CN110411769B - 一种带预紧力调节的结构热考核试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带预紧力调节的结构热考核试验装置，属于对带预紧力热密封结构、隔热结构在热变形协调作用下进行结构热考核的试验装置，主要包含加热元件、变形协调板、加载装置、安装调节结构、压力传感器，两个变形协调板左右对称设置，加载装置安装在两个变形协调板的一端，两个变形协调板外侧依次对称设置待考核试验件、承载结构、预紧力施压板，两个预紧力施压板通过安装调节结构压紧，加热元件对待考核试验件进行非接触加热。该种试验方法能够同时实现预紧力施加、变形协调模拟、加热控制的精确模拟考核，适用于高速飞行器带预紧力热密封结构、隔热结构的热考核试验。

Description

一种带预紧力调节的结构热考核试验装置

技术领域

本发明属于热考核试验技术领域，具体涉及一种高速飞行器带预紧力调节的结构热考核试验装置，应用于高超声速飞行器热密封结构、隔热结构等带预紧力结构在变形协调引起的摩擦搓动状态的热考核试验。

背景技术

高速飞行器与其所采用的发动机，因两者的工作环境、材料体系、结构形式均不同，工作状态下的相对变形量较大，两者间会存在较大的变形协调问题。从而要求高速飞行器与发动机之间的连接部位需既能实现变形协调，又能保证可靠的密封、连接。

为实现发动机与飞行器间的变形协调，两者间会设计预留一定的间隙，但是在使役过程中，高温高速的热气流会通过该间隙将热量传递至飞行器低温承载部件，因而需设计高可靠的热密封结构进行缝隙热密封，阻隔间隙漏热，保护飞行器低温承载结构。由于热密封结构的使用环境严苛，且发动机与飞行器的相对变形量较大，因而需要热密封结构具有较好的回弹性，使用中有足够的预压缩量可用于发动机与飞行器间的变形协调，并能够在两者间的摩擦搓动作用下保持良好的高温结构完整性。如图1所示，热密封结构1和飞行器隔热结构3共同处于承载结构2与发动机热结构4、发动机隔热结构5之间，在发动机膨胀导致发动机热结构4、发动机隔热结构5相对承载结构2发生变形时，热密封结构1用于防止发动机热结构4的热量不会传递到承载结构2，保持结构完整。

为实现发动机与飞行器在变形协调状态下的安装连接，除主安装节外，需要发动机辅助安装结构既能够释放两者间的相对变形量，又能够约束限制发动机的过大位移，同时减缓发动机的振动载荷向飞行器传递，实现其与飞行器的连接装配。因而对发动机辅助安装节处的隔热连接结构提出了较高的性能要求，需具有较好的回弹性，保持足够的预紧力，在发动机工作时较强的振动状态下始终保持对其辅助安装节有一定的约束限位作用，同时又具有良好的缓冲减震效果，降低发动机振动响应向飞行器承载结构的传递。如图2所示，隔热结构6处于承载结构2、飞行器隔热结构3、发动机热结构4、承载隔热结构7之间，需要实现承载隔热结构7对发动机热结构4的约束限位作用、承载结构2与发动机热结构4之间的缓冲减震、以及承载隔热结构7与发动机热结构4间的变形协调。

另外，对于飞行器冷、热结构对接部位的结构热密封、隔热性能考核，也存在类似的试验需求。一方面需模拟冷、热结构在工作过程中的变形协调状态，另一方面需精确模拟控制热结构部位的热边界。而传统辐射加热试验采用单侧辐射加热方法进行热考核，既难以模拟热状态下的变形协调状态，又受限于单侧辐射加热手段，存在试件向周边工装的漏热问题，边界效应影响较大，难以准确模拟控制热边界，无法满足上述两方面考核需求。

因而，需设计一种满足带预紧力热密封结构、隔热结构考核需求，能够实现各种热/力载荷、位移边界施加，并能较为精确的模拟边界条件，减小边界效应的试验装置。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种带预紧力调节的结构热考核试验装置，可以对热密封结构、隔热结构在热变形协调作用下进行结构热考核。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案如下：

