阻較大的耐高溫金屬材料，主要起發熱作用，並把熱量傳遞給耐高溫陶瓷外殼202，從而最終使熱防護結構試驗件4的上表面401受熱。所述隔熱氈3為耐高溫柔性高鋁質纖維材料隔熱氈。形狀、尺寸與熱防護結構試驗件4的上表面401保持一致，主要是避免接觸式加熱器2產生的熱量傳遞給載荷傳遞裝置1，保證載荷傳遞裝置I的工作溫度處於允許範圍。所述接觸式加熱器2還包括一個可以調節施加電壓的控制裝置203。利用該裝置可以調節接觸式加熱器2工作電壓，從而改發接觸式加熱器2總體發熱量，最終實現防護結構試驗件4的上表面401要求的瞬態加熱。一種瞬態均布熱力載荷協調施加方法，利用到上面所述的裝置，包括以下步驟步驟一、按照熱防護結構試驗件4下表面402實際服役過程中換熱特徵、受載特徵放置熱防護結構試驗件4 ；
步驟二、將接觸式加熱器2放置到熱防護結構試驗件4的上表面401，並使得接觸式加熱器2覆蓋住熱防護結構試驗件4的上表面401，保證接觸式加熱器2與熱防護結構試驗件4的上表面401緊密貼實接觸；如果接觸式加熱器2不能覆蓋住熱防護結構試驗件4的上表面401，則熱防護結構試驗件4的上表面401部分區域將接受不到熱量，最終會導致試驗失敗或著試驗最終數據不可靠。接觸式加熱器2與熱防護結構試驗件4的上表面401緊密貼實接觸要求是為了提高均勻加熱程度，避免局部過熱或加熱不足現象的出現。步驟三、將隔熱氈3放置到接觸式加熱器2的上表面204，並使得隔熱氈3覆蓋住接觸式加熱器2的上表面204，保證隔熱氈3與接觸式加熱器2的上表面204的緊密貼實接觸；該步驟主要是為了避免接觸式加熱器2產生的熱量通過其上表面204傳遞給載荷傳遞裝置I的下表面101，從而使載荷傳遞裝置I的溫度在正常工作範圍之內。隔熱氈3必須覆蓋住接觸式加熱器2的上表面204是為了避免接觸式加熱器2的上表面204局部未覆蓋區域直接把熱量傳遞給載荷傳遞裝置I的下表面101。步驟四、將載荷傳遞裝置I放置在隔熱氈3上表面，並使得載荷傳遞裝置I的下表面101覆蓋住隔熱氈3的上表面301，保證載荷傳遞裝置I與隔熱氈3的上表面301的緊密貼實接觸；該步驟是為了把載荷傳遞裝置I上表面102受到的集中力轉化為下表面101對隔熱氈3上表面301的均布力。載荷傳遞裝置I的下表面101如果不能覆蓋住隔熱氈3的上表面301，則隔熱氈3的上表面301並不能承受到均布力，從而最終將影響試驗結果的可靠性，甚至導致試驗的失敗。步驟五、同時對熱防護結構試驗件4施加力學載荷和熱學載荷接觸式加熱器2通電實現熱學載荷的施加，在載荷傳遞裝置I的上表面102施加集中力實現力學載荷的施加。在接觸式加熱器2通電過程中要按照試驗要求，通過控制裝置203實時調整接觸式加熱器2工作電壓，從而最終實現所需瞬態熱載荷的施加。載荷傳遞裝置I的上表面102施加集中力的大小等於熱防護結構試驗件4上表面401所需承受的壓強乘以其上表面401面積。優選地，步驟五中通過可控的作動筒5對載荷傳遞裝置I的上表面102施加集中力實現力學載荷施加。通過調整動筒5對載荷傳遞裝置I上表面102施加集中力的大小，可以最終實現熱防護結構試驗件4上表面401的所需瞬態均布力載荷施加。
權利要求
1.一種瞬態均布熱力載荷協調施加裝置，其特徵在於，包括載荷傳遞裝置[I]、接觸式加熱器[2]以及隔熱氈[3]，所述載荷傳遞裝置[I]由耐高溫陶瓷製成，所述接觸式加熱器[2]包括加熱絲[201]及耐高溫陶瓷外殼[202]。
