本發(fā)明屬于力和熱的復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)用設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及高溫、多碰復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

某些產(chǎn)品，如包含自熱源部組件的空間飛行器、武器等，其服役過(guò)程中，除了正常儲(chǔ)存狀態(tài)下的由于自熱而產(chǎn)生的熱環(huán)境外，還需經(jīng)歷一些特殊環(huán)境載荷。如海上、山路運(yùn)輸環(huán)境中的連續(xù)碰撞載荷、發(fā)射過(guò)程中的沖擊碰撞載荷、爆炸及緊急事故下墜海、斜坡滾落等異常情況，這些都構(gòu)成了產(chǎn)品所需經(jīng)歷的多碰-高溫復(fù)合環(huán)境。

以航天發(fā)動(dòng)機(jī)為例，航天發(fā)動(dòng)機(jī)采用了大量的樹脂基復(fù)合材料，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)環(huán)境溫度達(dá)到400℃，構(gòu)成其所需經(jīng)歷的熱環(huán)境。在航天飛行器起飛或著陸時(shí)，跑道上碎石、螺釘?shù)葧?huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成低速、低能的多次沖擊碰撞，構(gòu)成其所需經(jīng)歷的多碰環(huán)境。高溫狀態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)部件在持續(xù)的低速低能沖擊碰撞載荷作用下，樹脂基層合板內(nèi)部很容易產(chǎn)生基體開裂和分層等損傷，這些內(nèi)部損傷很難直接觀察到，而這些內(nèi)部損傷使得層合板的強(qiáng)度甚至削弱35％～40％[1,2]，層合板的表面損傷很小，不易直接觀察到，對(duì)復(fù)合材料層合部件的破壞形成潛在的威脅。

為了保障產(chǎn)品在研制生產(chǎn)、運(yùn)輸交付、使用過(guò)程中的安全可靠，針對(duì)上述環(huán)境載荷，為了考察產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性，查找設(shè)計(jì)缺陷，有必要開展高溫-多碰復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)考核。

國(guó)內(nèi)外進(jìn)行的沖擊實(shí)驗(yàn)普遍是破壞性實(shí)驗(yàn)，如使用沖擊錘對(duì)試件進(jìn)行一次性沖擊剪切破壞實(shí)驗(yàn)；針對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的研究較多，而進(jìn)行非破壞性連續(xù)沖擊的實(shí)驗(yàn)較少。此類實(shí)驗(yàn)在產(chǎn)品包裝的耐沖擊性實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行得較多，但是其連續(xù)沖擊載荷較小，且研究目的多為檢驗(yàn)包裝的可靠性，而非研究包裝在連續(xù)沖擊載荷作用下的動(dòng)力學(xué)特性。另外，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行的沖擊試驗(yàn)中，高溫狀態(tài)下的一次性沖擊試驗(yàn)研究較多，尚未見到多碰、高溫復(fù)合環(huán)境下的沖擊試驗(yàn)。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)于沖擊、高溫下的沖擊、多碰系統(tǒng)等開展了很多研究，如下所示：

1、文獻(xiàn)[1]表明，產(chǎn)品在承受多次低能量碰撞載荷時(shí)，存在損傷積累，引起裂紋等現(xiàn)象。根據(jù)[2,3]認(rèn)為，當(dāng)載荷作用時(shí)間小于被沖擊體的自振周期或小于其一半左右時(shí)，稱為沖擊載荷。多沖碰撞載荷與一次沖擊碰撞載荷不同，其沖擊應(yīng)力和沖擊能量遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限，且沖擊次數(shù)較多(文獻(xiàn)寫法：運(yùn)動(dòng)形式呈現(xiàn)為反復(fù)接觸-分離的特點(diǎn))。.

2、高溫對(duì)復(fù)合材料各力學(xué)性能的影響規(guī)律，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了一些研究。J.R.Kerr等[4]對(duì)不同鋪層順序的AS-5/3501復(fù)合材料層合板進(jìn)行了不同溫度下的拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)研究，試驗(yàn)溫度范圍為218K～450K(-55℃～177℃)，試驗(yàn)結(jié)果表明，0度和45度單向板的拉伸強(qiáng)度隨著溫度的增加基本不變，而90度單向板的拉伸強(qiáng)度隨著溫度的增加而減小。

中國(guó)工程物理研究院張方舉等[5]建立了一套用于高溫試驗(yàn)的分離式霍普金森壓桿SHPB系統(tǒng)。賈彬等[6]采用微波爐加熱試件，石棉包裹保溫的辦法，利用這套系統(tǒng)研究了某產(chǎn)品在高溫下動(dòng)態(tài)力學(xué)特性。張健康[7]，李志武[8]等人，利用沖擊試驗(yàn)機(jī)與加熱爐，研究了金屬、混凝土等材料在400范圍內(nèi)的沖擊性能。

