基于石英燈輻射加熱的型材壓損試驗(yàn)系統(tǒng)研制及應(yīng)用

吳彥增，孫曉娜，王成亮，李麗遠(yuǎn)，武小峰

(北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076)

1 引 言

隨著高超聲速飛行器事業(yè)的發(fā)展，氣動(dòng)加熱引起的結(jié)構(gòu)熱屈曲問題日益凸顯[1-3]。飛行器機(jī)身機(jī)翼等結(jié)構(gòu)多為加筋壁板結(jié)構(gòu)，熱/機(jī)械載荷聯(lián)合作用環(huán)境對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能提出了更高的要求[4,5]。對于加筋壁板結(jié)構(gòu)，加筋部位多為T型、J型或Z型等型材結(jié)構(gòu)，其壓損強(qiáng)度與壁板結(jié)構(gòu)的承載能力密切相關(guān)[6-8]。在“積木式”的設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)中，型材壓損試驗(yàn)屬于元件級別試驗(yàn)，主要為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析提供基本數(shù)據(jù)[9]。

加熱技術(shù)是結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，以石英燈為代表的加熱設(shè)備具有熱慣性小、熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，易于電控，非常適用于模擬時(shí)序加熱要求；同時(shí)，其體積小、功率大，可以組裝成不同的尺寸和形狀，既適用于大型全尺寸結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)，也適用于小型構(gòu)件熱試驗(yàn)，對于外形及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的試驗(yàn)，也有較好的適應(yīng)能力[10]。

本文針對熱環(huán)境下的型材壓損試驗(yàn)需求，基于石英燈輻射加熱和MTS試驗(yàn)機(jī)機(jī)械加載，研制了一套可快速加熱的型材壓損試驗(yàn)系統(tǒng)，重點(diǎn)解決了加熱器設(shè)計(jì)、加載夾具設(shè)計(jì)、試驗(yàn)機(jī)熱防護(hù)、力熱載荷施加及應(yīng)變采集等技術(shù)難題。本試驗(yàn)系統(tǒng)的建立，為開展熱環(huán)境下型材壓損性能研究提供了重要的技術(shù)保障。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

型材壓損熱屈曲試驗(yàn)系統(tǒng)主要由加熱、加載和測量3個(gè)系統(tǒng)組成，主要設(shè)備有試驗(yàn)機(jī)、加載工裝、加熱器、應(yīng)變片、溫度傳感器(熱電偶)及數(shù)據(jù)采集和控制設(shè)備等。試驗(yàn)系統(tǒng)搭建如圖1所示。

圖1 熱環(huán)境下型材壓損試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 力加載系統(tǒng)

型材壓損試驗(yàn)，主要通過對型材兩端施加壓縮載荷，通過觀察其不同部位的應(yīng)變隨載荷的變化規(guī)律，反推其臨界屈曲載荷和壓損破壞載荷，以實(shí)現(xiàn)對型材穩(wěn)定性能的測試。

在型材壓損試驗(yàn)中，對加載的對中性具有較高的要求。因此，本型材壓損試驗(yàn)系統(tǒng)采用MTS試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力加載，通過加載桿連接直徑為100mm的壓縮圓盤對型材試驗(yàn)件進(jìn)行壓縮，如圖2所示。加載桿與壓縮圓盤加載面之間滿足垂直度要求，上下加載桿之間保證對中性。此外，在加載圓盤的圓心處做了十字標(biāo)記，以保證加載中心與試驗(yàn)件形心坐標(biāo)一致。

圖2 力熱加載系統(tǒng)

已有研究顯示，型材試驗(yàn)件上下表面平整度對于型材的壓損破壞載荷影響較小，但對型材中間變形破壞過程具有影響[11]。因此，試驗(yàn)調(diào)試階段，在型材上下端面局部采用鋁箔紙進(jìn)行表面平整度調(diào)節(jié)，以保證力加載的均勻性。

2.2 熱加載系統(tǒng)

石英燈輻射加熱設(shè)備可根據(jù)結(jié)構(gòu)外形和加熱功率要求設(shè)計(jì)相應(yīng)的加熱器。對于型材試驗(yàn)件，為保證試驗(yàn)件均勻受熱，以石英燈加熱元件為主體，將加熱器設(shè)計(jì)成圓筒形，如圖3所示，石英燈輻射加熱區(qū)域尺寸大于試驗(yàn)件的尺寸，以減少溫度的邊界效應(yīng)。同時(shí)，為減少熱量損失以及保護(hù)試驗(yàn)機(jī)上下夾頭和傳感器，在圓筒形加熱器的上下兩端加蓋不銹鋼蓋板。

