体积力-面力-温度耦合下材料力学性能测试的施力装置的制作方法

本发明涉及材料力学性能测试技术领域，尤其涉及一种体积力-面力-温度耦合下材料力学性能测试的施力装置。

背景技术：

高压涡轮工作叶片作为航空发动机和燃气轮机热端部件关键组成部分之一，服役时长期工作在高温、高压、高转速、交变负载等耦合加载条件下，是发动机中工作条件最恶劣的转动部件，其使用可靠性直接影响整机性能。服役时涡轮工作叶片绕发动机轴线高速旋转，其作用是利用燃气膨胀做功，将燃气的位能和热能转换为转子的机械功，所以服役过程中涡轮工作叶片主要承受离心载荷、热载荷、气动载荷和振动载荷的耦合作用。离心载荷产生的离心应力，属于体积力，使积叠线与径向线不完全重合的弯扭结构叶片，同时产生径向拉应力、扭转应力和弯曲应力。热载荷产生的热应力与几何约束密切相关，几何约束越多，热应力越大。气动载荷产生的气动力，是一种表面分布压力，属于面积力，作用在叶片各个表面，沿叶高和叶宽方向呈不均匀分布。因此，涡轮工作叶片在径向拉应力、扭转应力、弯曲应力和热应力的耦合作用下同时发生剪切变形、拉伸变形和扭曲变形，这显然不同于实验室单轴应力状态下的变形行为。

但目前航空发动机涡轮叶片用材的性能数据主要来自实验室标准试件的力学性能数据。虽然标准试件力学性能数据在一定程度上能为叶片强度设计提供实验依据，但与实际叶片相比，标准试件在性能测试过程中无法综合反映离心载荷-热载荷耦合条件对叶片微观组织和裂纹扩展路径的影响。所以，现有技术缺少了能根据发动机叶片工况环境测试材料的力学性能的装置和方式。

技术实现要素：

本发明需要解决的是针对上述超重力、高温试验条件下体积力-面力-温度耦合作用下材料性能测试的问题，提供一种装配简单、使用方便、安全系数高，且可用于超重力工况的力学性能测试用的施力装置。

本发明将为高转速-高温耦合环境下材料性能测试提供一种体积力-面力-温度耦合下材料力学性能测试的施力装置，解决高速旋转状态下材料高温力学性能测试的关键难题。利用该装置，借助超重力环境下，可以实时获得体积力-面力-温度耦合环境下材料力学性能数据。

本发明采用的技术方案是：

所述的施力装置置于超重力试验舱中，所述的施力装置包括拉杆、固线装置、夹头、热电偶、试件、紧缩螺母和面力加载块；拉杆的顶端与超重力试验舱的承力架相连，拉杆主要用来承受材料性能测试过程中体积力和面力耦合作用产生的拉应力；拉杆底端经夹头和试件上端相连，试件为待测试材料力学性能的样品；试件下端设有外螺纹，试件下端的外螺纹旋入到面积加载块的螺纹孔中并通过紧缩螺母紧固连接；面积加载块具体为带有可调节自身重量的块结构，通过不同重量的面积加载块结合离心机不同转速的离心力对试件施加不同面力；面力加载块下端面放置在缓冲装置上，缓冲装置置于超重力试验舱的底部；三根热电偶的探测端焊接在试件的不同位置处，应变片安装在焊接在试件上，三根热电偶和应变片的输出端由导线引出连接到外部的信号采集器，拉杆中部安装有多个固线装置，导线经固线装置引出并固定位置。

所述的夹头上端面和下端面设有螺纹孔，拉杆底端的外螺纹旋入连接到的夹头上端面的螺纹孔中，试件上端也有外螺纹，试件上端的外螺纹旋入连接到的夹头上端面的螺纹孔中。

所述的拉杆顶端设有外凸缘，外凸缘上开设有用于连接材料力学性能试验舱承力装置的固定螺孔，螺栓穿过固定螺孔将拉杆顶端固定于材料力学性能试验舱的承力装置。

所述的固线装置包括第一固定环、第二固定环、固定瓷座和瓷座保护件；第一固定环和第二固定环均具有半圆缺口，第一固定环和第二固定环半圆缺口之间对接形成套装在拉杆外的圆形口；瓷座保护件通过螺栓固定于第二固定环侧面，瓷座保护件和第二固定环之间夹装有固定瓷座，固定瓷座上开设有用于热电偶和应变片的输出导线贯穿的孔。