一种带预紧力调节的结构热考核试验装置，所述结构热考核试验装置左右对称，包括变形协调板、加热元件、加载装置、预紧力施压板、安装调节结构、压力传感器；所述变形协调板为两个，左右对称设置，所述加载装置安装在两个变形协调板的一端；所述两个变形协调板外侧依次对称设置待考核试验件、承载结构、预紧力施压板，两个预紧力施压板通过安装调节结构压紧；所述加热元件设置在两个变形协调板中间对称面上，或者所述加热元件对称设置在两个变形协调板外侧，并在加热元件与待考核试验件之间设置隔热结构；所述压力传感器设置在预紧力施压板和承载结构之间。

进一步的，所述变形协调板为平板结构，加热元件设置在两个变形协调板中间。

进一步的，所述待考核试验件、承载结构、变形协调板形状模拟实际结构形状，所述待考核试验件与承载结构粘接，所述变形协调板外侧设置隔热结构，所述加载装置推动变形协调板和隔热结构一起相对于待考核试验件进行平行位移。

进一步的，所述待考核试验件为L形结构，一直边与结构热考核试验装置对称面平行，另一非直边与形状匹配的承载结构粘接，所述变形协调板为模拟尾喷管角度的斜面结构，斜面外侧设置发动机隔热结构，变形协调板上的支板卡位推动发动机隔热结构相对待考核试验件平行移动，两个加热元件对称夹置于变形协调板和发动机隔热结构之间，所述两个加热元件之间并联连接。

进一步的，所述承载结构与压力传感器之间还设置隔热压板；所述隔热压板为石英纤维增强二氧化硅陶瓷复合材料。

进一步的，所述变形协调板上打孔开槽布置控温传感器。

进一步的，所述两个变形协调板之间填塞辅助隔热结构。

进一步的，所述加热元件为石墨布加热器或平板石墨加热器；所述加载装置力学试验机；所述安装调节结构为螺杆或丝杠机构。

进一步的，所述待考核试验件为热密封结构或隔热结构。

进一步的，所述热密封结构为硅橡胶材料、碳毡复合硅橡胶材料或者耐高温纤维毡材料；所述变形协调板为陶瓷材料、纤维增强陶瓷复合材料或耐高温金属材料。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)本发明提出的一种带预紧力调节的结构热考核试验装置实现了加热条件下的变形协调，实现了热载荷和位移边界的协调施加与控制，且同步实现了预紧力的模拟与控制，应用便捷。

(2)本发明通过试验件及试验装置的对称结构设计，消除了加热边界效应影响，加热边界条件模拟精确，温控精度较高。

(3)本发明通过预紧力、试验件相对位移的测量反馈、调节控制、协调施加，实现了各试验状态参数的精确控制，易于实现。

(4)本发明可根据实际结构应用状态适应性调整，仅需遵循加热元件对称布置原则即可，可设计性和可扩展性强。

本发明实现了加热条件下的变形协调和预紧力的精确控制，可为类似的带预紧力热密封结构、隔热结构等提供了一种便于实现和控制的热考核试验手段。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为典型发动机与飞行器之间热密封结构示意图；

图2为典型发动机与飞行器之间隔热连接结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种带预紧力隔热结构热考核试验装置原理图；

图4是本发明实施例提供的一种带预紧力热密封结构热考核试验装置示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、热密封结构，2、承载结构，3、飞行器隔热结构，4、发动机热结构，5、发动机隔热结构，6、隔热结构，7、承载隔热结构，8、变形协调板，9、加热元件，10、加载装置，11、预紧力施压板，12、安装调节结构，13、压力传感器，14、辅助隔热结构，15、隔热压板，16、控温传感器。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。

在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

本发明提供了一种对带预紧力热密封结构、隔热结构在热变形协调作用下进行结构热考核的试验装置——带预紧力调节的结构热考核试验装置。

为简化模拟边界，便于实现变形协调下的预紧力施加控制，将待考核试验件设计成两个形状相同的对称结构，待考核试验件可以为矩形、L形等不同形状。对于矩形等简单规则形状的待考核试验件，可以在对称面上设置加热元件对试验件进行加热。若受限于待考核试验件的实际结构形式，需将加热元件布置于非对称面处，则需采用两个加热元件，且两者关于对称面对称布置，并将两者并联接入加热控制***，同时进行温度控制。加热元件通过非接触方式为待考核试验件加热，必要时可以在加热元件与待考核试验件之间设置隔热结构。