圖3 加熱器示意圖

本試驗(yàn)所用試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)正常工作溫度為室溫，在高溫環(huán)境下易導(dǎo)致試驗(yàn)機(jī)工作異常，故需對試驗(yàn)機(jī)采取熱防護(hù)措施。在試驗(yàn)機(jī)上下夾頭、加載立柱、液壓油管等處分別用石棉布進(jìn)行隔熱處理，并在外部使用鋁箔紙進(jìn)行包裹，以保證試驗(yàn)機(jī)加載系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.3 測量控制系統(tǒng)

型材壓損試驗(yàn)測量控制系統(tǒng)主要包括測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分。

控制系統(tǒng)的控制參量為載荷、位移及溫度，其中，載荷與位移參量通過MTS試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；溫度參量通過熱加載系統(tǒng)采用閉環(huán)或開環(huán)控制，閉環(huán)控制原理如圖4所示。將溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測的試驗(yàn)件表面溫度作為反饋信號(hào)，與上位機(jī)的設(shè)定值進(jìn)行比對，通過可控硅驅(qū)動(dòng)電源對加熱器中的石英燈陣列的電功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)控制。

圖4 加熱控制系統(tǒng)示意圖

測量系統(tǒng)的測量參量為載荷、位移、溫度和應(yīng)變。其中，載荷、位移參量通過MTS試驗(yàn)機(jī)上相應(yīng)的傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，溫度參量通過焊接在試驗(yàn)件不同部位的K型熱電偶來反饋試驗(yàn)件各部位的實(shí)時(shí)溫度信息，應(yīng)變參量通過粘貼或焊接在試驗(yàn)件表面的高溫應(yīng)變片進(jìn)行測量，溫度和應(yīng)變數(shù)據(jù)通過德國IMC公司的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)連續(xù)采集。為降低和消除噪聲及其他高頻信號(hào)的干擾，對原始信號(hào)進(jìn)行抗混濾波處理。為實(shí)現(xiàn)各測量參量數(shù)據(jù)的同步采集及實(shí)時(shí)監(jiān)測，將MTS試驗(yàn)機(jī)的載荷、位移參量的監(jiān)視通道信號(hào)接入IMC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并與MTS控制系統(tǒng)對應(yīng)的反饋通道進(jìn)行標(biāo)定對比，以確保采集的載荷、位移數(shù)據(jù)的有效性。在IMC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，對測量參量的采集頻率進(jìn)行了統(tǒng)一設(shè)置，以便于測量數(shù)據(jù)的后期處理。

在熱試驗(yàn)過程中，熱電偶、高溫應(yīng)變片及測量導(dǎo)線直接暴露于熱輻射環(huán)境，這對傳感器長時(shí)間可靠采集極其不利，需要對其進(jìn)行熱防護(hù)處理。傳感器測試部位采用鋁箔紙進(jìn)行防輻射遮擋，測試導(dǎo)線采用瓷管線進(jìn)行防護(hù)。此外，連接加熱器的電力線通過大電流時(shí)，會(huì)對通過弱電信號(hào)的測量產(chǎn)生噪聲干擾，因此，需要對溫度應(yīng)變傳感器測量線以及試驗(yàn)機(jī)的力位移傳感器連接線采取屏蔽防護(hù)措施，如合理布線、靜電屏蔽等。

3 型材壓損試驗(yàn)應(yīng)用

為驗(yàn)證熱環(huán)境下型材壓損試驗(yàn)系統(tǒng)的適用性，選取鈦合金T型材作為試驗(yàn)件，分別進(jìn)行了不同溫度下的型材壓損試驗(yàn)測試。溫度傳感器選取K型熱電偶，測溫范圍為-200～1300℃，焊接于T型材的腹板和筋條部位(對應(yīng)編號(hào)為T1和T2)；應(yīng)變測量傳感器測試選取高溫應(yīng)變片，可實(shí)現(xiàn)350℃內(nèi)的應(yīng)變測量，焊接于腹板和筋條部位(對應(yīng)編號(hào)分別為E1、E2和E3)，詳細(xì)位置如圖5所示。

(a) 熱電偶位置及編號(hào) (b) 應(yīng)變片位置及編號(hào)圖5 傳感器布置位置及編號(hào)

