一種多孔夾層板高溫?zé)崆鸁崃虞d試驗(yàn)裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多孔夾層板高溫?zé)崆鸁崃虞d試驗(yàn)裝置，能夠避免固定螺栓直接與多孔夾層板接觸產(chǎn)生的應(yīng)力集中。包括鑄鐵塊、墊塊和固定螺栓；所述鑄鐵塊為環(huán)形片狀結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)，兩個(gè)所述鑄鐵塊層疊設(shè)置；所述墊塊包括四個(gè)，設(shè)在層疊設(shè)置的兩個(gè)所述鑄鐵塊的夾層內(nèi)，并分設(shè)在所述鑄鐵塊的四邊；所述鑄鐵塊的中部形成多孔夾層板的設(shè)置空間，所述多孔夾層板的周邊部分與所述墊塊相互卡固并固定在上下兩個(gè)所述鑄鐵塊之間；所述固定螺栓包括多個(gè)，將兩個(gè)所述鑄鐵塊與所述墊塊相互連接固定，并將所述多孔夾層板固定，所述多孔夾層板上設(shè)有試驗(yàn)樣本和應(yīng)變片。
【專利說明】
一種多孔夾層板高溫?zé)崆鸁崃虞d試驗(yàn)裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種多孔夾層板高溫?zé)崆鸁崃虞d試驗(yàn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著超高聲速飛行器的發(fā)展，對(duì)于結(jié)構(gòu)的輕量化及多功能性的要求也越來越高。 多孔夾層板結(jié)構(gòu)因其高比剛度、比輕度及其多功能性的特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。飛行器結(jié) 構(gòu)在運(yùn)行過程中，由于氣動(dòng)熱的影響經(jīng)常要面臨極端的熱環(huán)境，這就使得其板殼結(jié)構(gòu)受熱 膨脹后因受到邊界約束容易發(fā)生屈曲現(xiàn)象，因此有必要開展針對(duì)板殼結(jié)構(gòu)的熱屈曲實(shí)驗(yàn)研 究。
[0003] 目前國內(nèi)外已經(jīng)開展了一些關(guān)于薄板以及層合板的熱屈曲實(shí)驗(yàn)工作。Heldenfels 和Roberts于1952年開展了標(biāo)志性的非均勻溫度場(chǎng)下的薄板熱屈曲測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中利用電加 熱器在薄板中心進(jìn)行加熱，薄板兩邊簡(jiǎn)支另外兩邊利用水流進(jìn)行降溫。位移和后屈曲行為 主要通過千分尺來測(cè)試。Kevin D.Murphy和David Ferreira對(duì)均勾溫度場(chǎng)下四邊固支薄板 進(jìn)行了熱屈曲測(cè)試。實(shí)驗(yàn)過程中通過均勻分布的加熱器來對(duì)薄板進(jìn)行加熱，位移通過位移 傳感器來進(jìn)行測(cè)試。Blosser分析了熱結(jié)構(gòu)測(cè)試過程中存在的主要問題，對(duì)于均勻溫度場(chǎng)下 板殼結(jié)構(gòu)熱屈曲測(cè)試，熱力學(xué)邊界條件的設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癯晒Φ淖钪匾囊粋€(gè)因素之一。 Richard在針對(duì)均勻溫度場(chǎng)下鈦合金蜂窩夾層板結(jié)構(gòu)的熱屈曲測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的熱力學(xué) 邊界條件相互沖突影響了實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。如果邊界約束太強(qiáng)就會(huì)產(chǎn)生額外的熱沉，從而破壞 了系統(tǒng)的熱邊界條件，而約束太弱就會(huì)破壞了四邊固支的力學(xué)邊界條件。
[0004] 為了解決這個(gè)問題Joseph F.Rakow和Anthony M.Waas提出了一種新型的實(shí)驗(yàn)裝 置，如圖1所示，它的基本原理是面內(nèi)壓力主要通過夾具與試件的熱膨脹系數(shù)差異來提供， 從而成功地避免了熱力學(xué)邊界條件的相互沖突。
[0005] 但是該裝置中，螺栓與夾層板邊界直接接觸，容易在接觸面產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低了 結(jié)構(gòu)的熱屈曲變形。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種多孔夾層板高溫?zé)崆鸁崃虞d試驗(yàn)裝置，能夠解決 上述問題。
[0007] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：
[0008] -種多孔夾層板高溫?zé)崆鸁崃虞d試驗(yàn)裝置，包括鑄鐵塊、墊塊和固定螺栓；
[0009] 所述鑄鐵塊為環(huán)形片狀結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)，兩個(gè)所述鑄鐵塊層疊設(shè)置；
