CN108844883A - 一种用于复合材料湿热力学性能测试的环境模拟装置 - Google Patents

Abstract

一种用于复合材料湿热力学性能测试的环境模拟装置，由水冷式阻热器、耐高温的机械式槽型夹具、高温环境箱、耐高温的柔性保湿盒、温控补水箱以及液体温控器组成。液体温控器的进、出水管分别与水冷式阻热器以及温控补水箱相连，实现水冷式阻热器的降温以及温控补水箱内的水温调节。耐高温的柔性保湿盒将含湿复合材料试样的工作段密封包裹，实现试样的保湿。耐高温的机械式槽型夹具一端安装在水冷式阻热器上，另一端通过螺栓的预紧力夹持装有保湿盒的含湿试样。高温环境箱将夹具及其夹持的试样密封包容，实现高温环境的密闭和保温。本发明的环境模拟装置通过合理的配合和连接，可有效地实现复合材料湿热力学性能测试的的试验环境模拟。

Description

一种用于复合材料湿热力学性能测试的环境模拟装置

技术领域

本发明涉及一种用于复合材料湿热力学性能测试的环境模拟装置，属于试验测试技术领域。

背景技术

对于服役于沿海地区的飞机和海面舰艇，湿热环境引起的复合材料力学性能退化是影响复合材料结构安全性的重要问题。在温度和湿度的联合作用下，复合材料基体发生软化，基体和纤维的界面相因为水分的渗入而出现粘结力下降，从而严重降低复合材料结构的静强度和疲劳寿命，因此，需要测定复合材料在湿热环境下的力学性能(包括基本力学性能和疲劳性能)，评估湿热环境对复合材料力学性能的影响。但是，复合材料湿热力学性能测试技术的难点在于环境模拟，目前，复合材料湿热力学性能测试的环境模拟技术尚不成熟，为此，发明了一种用于复合材料湿热力学性能测试的环境模拟装置，由水冷式阻热器、耐高温的机械式槽型夹具、高温环境箱、耐高温的柔性保湿盒、温控补水箱以及液体温控器组成，可精确、有效地实现复合材料湿热力学性能测试的试验环境模拟，为复合材料湿热力学性能测试提供技术支持和手段。

发明内容

1、目的：本发明的目的在于提供一种用于复合材料湿热力学性能测试的环境模拟装置，用于湿热环境下的复合材料力学性能测试。

2、技术方案：本发明一种用于复合材料湿热力学性能测试的环境模拟装置，由水冷式阻热器、耐高温的机械式槽型夹具、高温环境箱、耐高温的柔性保湿盒、温控补水箱以及液体温控器组成。它们之间的连接关系如下：液体温控器的2对进、出水管分别与上、下水冷式阻热器相连，利用冷却水对阻热器进行降温，另外1对进、出水管以及1根信号线与温控补水箱相连，实现温控补水箱内的水温自动调节；耐高温的机械式槽型夹具一端通过螺纹与水冷式阻热器相连，另一端在螺栓的预紧力作用下通过夹持面夹持含湿复合材料试样两端；耐高温的柔性保湿盒将含湿复合材料试样的工作段密封包裹，保湿盒内含有与试验测试温度相同的去离子水，以实现试样的保湿；温控补水箱安装于高温环境箱上方，其下表面开孔通过橡胶水管穿过高温环境箱与耐高温的柔性保湿盒相连，其侧表面的1对进、出水管以及1根信号线与液体温控器相连，以实现试验过程中柔性保湿盒的补水以及温控补水箱内水温的PID控制；高温环境箱将耐高温的机械式槽型夹具的夹头、含湿复合材料试样以及耐高温的柔性保湿盒密封包容，实现高温环境的密闭和保温。通过以上各个部分的集成，本试验装置可模拟适用于复合材料湿热力学性能测试的试验环境。

所述的液体温控器由液泵、冷凝器、压缩机、风机、电加热***等组成。在试验***中液体温控器分别与上、下水冷式阻热器和温控补水箱相连。一方面，液体温控器通过2对进、出水橡胶导管分别连接上、下水冷式阻热器，形成进、出水循环，利用冷凝器冷却循环水，以实现水冷式阻热器的降温，这样的冷却方式简便、高效。另一方面，液体温控器通过1对进、出水橡胶导管以及1根信号线连接温控补水箱。通过接收来自温控补水箱温度传感器发出的测温信号，采用PID控制实时调节(加热或冷却)进、出水管内循环水的水温，进而调节温控补水箱内的水温至试验设定温度，这样的控温方式可使试验件工作段的浸泡水温与试验设定温度保持一致，保证了试验测试环境的精确性。