對(duì)上述做法的分析：通常只有一次沖擊。這種情況下，一般是是溫度加到位了以后，放進(jìn)沖擊設(shè)備。這種做法，一部分，如微波爐，石棉保溫，這樣溫度保持不會(huì)很到位。另外用加熱爐，時(shí)間也較短，看不出兩套系統(tǒng)的相互耦合影響，一些材料的熱膨脹，傳感器粘貼方式等都沒有得到很好的考驗(yàn)。

3、對(duì)多碰載荷下材料的力學(xué)特性研究包括：

[9]中研究了材料在多沖載荷下有明顯不同于靜疲勞的尺寸效應(yīng)。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)工程上非常突出的多次沖擊滑動(dòng)摩擦磨粒磨損問(wèn)題進(jìn)行了較多的研究[10-14]這些研究側(cè)重于材料在沖擊滑動(dòng)條件下的耐磨性。

Stanton和Bairstow最早涉足該領(lǐng)域，他們較深入考察了化學(xué)成分對(duì)鐵素體珠光體鋼沖擊破斷周次的影響[15]。Layland對(duì)15種典型結(jié)構(gòu)鋼在多沖載荷下的行為進(jìn)行了考查。給出了每種材料的沖擊能量A和破斷周次N間的關(guān)系曲線。

上述研究未結(jié)合高溫條件。

4、多碰試驗(yàn)機(jī)研究現(xiàn)狀

國(guó)外的有美國(guó)MTS公司生產(chǎn)的886系列沖擊試驗(yàn)機(jī)、美國(guó)AVCO公司生產(chǎn)的SM系列沖擊試驗(yàn)機(jī)、日本吉田精機(jī)株式會(huì)社生產(chǎn)的ASQ系列沖擊試驗(yàn)機(jī)、Lansmont公司機(jī)械式，跌落式?jīng)_擊臺(tái)、美國(guó)TEAM公司的振動(dòng)沖擊臺(tái)等。可以在一臺(tái)設(shè)備上產(chǎn)生多種力脈沖波形的智能化力脈沖發(fā)生器，輔以高度自動(dòng)化的控制以及數(shù)據(jù)分析設(shè)備的新型沖擊試驗(yàn)機(jī)。

國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)多碰試驗(yàn)機(jī)的研制，能產(chǎn)生的波形比較單一，即以橡膠、液壓或氣動(dòng)來(lái)提供緩沖波形。中國(guó)工程物理研究院岳曉紅[16]等針對(duì)凸輪式多碰機(jī)工作時(shí)的次沖擊、凸輪碰撞等問(wèn)題開展了設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，依據(jù)系統(tǒng)線性模型給出沖擊參數(shù)的計(jì)算公式，為指導(dǎo)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的波形調(diào)試提供了重要理論依據(jù)。

但國(guó)內(nèi)外的試驗(yàn)機(jī)均未有溫度加載功能。

5、標(biāo)準(zhǔn)

GJB 150.18A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法，第18部分：沖擊試驗(yàn)3.3部分，明確150A中的沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)不包括高低溫環(huán)境下的情況。而國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程中JJG497-2000《碰撞試驗(yàn)臺(tái)》對(duì)試驗(yàn)臺(tái)使用環(huán)境進(jìn)行了規(guī)定，也未見多碰、高溫方面的相關(guān)內(nèi)容。由于標(biāo)準(zhǔn)的缺失，也給相關(guān)試驗(yàn)的開展帶來(lái)一定的困難，限制了試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。相當(dāng)多的單位，在開展多碰試驗(yàn)時(shí)，對(duì)于溫度載荷的約束，僅僅近似認(rèn)為常溫環(huán)境去處理，這種方法，掩蓋了產(chǎn)品可能暴露的問(wèn)題，是有產(chǎn)品質(zhì)量隱患的。

上述技術(shù)方案，包括一次性沖擊加熱載荷、單一多碰載荷等，均未考慮到熱載荷與多碰載荷協(xié)同作用的情況。多載荷的復(fù)合試驗(yàn)，可以較單一載荷試驗(yàn)暴露出更多的問(wèn)題，美軍標(biāo)810就推薦，在有情況的條件下，盡量采用復(fù)合試驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行考核。

就高溫、多碰復(fù)合技術(shù)而言，高溫情況下，產(chǎn)品自身受到熱膨脹等因素的影響，力學(xué)性能等均有了較大變化。而多碰環(huán)境，是一個(gè)持續(xù)性較強(qiáng)，累加效應(yīng)較多的情況。因此，不應(yīng)用單一多碰條件，或高溫一次性沖擊進(jìn)行取代，現(xiàn)有技術(shù)的試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法均應(yīng)做出改進(jìn)。