[0010] 所述墊塊包括四個(gè)，設(shè)在層疊設(shè)置的兩個(gè)所述鑄鐵塊的夾層內(nèi)，并分設(shè)在所述鑄 鐵塊的四邊;所述鑄鐵塊的中部形成多孔夾層板的設(shè)置空間，所述多孔夾層板的周邊部分 與所述墊塊相互卡固并固定在上下兩個(gè)所述鑄鐵塊之間；
[0011] 所述固定螺栓包括多個(gè)，將兩個(gè)所述鑄鐵塊與所述墊塊相互連接固定，并將所述 多孔夾層板固定，所述多孔夾層板上設(shè)有試驗(yàn)樣本和應(yīng)變片。
[0012]進(jìn)一步地，所述鑄鐵塊的外邊界尺寸為300mm X 300mm，所述鑄鐵塊的中部形成的 多孔夾層板的固定空間的面積為200mm X 200mm。
[0013]進(jìn)一步地，所述鑄鐵塊的熱膨脹系數(shù)為9.0 X 10-6/°C。
[0014]進(jìn)一步地，熱載荷條件下多孔夾層板的面內(nèi)壓力為：
[0016] 其中afr_^Papane5l分別為夾具與試件的熱膨脹系數(shù)，E(z，T)與y(Z，T)為夾層板結(jié) 構(gòu)所用材料的彈性模量與泊松比，A T為溫度增量。
[0017] 本發(fā)明提供的一種多孔夾層板高溫?zé)崆鸁崃虞d試驗(yàn)裝置，利用固定螺栓將層 疊設(shè)置的兩個(gè)鑄鐵塊固定，同時(shí)，設(shè)在兩個(gè)鑄鐵塊之間的墊塊以及多孔夾層板被固定，其中 設(shè)在鑄鐵塊之間的墊塊直接與多孔夾層板接觸，不僅能夠?qū)⒍嗫讑A層板固定，同時(shí)也避免 了固定螺栓直接與多孔夾層板接觸產(chǎn)生的應(yīng)力集中。
[0018] 由于多孔夾層板面內(nèi)壓力由邊界約束提供，而邊界處如果直接與螺栓連接會(huì)產(chǎn)生 較大的局部應(yīng)力集中。為此，為了消除邊界處應(yīng)力集中，在兩個(gè)鑄鐵塊邊緣處放置了四個(gè)墊 塊，然后通過墊塊與夾層板邊界相接觸來避免螺栓直接與點(diǎn)陣試件接觸產(chǎn)生的應(yīng)力集中。
[0019] 組裝時(shí)，在上下兩個(gè)鑄鐵塊上均設(shè)置螺孔，首先將螺栓全部放置在下層鑄鐵塊螺 孔當(dāng)中，并將墊塊放置在螺孔中，然后利用虎鉗給墊塊較小的面內(nèi)壓力180-250N，使得墊塊 與多孔夾層板邊界充分接觸，但是不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的熱屈曲行為產(chǎn)生影響。最后將上層鑄鐵塊 放置在墊塊上面并使用固定螺栓固定，這樣可以通過墊塊來約束多孔夾層板試件的熱膨 脹，從而提供面內(nèi)壓力，實(shí)現(xiàn)熱屈曲測(cè)試。
【附圖說明】
[0020] 圖1為Joseph F.Rakow和Anthony M.Waas提出的試驗(yàn)裝置示意圖；
[0021] 圖2為利用圖1所示試驗(yàn)裝置進(jìn)行夾層板試驗(yàn)的中心離面位移與理論結(jié)果比對(duì)曲 線圖；
[0022] 圖3a為本發(fā)明提供的多孔夾層板高溫?zé)崆鸁崃虞d試驗(yàn)裝置模擬示意圖；
[0023] 圖3b為本發(fā)明提供的試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖4a_圖4f為實(shí)驗(yàn)例1中多孔夾層板熱屈曲全場(chǎng)變形隨溫升的變化測(cè)量結(jié)果示意 圖；
[0025]圖5a_圖5d為實(shí)驗(yàn)例2中多孔夾層板熱屈曲變形效果圖；
[0026] 1.螺栓，2.鑄鐵塊，3.墊塊，4.夾層板。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。
[0028]如圖1所示，該裝置通過螺栓1對(duì)夾層板4邊界進(jìn)行約束夾層板4熱變形，從而實(shí)現(xiàn) 面內(nèi)壓力的加載。但是由于夾持裝置中夾層板4邊界跟螺栓1直接接觸，容易在接觸面產(chǎn)生 應(yīng)力集中，從而降低了結(jié)構(gòu)的熱屈曲變形。
[0029]如圖2所示，圖中的黑粗線為FEM，白色圓點(diǎn)連線為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，兩條垂直虛線中，右 側(cè)虛線為Tct'theory，左側(cè)虛線為Tct'experiment and FEA〇
[0030] 利用圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)多孔夾層板4的熱屈曲測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，多孔夾層板4與固 定螺栓1的連接處產(chǎn)生了比較明顯的塑形變形，使得實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的夾層板4熱屈曲離面變 形小于有限元分析結(jié)果。