試驗(yàn)前需對試驗(yàn)件尺寸進(jìn)行測量，并標(biāo)記試驗(yàn)件形心位置。試驗(yàn)件安裝時(shí)，要確保試驗(yàn)件形心與加載線一致，以保證試驗(yàn)加載的對中性。安裝完成后，進(jìn)行低比例力載荷調(diào)試，顯示各部位應(yīng)變變化一致后，方可開始加熱。加熱達(dá)到設(shè)定溫度后，保溫10～15min，以確保試件均勻受熱。隨后，施加相應(yīng)的力載荷開始壓損試驗(yàn)。

3.1 石英燈輻射加熱驗(yàn)證

為驗(yàn)證本試驗(yàn)系統(tǒng)所采用石英燈加熱器的加熱效果，選取150℃、250℃和350℃三種溫度環(huán)境進(jìn)行了驗(yàn)證。本次測試采用可控硅開環(huán)控制，對應(yīng)T型材上溫度傳感器測點(diǎn)獲取的溫升曲線如圖6所示?？梢钥闯?，石英燈加熱速率較為穩(wěn)定，約為0.5℃/s，且到達(dá)設(shè)定溫度后，可保持溫度恒定。試驗(yàn)件不同溫度在同一時(shí)刻測量結(jié)果顯示，石英燈加熱效果也較為均勻，各部位在溫度恒定后的溫度值如表1所示。可以看出，隨著設(shè)定環(huán)境溫度的升高，各部位間的溫差變小，加熱分散性均控制在1%以內(nèi)，滿足型材壓損試驗(yàn)的熱環(huán)境溫度要求。

圖6 石英燈加熱溫升圖

表1 試驗(yàn)件表面加熱情況匯總

3.2 熱環(huán)境下型材壓損試驗(yàn)結(jié)果

選取250℃熱環(huán)境下T型材的壓損試驗(yàn)結(jié)果(如圖7所示)，對試驗(yàn)系統(tǒng)在熱環(huán)境下的加載可靠性進(jìn)行驗(yàn)證?？梢钥闯?，在熱環(huán)境下，本試驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)變、載荷、位移實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)連續(xù)且穩(wěn)定，抗干擾措施合理可行。從型材的應(yīng)變-載荷曲線結(jié)果可以看出，本試驗(yàn)系統(tǒng)對型材的加載均勻，當(dāng)壓縮載荷較小時(shí)，型材各部位的應(yīng)變變化保持一致，均隨載荷呈線性變化。當(dāng)壓縮載荷達(dá)到臨界屈曲載荷時(shí)，腹板部位應(yīng)變與筋條部位應(yīng)變開始分叉，但型材依然具備承載能力。在型材后屈曲變形階段，應(yīng)變隨載荷變化規(guī)律呈非線性變化，直至試驗(yàn)件破壞。由試驗(yàn)機(jī)的載荷-位移曲線可以得出型材承受的最大載荷，即型材壓損破壞載荷。由熱環(huán)境下典型型材的加載試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在熱環(huán)境下，本試驗(yàn)系統(tǒng)具備穩(wěn)定加載和連續(xù)可靠數(shù)據(jù)采集的能力，可獲得型材壓損試驗(yàn)測試中的臨界屈曲載荷及壓損破壞載荷。該系統(tǒng)具備在高溫環(huán)境下開展型材壓損測試的能力。

(a) 型材應(yīng)變-載荷曲線

(b) 試驗(yàn)機(jī)載荷-位移曲線圖7 典型型材壓損試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了一種熱環(huán)境下型材壓損試驗(yàn)系統(tǒng)，解決了高溫環(huán)境下高精度、高對中性加載、快速準(zhǔn)確加熱及穩(wěn)定可靠數(shù)據(jù)采集的問題。該試驗(yàn)系統(tǒng)采用MTS試驗(yàn)機(jī)作為力加載系統(tǒng)，滿足型材壓損試驗(yàn)的對中性要求。設(shè)計(jì)石英燈輻射加熱器作為加熱設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境的快速穩(wěn)定加熱。測量控制系統(tǒng)中，對試驗(yàn)機(jī)、傳感器及連線采取了熱防護(hù)和抗電磁干擾措施，保證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定可靠。

選取典型型材熱環(huán)境下的壓損試驗(yàn)實(shí)施過程與結(jié)果，驗(yàn)證了本試驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用有效性，主要體現(xiàn)在加熱升溫速度快且加熱較為均勻，高溫環(huán)境下力載荷施加穩(wěn)定，應(yīng)變溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)連續(xù)采集穩(wěn)定有效。試驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期，較好地完成了高溫環(huán)境不同溫度下的型材壓損試驗(yàn)測試，為后續(xù)加筋壁板結(jié)構(gòu)件熱屈曲性能研究提供了重要的技術(shù)保障。