引用的相關(guān)文獻(xiàn)如下：

[1]傅戈雁,石世宏.多沖碰撞載荷下激光涂層的接觸損傷分析[J].激光與紅外2006,36,(6):587-589

[2]Collins JA.Failure ofmaterials in Mechanical Design[M].JohnWiley&Sons,Inc.1981:725-745

[3]王步贏.機(jī)械零件強(qiáng)度計(jì)算的理論和方法[M].北京:高等教育出版社,1986

[4]J.R.Kerr,J.F.Haskins,and B.A.Stein.Program.Definition and preliminary results of a long-term evalution program of advanced composites for supersonic cruise aircraft applications.Environmental Effects onAdvanced Composite Materials,ASTM,STP602(1975),P.3.

[5]張方舉，謝若澤，田常津.SHPB系統(tǒng)高溫實(shí)驗(yàn)自動(dòng)組裝技術(shù)J.實(shí)驗(yàn)力學(xué),2005,20,(2):281-284

[6]賈彬，陶俊林，李正良.高溫混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的SHPB試驗(yàn)研究J.兵工學(xué)報(bào),209,30,(s2)208-212

[7]張健康，劉宏建.鈹材在高溫時(shí)的沖擊性能初探[J]，寧夏工程技術(shù).2009，8，(2)112-114

[8]李志武，許金余.高溫下混凝土沖擊加載試驗(yàn)研究[J]，高壓物理學(xué)報(bào),2013,27(3):417-422

[9]黃明志,石德珂,金志浩.金屬力學(xué)性能[M].西安交通大學(xué)出版社.1986

[10]J.T.Burwell,Wear.1957(1):119

[11]G.P.Tilly,Treatise on Materials Science and Technology.Wear,Vol.131979:287-319

[12]仝健民,李明義.材料的沖擊磨料磨損耐磨性及其疲勞磨損機(jī)制[J].機(jī)械工程材料.1993(3)：10-16

[13]戴品強(qiáng),黃水興.熱處理工藝對(duì)中碳鋼沖擊磨料磨損耐磨性的影響[J].金屬熱處理.1998(12)：19-21

[14]呂宇鵬.變質(zhì)超高錳鋼的沖擊磨料磨損行為研究[J].金屬學(xué)報(bào).1999(6)：581-584

[15]T.E.Stanton and L Bairstow,The Resistance of Materials to Impact.Proc.Inst.Mech.Engrs.,(1908)：889-919

[16]岳曉紅.凸輪式連續(xù)碰撞臺(tái)使用中常見問(wèn)題探討[J].工程設(shè)計(jì)與力學(xué)環(huán)境.2005(2)：10-17

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于為了解決上述問(wèn)題而提供高溫、多碰復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法。

本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的：

高溫、多碰復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)裝置，包括試驗(yàn)件安裝臺(tái)、吊具、加熱爐、夾具包帶、試驗(yàn)夾具、水箱和多碰機(jī)，所述加熱爐通過(guò)所述吊具安裝在試驗(yàn)件的上部，試驗(yàn)件通過(guò)所述夾具包帶定位在所述試驗(yàn)夾具上，所述試驗(yàn)夾具下部與水箱連接，所述水箱的下部安裝在所述多碰機(jī)的試驗(yàn)臺(tái)上。

具體地，所述水箱與所述多碰機(jī)的試驗(yàn)臺(tái)之間還設(shè)置有多根連接桿。

具體地，所述多碰機(jī)上還安裝有多碰載荷傳感器。

具體地，所述加熱爐為圓筒形，試驗(yàn)件置于所述加熱爐內(nèi)部。

具體地，所述水箱上設(shè)置有進(jìn)水管和出水管。

一種高溫、多碰復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，包括以下步驟：

一、試驗(yàn)前準(zhǔn)備，檢查試驗(yàn)件和試驗(yàn)裝置狀態(tài)；

二、將試驗(yàn)件安裝在試驗(yàn)夾具上，放置在多碰試驗(yàn)臺(tái)上，利用試驗(yàn)包帶進(jìn)行定位，試驗(yàn)包帶和試驗(yàn)夾具之間預(yù)留出防止試驗(yàn)件高溫?zé)嶙冃蔚目臻g；