[0031] 如圖3a所示，本發(fā)明提供的試驗(yàn)裝置，包括鑄鐵塊2、墊塊3、固定螺栓1，墊塊3設(shè)在 兩個(gè)鑄鐵塊2夾層之間，通過固定螺栓1將整體固定，多孔夾層板4設(shè)在鑄鐵塊2中部，多孔夾 層板4的周邊通過鑄鐵塊2和墊塊3將其固定，在夾層板4上設(shè)有樣本，樣本上設(shè)有測(cè)試用應(yīng) 變片。
[0032] 實(shí)驗(yàn)過程中，首先將固定螺栓1全部放置在下層鑄鐵塊2螺孔當(dāng)中，并將墊塊3放置 在螺孔中，然后利用虎鉗給墊塊較小的面內(nèi)壓力180-250牛，使得墊塊3與多孔夾層板4邊界 充分接觸，不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的熱屈曲行為產(chǎn)生影響。最后將上層鑄鐵塊2放置在墊塊3上面并進(jìn) 行固定。這樣可以通過墊塊3來約束多孔夾層板4的熱膨脹，從而提供面內(nèi)壓力，實(shí)現(xiàn)熱屈曲 測(cè)試。
[0033] 實(shí)驗(yàn)例1:
[0034]使用本發(fā)明提供的試驗(yàn)裝置對(duì)多孔夾層板4的熱屈曲性能進(jìn)行測(cè)試，如圖4a_圖4f 所示，可以看出在溫升達(dá)到297°C左右的時(shí)候，多孔夾層板4發(fā)生了屈曲。由于制備缺陷的影 響，結(jié)構(gòu)的失效模式為非對(duì)稱的，夾層板4的離面位移并未在中心處產(chǎn)生，而是產(chǎn)生在邊緣 處。
[0035] 實(shí)驗(yàn)例2:
[0036]為使用本發(fā)明提供的試驗(yàn)裝置對(duì)多孔夾層板4的屈曲失效模式進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)3D-DIC測(cè)量得到的屈曲模式可以得出，對(duì)于多孔夾層板4而言，局部屈服及整體屈曲為它的最 主要的熱屈曲失效模式。另外，通過實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，如圖5a_圖5d所示，通過夾持裝置中增加墊塊 3，多孔夾層板4邊緣處未發(fā)現(xiàn)局部塑性變形。因此，成功避免了螺栓1與樣本直接接觸產(chǎn)生 的應(yīng)力集中。
[0037]以上，雖然說明了本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施方式，但是這些實(shí)施方式只是作為例子提出 的，并非用于限定本發(fā)明的范圍。對(duì)于這些新的實(shí)施方式，能夠以其他各種方式進(jìn)行實(shí)施， 在不脫離本發(fā)明的要旨的范圍內(nèi)，能夠進(jìn)行各種省略、置換、及變更。這些實(shí)施方式和其變 形，包含于本發(fā)明的范圍和要旨中的同時(shí)，也包含于權(quán)利要求書中記載的發(fā)明及其均等范 圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多孔夾層板高溫?zé)崆鸁崃虞d試驗(yàn)裝置，其特征在于，包括鑄鐵塊、墊塊和固 定螺栓； 所述鑄鐵塊為環(huán)形片狀結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)，兩個(gè)所述鑄鐵塊層疊設(shè)置； 所述墊塊包括四個(gè)，設(shè)在層疊設(shè)置的兩個(gè)所述鑄鐵塊的夾層內(nèi)，并分設(shè)在所述鑄鐵塊 的四邊;所述鑄鐵塊的中部形成多孔夾層板的設(shè)置空間，所述多孔夾層板的周邊部分與所 述墊塊相互卡固并固定在上下兩個(gè)所述鑄鐵塊之間； 所述固定螺栓包括多個(gè)，將兩個(gè)所述鑄鐵塊與所述墊塊相互連接固定，并將所述多孔 夾層板固定，所述多孔夾層板上設(shè)有試驗(yàn)樣本和應(yīng)變片。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多孔夾層板高溫?zé)崆鸁崃虞d試驗(yàn)裝置，其特征在于， 所述鑄鐵塊的外邊界尺寸為300mmX300mm，所述鑄鐵塊的中部形成的多孔夾層板的固定空 間的面積為200mm X 200mm。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多孔夾層板高溫?zé)崆鸁崃虞d試驗(yàn)裝置，其特征在于， 所述鑄鐵塊的熱膨脹系數(shù)為9.0 X 1(T6/°C。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多孔夾層板高溫?zé)崆鸁崃虞d試驗(yàn)裝置，其特征在于， 熱載荷條件下多孔夾層板的面內(nèi)壓力為：其中aframe5和apane5l分別為夾具與試件的熱膨脹系數(shù)，E(z，T)與y( Z，T)為夾層板結(jié)構(gòu)所用 材料的彈性模量與泊松比，A T為溫度增量。
【文檔編號(hào)】G01N25/00GK106053515SQ201610420752
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月13日
【發(fā)明人】袁武, 宋宏偉, 黃晨光
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院力學(xué)研究所