所述的水冷式阻热器由高强度合金钢制成，其内部埋有螺旋式耐高温塑料水管。水冷式阻热器一端通过螺纹与试验机固定连接，另一端再通过螺纹与机械式槽型夹具固定连接。内埋螺旋式水管可有效地增加冷却面积，提高冷却效率。依靠内埋螺旋式水管内的冷却循环水，水冷式阻热器可有效阻断高温环境箱中的热量沿耐高温的机械式槽型夹具扩散至试验机的力传感器，这保障了力传感器的读数准确，进而保证了试验测试精度。

所述的耐高温的机械式槽型夹具由高强度合金钢制成，包含槽型夹头和夹具杆两部分。槽型夹头表面加工有四个螺纹孔，上下、左右对称分布在夹头的中心四周，夹头根部加工有椭圆形截面开槽，这削弱了夹头根部的刚度，降低了拧紧螺栓所需的力矩，便于夹持面与试验件充分接触，还可防止夹头因为热膨胀而引入多余热应力。耐高温的机械式槽型夹具穿过高温环境箱的顶部或底部开口后，夹具杆底端通过螺纹与水冷式阻热器固定连接。含湿复合材料试样***夹具的安装槽后，通过螺栓预紧力夹紧夹头的夹持面，从而夹持试样。这种夹持方式夹持稳固，夹持力均匀，可保证试验载荷施加的精度。此外，耐高温的机械式槽型夹具不需要螺母等配件，在试样装卸时更简便，提高了试验测试效率。

所述的耐高温的柔性保湿盒由耐高温、防水及导热性能好的树脂材料制成。耐高温的柔性保湿盒内含有与试验测试温度相同的去离子水，以实现试样的保湿。含湿复合材料试样通过安装孔***保湿盒，将试样工作段置于保湿盒内部，并使试样两侧夹持端暴露于保湿盒外侧。在安装孔外侧与试样连接处粘黏耐高温、防水性能好的胶泥，防止试样内部的水分从安装孔向外流失。由于保湿盒材料的防水性能好，在试验过程中保湿盒可以有效地锁住试样内部的水分，防止试样在试验过程中脱湿从而影响试验结果的准确性；由于保湿盒材料的传热性能好，高温环境箱可以迅速将环境温度通过柔性保湿盒传到试样内部，减少了试验前期的保温时间，并保证了试验过程中的试验温度；由于保湿盒材料良好的柔性，在试验过程中，保湿盒不会约束试样的变形，更不会因为试样的变形而发生撕裂。另外，耐高温的柔性保湿盒上表面开孔处通过橡胶水管与温控补水箱相连，以保障试验过程中试样的含湿量。

所述的温控补水箱由耐高温树脂材料制成，其箱体结构侧面及底面共有3个开孔。侧面2处开孔通过1对进、出水管与液体温控器相连，以实现补水箱内的水温调节。底面开孔通过1根水管与耐高温的柔性保湿盒相连，以实现试样浸泡环境的补水。温控补水箱上安装有测温传感器，通过1根信号线与液体温控器相连，可实时检测补水箱内的水温，并将信号反馈给液体温控器，实现水温的PID控制。

所述的高温环境箱由高速电加热器、温度控制器、测温传感器、风扇等组成。高温环境箱体内壁埋有纤维棉保温层，箱门边缘装有耐高温的硅橡胶密封圈，这保证了高温环境箱内部的保温。在升温阶段，高速电加热器可以将环境箱内空气迅速升温，风扇将高温空气吹散至环境箱各个位置，确保环境箱内的温度均匀。由测温传感器、温度控制器以及高速电加热器组成了PID控制***，可实时自动调节环境箱内温度至指定试验温度。此外，箱门上设有耐高温的特种玻璃窗口，可以清晰有效地观测复合材料湿热力学性能测试中的试验现象。