在实际应用中试验件待考核的一侧一般都是直边结构，在进行热考核试验时，待考核试验件左右对称设置，待考核的两条直边结构关于对称面平行，便于通过加载装置施加位移变形。

实施例1一种带预紧力调节的隔热结构热考核试验装置

一种带预紧力调节的隔热结构热考核试验装置，结构左右对称，主要包括待考核预压缩隔热结构6、变形协调板8、加热元件9、加载装置10、预紧力施压板11、安装调节结构12、压力传感器13、承载结构2等，如图3所示。

两个变形协调板8左右对称设置，加载装置10安装在两个变形协调板8的同一端进行加持固定，加热元件9设置在两个变形协调板8中间；两个变形协调板8外侧依次设置待考核预压缩隔热结构6、承载结构2、预紧力施压板11，两个预紧力施压板11通过安装调节结构12压紧。两侧预紧力施压板11向内压紧，通过预紧力施压板11给待考核预压缩隔热结构6施加预紧力，加载装置10推动对称的两片变形协调板8带动加热元件9一起实现相对于待考核预压缩隔热结构6的相对位移。压力传感器13安装在预紧力施压板11和承载结构2之间，反馈控制预紧力的大小。

在本实施例中，变形协调板8为平板结构，加热元件9直接设置在两个变形协调板8中间。

两个预紧力施压板11的四个端角通过安装调节结构12压紧，安装调节结构12与其他部件无接触、连接。

待考核预压缩隔热结构6与承载结构2粘接，与实际安装方式一致，保证变形协调板8与待考核预压缩隔热结构6的相对位移与实际情况一致。

本发明为模拟结构间的变形协调效果，采用变形协调板8来实现位移的施加及控制。将变形协调板8布置于加热元件9和待考核预压缩隔热结构6之间，试验中通过加载装置10推动对称的两片变形协调板8带动加热元件9一起实现相对于待考核预压缩隔热结构6的相对位移。预紧力通过预紧力施压板11施加，通过安装调节结构12调节两片预紧力施压板11之间的距离，通过放置于预紧力施压板11和承载结构2之间的压力传感器反馈控制预紧力的大小。

实施例2带预紧力调节的热密封结构热考核试验

一种带预紧力调节的热密封结构热考核试验装置，主要包括待考核预压缩热密封结构1、变形协调板8、加热元件9、加载装置10、预紧力施压板11、安装调节结构12、压力传感器13、承载结构2、辅助隔热结构14、隔热压板15、控温传感器16，如图4所示，变形协调板8、加载装置10、预紧力施压板11、安装调节结构12、压力传感器13的相对位置与实施例1基本相同，区别在于变形协调板8、预紧力施压板11之间其他部件有所不同。

在本实施例中，待考核预压缩热密封结构1为L形结构，模拟实际应用中的结构形式，待考核预压缩热密封结构1非直边与形状匹配的承载结构2粘接，一条直边与热考核试验装置对称面平行。变形协调板8模拟实际发动机尾喷管结构形式，设计为模拟尾喷管角度的斜面结构，承载结构2与变形协调板8之间按照实际结构填充发动机隔热结构5、飞行器隔热结构3。

待考核预压缩热密封结构1一般为压缩回弹性良好、耐温性满足使用要求、隔热性能良好的热密封材料，如硅橡胶材料、碳毡复合硅橡胶材料、耐高温纤维毡材料等。

变形协调板8的主要作用一是实现结构热变形协调时的位移模拟，二是打孔开槽布置控温传感器16反馈温度实现加热控制。变形协调板8可采用耐高温、热导率较高、力学性能满足加载使用要求的陶瓷材料、纤维增强陶瓷复合材料、耐高温金属材料等。变形协调板8斜面中部开孔用于引线粘接控温传感器16。