三、先將水箱裝滿水，然后水箱上的進(jìn)水管進(jìn)水，出水管出水；

四、利用吊具等工具將所述加熱爐吊起，放置在試驗(yàn)件上，計(jì)算尺寸，設(shè)計(jì)試驗(yàn)件插入所述加熱爐的深度；

五、所述加熱爐工作開始加熱，升溫過(guò)程中隨時(shí)檢測(cè)所述水箱水溫和多碰機(jī)的試驗(yàn)臺(tái)溫度情況；

六、待溫度升至試驗(yàn)要求后，垂直抬起所述加熱爐，此時(shí)，檢查所述試驗(yàn)夾具、所述夾具包帶變形情況，再用夾具包帶夾緊試驗(yàn)件；

七、再放下所述加熱爐，繼續(xù)加熱，待溫度穩(wěn)定后，開啟多碰機(jī)，進(jìn)行試驗(yàn)；

八、試驗(yàn)完成后，關(guān)閉所述加熱爐，抬起所述加熱爐，解開所述夾具包帶，試驗(yàn)結(jié)束。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明高溫、多碰復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法，高溫載荷以及多碰載荷的協(xié)同加載，是利用吊具將加熱爐吊起來(lái)，與試驗(yàn)件、多碰機(jī)未有直接連接，這樣做就避免了加熱系統(tǒng)與多碰試驗(yàn)系統(tǒng)的相互接觸，相互耦合；同時(shí)，試驗(yàn)件固定在多碰機(jī)上，插入加熱爐內(nèi)腔，保留一定的插入深度，防止加熱爐口處溫度不均勻，較低等缺陷；此外為防止高溫傳遞至多碰機(jī)，設(shè)計(jì)的防隔熱方式：水箱隔熱；以及高溫下由于熱膨脹系數(shù)不一致而引起的熱變形，本專利在試驗(yàn)方法中第二次利用夾具包帶加固試驗(yàn)件，可以解決由于高溫引起的試驗(yàn)夾具熱變形，不匹配等問(wèn)題，避免了由于熱變形造成的多碰復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)載荷考核失效等問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明中試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-吊具，2-加熱爐，3-夾具包帶，4-試驗(yàn)件，5-試驗(yàn)夾具，6-水箱，7-多碰載荷傳感器，8-多碰機(jī)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明：

如圖1所示，本發(fā)明高溫、多碰復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)裝置，包括試驗(yàn)件4安裝臺(tái)、吊具1、加熱爐2、夾具包帶3、試驗(yàn)夾具5、水箱6和多碰機(jī)8，加熱爐2通過(guò)吊具1安裝在試驗(yàn)件4的上部，試驗(yàn)件4通過(guò)夾具包帶3定位在試驗(yàn)夾具5上，試驗(yàn)夾具5下部與水箱6連接，水箱6的下部安裝在多碰機(jī)8的試驗(yàn)臺(tái)上。水箱6與多碰機(jī)8的試驗(yàn)臺(tái)之間還設(shè)置有多根連接桿。多碰機(jī)8上還安裝有多碰載荷傳感器7。加熱爐2為圓筒形，試驗(yàn)件4置于加熱爐2內(nèi)部。水箱6上設(shè)置有進(jìn)水管和出水管。

水箱6的作用是防止熱量傳遞至多碰機(jī)8，以免影響碰撞試驗(yàn)。

一種高溫、多碰復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，包括以下步驟：

一、試驗(yàn)前準(zhǔn)備，檢查試驗(yàn)件4和試驗(yàn)裝置狀態(tài)；

二、將試驗(yàn)件4安裝在試驗(yàn)夾具5上，放置在多碰試驗(yàn)臺(tái)上，利用試驗(yàn)包帶進(jìn)行定位，試驗(yàn)包帶和試驗(yàn)夾具5之間預(yù)留出防止試驗(yàn)件4高溫?zé)嶙冃蔚目臻g；防止高溫?zé)嶙冃魏笤斐稍囼?yàn)件4損壞。

三、先將水箱6裝滿水，然后水箱6上的進(jìn)水管進(jìn)水，出水管出水；

四、利用吊具1等工具將加熱爐2吊起，放置在試驗(yàn)件4上，計(jì)算尺寸，設(shè)計(jì)試驗(yàn)件4插入加熱爐2的深度；不可太淺，以免多碰機(jī)8運(yùn)動(dòng)過(guò)程中造成溫度波動(dòng)。

五、加熱爐2工作開始加熱，升溫過(guò)程中隨時(shí)檢測(cè)水箱6水溫和多碰機(jī)8的試驗(yàn)臺(tái)溫度情況；

六、待溫度升至試驗(yàn)要求后，垂直抬起加熱爐2，此時(shí)，檢查試驗(yàn)夾具5、夾具包帶3變形情況，再用夾具包帶3夾緊試驗(yàn)件4；

七、再放下加熱爐2，繼續(xù)加熱，待溫度穩(wěn)定后，開啟多碰機(jī)8，進(jìn)行試驗(yàn)；

八、試驗(yàn)完成后，關(guān)閉加熱爐2，抬起加熱爐2，解開夾具包帶3，試驗(yàn)結(jié)束。

以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。