3、优点及功效：本发明的环境模拟装置通过各子***间的合理配合和连接，可简便、实用、精确地实现复合材料湿热力学性能测试的试验环境模拟，为复合材料湿热力学性能测试提供技术支持和手段。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明进一步说明：

图1是液体温控器示意图；

图2是水冷式阻热器示意图；

图3是耐高温的机械式槽型夹具示意图；

图4是耐高温的柔性保湿盒示意图；

图5是温控补水箱示意图；

图6是含湿复合材料试样示意图；

图7是用于复合材料湿热力学性能测试的环境模拟装置示意图。

图7中：部件1为水冷式阻热器，部件2为耐高温的机械式槽型夹具，部件3为高温环境箱，部件4为耐高温的柔性保湿盒，部件5为含湿复合材料试样，部件6为温控补水箱，部件7为液体温控器。

具体实施方式

结合图1至图7说明本发明的具体实施方式：

本发明为一种用于复合材料湿热力学性能测试的环境模拟装置，由水冷式阻热器、耐高温的机械式槽型夹具、高温环境箱、耐高温的柔性保湿盒、温控补水箱以及液体温控器组成。在图7中，液体温控器7的2对进、出水管分别与上、下水冷式阻热器1相连，利用冷却水对水冷式阻热器1进行降温，另外1对进、出水管以及1根信号线与温控补水箱6相连，实现温控补水箱内的水温自动调节；耐高温的机械式槽型夹具2一端通过螺纹与水冷式阻热器1相连，另一端在螺栓的预紧力作用下通过夹持面夹持含湿复合材料试样5两端；耐高温的柔性保湿盒4将含湿复合材料试样5的工作段密封包裹，保湿盒内含有与试验测试温度相同的去离子水，以实现试样的保湿；温控补水箱6安装于高温环境箱上方，其下表面开孔通过橡胶水管穿过高温环境箱3与耐高温的柔性保湿盒4相连，其侧表面的1对进、出水管以及1根信号线与液体温控器7相连，以实现试验过程中柔性保湿盒4的补水以及温控补水箱6内水温的PID控制；高温环境箱3将耐高温的机械式槽型夹具2的夹头、含湿复合材料试样5以及耐高温的柔性保湿盒4密封包容，实现高温环境的密闭和保温。通过以上各个部分的集成，本试验装置可模拟适用于复合材料湿热力学性能测试的试验环境。

Claims (1)

1.一种用于复合材料湿热力学性能测试的环境模拟装置，其特征在于：由水冷式阻热器、耐高温的机械式槽型夹具、高温环境箱、耐高温的柔性保湿盒、温控补水箱以及液体温控器组成。它们之间的连接关系如下：液体温控器的2对进、出水管分别与上、下水冷式阻热器相连，利用冷却水对阻热器进行降温，另外1对进、出水管以及1根信号线与温控补水箱相连，实现温控补水箱内的水温自动调节；耐高温的机械式槽型夹具一端通过螺纹与水冷式阻热器相连，另一端在螺栓的预紧力作用下通过夹持面夹持含湿复合材料试样两端；耐高温的柔性保湿盒将含湿复合材料试样的工作段密封包裹，保湿盒内含有与试验测试温度相同的去离子水，以实现试样的保湿；温控补水箱安装于高温环境箱上方，其下表面开孔通过橡胶水管穿过高温环境箱与耐高温的柔性保湿盒相连，其侧表面的1对进、出水管以及1根信号线与液体温控器相连，以实现试验过程中柔性保湿盒的补水以及温控补水箱内水温的PID控制；高温环境箱将耐高温的机械式槽型夹具的夹头、含湿复合材料试样以及耐高温的柔性保湿盒密封包容，实现高温环境的密闭和保温。通过以上各个部分的集成，本试验装置可模拟适用于复合材料湿热力学性能测试的试验环境。