加热元件9要求结构形式简单，体积较小，可采用如石墨布加热器、平板石墨加热器等。加热元件9夹置于变形协调板8和发动机隔热结构5之间。两个加热元件9之间为并联连接，通过加热控制***实现温度控制。本实施例中，加热元件9为石墨布加热器。

加载装置10用于对变形协调板8施加位移以模拟结构热变形协调时的摩擦搓动，可采用力学试验机等类似设备作为加载装置10。

安装调节结构12主要功能为调节两片预紧力施压板11之间的距离，可采用螺杆、丝杠等类似机构来实现。

本实施例中，为保护压力传感器13不因温度过高而损坏，在承载结构2外部增加了隔热压板15，采用承载、隔热性能均较好的石英纤维增强二氧化硅陶瓷复合材料。

另外，本实施例中，发动机隔热结构5为模拟尾喷管外部包裹的隔热层结构，通过变形协调板8上的支板卡位推动其跟随变形协调板8一起移动，实现位移模拟；飞行器隔热结构3为模拟承载结构2上的被动隔热层，粘接于承载结构2上；辅助隔热结构14为填塞于两个变形协调板8之间的隔热结构，用以保护控温传感器16引出导线。同时，待考核预压缩热密封结构1、承载结构2、飞行器隔热结构3、隔热压板15之间均可通过粘接进行固定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种带预紧力调节的结构热考核试验装置，包括加热元件，其特征在于，所述结构热考核试验装置左右对称，还包括变形协调板、加载装置、预紧力施压板、安装调节结构、压力传感器；

所述变形协调板为两个，左右对称设置，所述加载装置安装在两个变形协调板的一端；所述两个变形协调板外侧依次对称设置待考核试验件、承载结构、预紧力施压板，两个预紧力施压板通过安装调节结构压紧；

所述加热元件设置在两个变形协调板中间对称面上，或者所述加热元件对称设置在两个变形协调板外侧，并在加热元件与待考核试验件之间设置隔热结构；

所述压力传感器设置在预紧力施压板和承载结构之间。

2.根据权利要求1所述的结构热考核试验装置，其特征在于，所述变形协调板为平板结构，加热元件设置在两个变形协调板中间。

3.根据权利要求1所述的结构热考核试验装置，其特征在于，所述待考核试验件、承载结构、变形协调板形状模拟实际结构形状，所述待考核试验件与承载结构粘接，所述变形协调板外侧设置隔热结构，所述加载装置推动变形协调板和隔热结构一起相对于待考核试验件进行平行位移。

4.根据权利要求3所述的结构热考核试验装置，其特征在于，所述待考核试验件为L形结构，一直边与结构热考核试验装置对称面平行，另一非直边与形状匹配的承载结构粘接，所述变形协调板为模拟尾喷管角度的斜面结构，斜面外侧设置发动机隔热结构，变形协调板上的支板卡位推动发动机隔热结构相对待考核试验件平行移动，两个加热元件对称夹置于变形协调板和发动机隔热结构之间，所述两个加热元件之间并联连接。

5.根据权利要求1所述的结构热考核试验装置，其特征在于，所述承载结构与压力传感器之间还设置隔热压板；所述隔热压板为石英纤维增强二氧化硅陶瓷复合材料。

6.根据权利要求1所述的结构热考核试验装置，其特征在于，所述变形协调板上打孔开槽布置控温传感器。

7.根据权利要求6所述的结构热考核试验装置，其特征在于，所述两个变形协调板之间填塞辅助隔热结构。

8.根据权利要求1所述的结构热考核试验装置，其特征在于，所述加热元件为石墨布加热器或平板石墨加热器；所述加载装置力学试验机；所述安装调节结构为螺杆或丝杠机构。

9.根据权利要求1所述的结构热考核试验装置，其特征在于，所述待考核试验件为热密封结构或隔热结构。

10.根据权利要求9所述的结构热考核试验装置，其特征在于，所述热密封结构为硅橡胶材料、碳毡复合硅橡胶材料或者耐高温纤维毡材料；所述变形协调板为陶瓷材料、纤维增强陶瓷复合材料或耐高温金属材料。

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