2.根據權利要求1所述的一種瞬態均布熱力載荷協調施加裝置，其特徵在於，所述載荷傳遞裝置[I]外形為四稜台結構，下表面[101]的面積大於上表面[102]的面積，且下表面[101]的面積不小於熱防護結構試驗件[4]的上表面[401]的面積。
3.根據權利要求2所述的一種瞬態均布熱力載荷協調施加裝置，其特徵在於，所述加熱絲[201]為電阻絲或電阻片。
4.根據權利要求3所述的一種瞬態均布熱力載荷協調施加裝置，其特徵在於，所述隔熱氈[3]為耐高溫柔性高鋁質纖維材料隔熱氈。
5.根據權利要求4所述的一種瞬態均布熱力載荷協調施加裝置，其特徵在於，所述接觸式加熱器[2]還包括一個可以調節施加電壓的控制裝置[203]。
6.一種瞬態均布熱力載荷協調施加方法，利用到權利要求1至5任意一項所述的裝置，其特徵在於，包括以下步驟 步驟一、按照熱防護結構試驗件[4]下表面[402]實際服役過程中換熱特徵、受載特徵放置熱防護結構試驗件[4]； 步驟二、將接觸式加熱器[2]放置到熱防護結構試驗件[4]的上表面[401]，並使得接觸式加熱器[2]覆蓋住熱防護結構試驗件[4]的上表面4
，保證接觸式加熱器[2]與熱防護結構試驗件[4]的上表面[401]的緊密貼實接觸； 步驟三、將隔熱氈[3]放置到接觸式加熱器[2]的上表面[204]，並使得隔熱氈[3]覆蓋住接觸式加熱器[2]的上表面[204]，保證隔熱氈[3]與接觸式加熱器[2]的上表面[204]的緊密貼實接觸； 步驟四、將載荷傳遞裝置I放置在隔熱氈[3]上表面[301]，並使得載荷傳遞裝置[I]的下表面[101]覆蓋住隔熱氈[3]的上表面[301]，保證載荷傳遞裝置[I]與隔熱氈[3]的上表面[301]的緊密貼實接觸； 步驟五、同時對熱防護結構試驗件[4]的上表面[401]施加力學載荷和熱學載荷接觸式加熱器[2]通電實現熱學載荷的施加，在載荷傳遞裝置[I]的上表面[102]施加集中力實現力學載荷的施加。
7.根據權利要求6所述的一種瞬態均布熱力載荷協調施加方法，步驟五中通過作動筒[5]對載荷傳遞裝置[I]的上表面[102]施加集中力實現力學載荷施加。
全文摘要
本發明屬於航空強度試驗領域，特別是涉及到一種瞬態均布熱力載荷協調施加裝置及方法。所述裝置包括載荷傳遞裝置、接觸式加熱器以及隔熱氈，所述載荷傳遞裝置由耐高溫陶瓷製成，所述接觸式加熱器包括加熱絲及耐高溫陶瓷外殼。所述方法包括將施加裝置放置於試驗件上的步驟以及對試驗件施加力學載荷和熱學載荷的步驟。本發明實現了均布熱、力學載荷協調施加，接觸式加熱器在提供瞬態熱載荷的同時，給熱防護結構試驗件的上表面傳遞了瞬態均布力學載荷，而且瞬態均布熱、力學載荷施加互不影響，從而使得熱防護結構試驗件上表面受到的熱、力學載荷更加接近實際服役狀態，從而大大提高了試驗精度，為熱防護結構可靠設計提供了保障。
文檔編號G01N3/02GK103018096SQ20121052877
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月10日 優先權日2012年12月10日
發明者秦強, 王 琦, 蔣軍亮, 成竹 申請人:中國飛機強度研究所