所述的液体温控器由液泵、冷凝器、压缩机、风机、电加热***等组成。在试验***中液体温控器分别与上、下水冷式阻热器和温控补水箱相连。一方面，液体温控器通过2对进、出水橡胶导管分别连接上、下水冷式阻热器，形成进、出水循环，利用冷凝器冷却循环水，以实现水冷式阻热器的降温，这样的冷却方式简便、高效。另一方面，液体温控器通过1对进、出水橡胶导管以及1根信号线连接温控补水箱。通过接收来自温控补水箱温度传感器发出的测温信号，采用PID控制实时调节(加热或冷却)进、出水管内循环水的水温，进而调节温控补水箱内的水温至试验设定温度，这样的控温方式可使试验件工作段的浸泡水温与试验设定温度保持一致，保证了试验测试环境的精确性。

所述的水冷式阻热器由高强度合金钢制成，其内部埋有螺旋式耐高温塑料水管。水冷式阻热器一端通过螺纹与试验机固定连接，另一端再通过螺纹与机械式槽型夹具固定连接。内埋螺旋式水管可有效地增加冷却面积，提高冷却效率。依靠内埋螺旋式水管内的冷却循环水，水冷式阻热器可有效阻断高温环境箱中的热量沿耐高温的机械式槽型夹具扩散至试验机的力传感器，这保障了力传感器的读数准确，进而保证了试验测试精度。

所述的耐高温的机械式槽型夹具由高强度合金钢制成，包含槽型夹头和夹具杆两部分。槽型夹头表面加工有四个螺纹孔，上下、左右对称分布在夹头的中心四周，夹头根部加工有椭圆形截面开槽，这削弱了夹头根部的刚度，降低了拧紧螺栓所需的力矩，便于夹持面与试验件充分接触，还可防止夹头因为热膨胀而引入多余热应力。耐高温的机械式槽型夹具穿过高温环境箱的顶部或底部开口后，夹具杆底端通过螺纹与水冷式阻热器固定连接。含湿复合材料试样***夹具的安装槽后，通过螺栓预紧力夹紧夹头的夹持面，从而夹持试样。这种夹持方式夹持稳固，夹持力均匀，可保证试验载荷施加的精度。此外，耐高温的机械式槽型夹具不需要螺母等配件，在试样装卸时更简便，提高了试验测试效率。

所述的耐高温的柔性保湿盒由耐高温、防水及导热性能好的树脂材料制成。耐高温的柔性保湿盒内含有与试验测试温度相同的去离子水，以实现试样的保湿。含湿复合材料试样通过安装孔***保湿盒，将试样工作段置于保湿盒内部，并使试样两侧夹持端暴露于保湿盒外侧。在安装孔外侧与试样连接处粘黏耐高温、防水性能好的胶泥，防止试样内部的水分从安装孔向外流失。由于保湿盒材料的防水性能好，在试验过程中保湿盒可以有效地锁住试样内部的水分，防止试样在试验过程中脱湿从而影响试验结果的准确性；由于保湿盒材料的传热性能好，高温环境箱可以迅速将环境温度通过柔性保湿盒传到试样内部，减少了试验前期的保温时间，并保证了试验过程中的试验温度；由于保湿盒材料良好的柔性，在试验过程中，保湿盒不会约束试样的变形，更不会因为试样的变形而发生撕裂。另外，耐高温的柔性保湿盒上表面开孔处通过橡胶水管与温控补水箱相连，以保障试验过程中试样的含湿量。

所述的温控补水箱由耐高温树脂材料制成，其箱体结构侧面及底面共有3个开孔。侧面2处开孔通过1对进、出水管与液体温控器相连，以实现补水箱内的水温调节。底面开孔通过1根水管与耐高温的柔性保湿盒相连，以实现试样浸泡环境的补水。温控补水箱上安装有测温传感器，通过1根信号线与液体温控器相连，可实时检测补水箱内的水温，并将信号反馈给液体温控器，实现水温的PID控制。

所述的高温环境箱由高速电加热器、温度控制器、测温传感器、风扇等组成。高温环境箱体内壁埋有纤维棉保温层，箱门边缘装有耐高温的硅橡胶密封圈，这保证了高温环境箱内部的保温。在升温阶段，高速电加热器可以将环境箱内空气迅速升温，风扇将高温空气吹散至环境箱各个位置，确保环境箱内的温度均匀。由测温传感器、温度控制器以及高速电加热器组成了PID控制***，可实时自动调节环境箱内温度至指定试验温度。此外，箱门上设有耐高温的特种玻璃窗口，可以清晰有效地观测复合材料湿热力学性能测试中的试验现象。