所述的施力装置置于离心机的超重力环境中。

所述的超重力实验舱内还安装有高温炉、承力架、信号采集器和布线架，在高温炉内腔底部放置缓冲装置，在高温炉内腔顶部放置承力架，在高温炉内腔的承力架和缓冲装置之间放置所述施力装置；信号采集器输出的导线通过布线架与弱信号导离心机主轴导离心机主轴导电滑环连接，再与地面测控中心连接；高温炉设置有三路强电独立回路，三路强电独立回路控制加热内部不同区域的发热体进行高温加热，将地面三个强电独立回路通过离心机主轴导离心机主轴导离心机主轴导电滑环接入超重力实验舱的布线架。

本发明的有益效果是：

本发明在超重力环境下使用的施力装置，可用于测试体积力-面力-温度耦合环境下材料力学性能，可有效解决超重力、面力、高温试验条件下材料力学性能测试难的问题，具有结构简单，操作方案且安全系数较高的优点。该装置适合1g-2000g超重力环境下，温度从室温-1250℃。

附图说明

图1是施力装置主视图；

图2是拉杆的结构三视图；

图3是固线装置的示意图。

图4为本发明超重力环境力学性能测试系统的结构示意图。

图中：拉杆1、固线装置2、夹头3、热电偶4、试件5、紧缩螺母6、面力加载块7；2-1.固定螺孔；3-1.第一固定环；3-2第二固定环；3-3固定瓷座；3-4瓷座保护件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，施力装置置于超重力试验舱中，施力装置包括拉杆1、固线装置2、夹头3、热电偶4、试件5、紧缩螺母6和面力加载块7；拉杆1的顶端与超重力试验舱的承力架相连，拉杆1主要用来承受材料性能测试过程中体积力和面力耦合作用产生的拉应力；拉杆1底端经夹头3和试件5上端相连，用来固定试件5，试件5为待测试材料力学性能的样品。

试件5下端设有外螺纹，试件5下端的外螺纹旋入到面积加载块7的螺纹孔中并通过紧缩螺母6紧固连接，通过紧缩螺母6连接试件5和面力加载块7，紧缩螺母6用来连接试件5和面力加载块7；面积加载块7具体为带有可调节自身重量的块结构，面积加载块7是在超重力环境下通过自身重量产生的离心力给试件5施加面力，通过不同重量的面积加载块7结合离心机不同转速的离心力对试件5施加不同面力；面力加载块7下端面放置在缓冲装置上，缓冲装置置于超重力试验舱的底部，具体实施的缓冲装置采用缓冲块，缓冲装置防止力学性能测试过程中试件5断裂对试件舱产生破坏；三根热电偶4的探测端焊接在试件5的不同位置处，用来测试试件5的实验温度，应变片安装在焊接在试件5上，热电偶4和应变片用来测试实验温度和应变，三根热电偶4和应变片的输出端由导线引出连接到外部的信号采集器，拉杆1中部安装有多个固线装置2，导线经固线装置2引出并固定位置。

夹头3上端面和下端面设有螺纹孔，拉杆1底端的外螺纹旋入连接到的夹头3上端面的螺纹孔中，试件5上端也有外螺纹，试件5上端的外螺纹旋入连接到的夹头3上端面的螺纹孔中，从而使得拉杆1底端经夹头3和试件5上端相连。夹头3用来固定试件5，主要用来承受材料性能测试过程中体积力和面力耦合作用产生的拉应力。

如图2所示，拉杆1顶端设有外凸缘，外凸缘上开设有用于连接材料力学性能试验舱承力装置的固定螺孔2-1，螺栓穿过固定螺孔2-1将拉杆1顶端固定于材料力学性能试验舱的承力装置。

如图3所示，固线装置2包括第一固定环3-1、第二固定环3-2、固定瓷座3-3和瓷座保护件3-4；第一固定环3-1和第二固定环3-2均具有半圆缺口，第一固定环3-1和第二固定环3-2半圆缺口之间对接形成套装在拉杆1外的圆形口，拉杆1为圆柱杆；瓷座保护件3-4通过两侧的螺栓固定于第二固定环3-2侧面，瓷座保护件3-4和第二固定环3-2之间夹装有固定瓷座3-3，螺栓也穿过固定瓷座3-3，固定瓷座3-3上开设有用于热电偶4和应变片的输出导线贯穿的孔。

固线装置2用来固定热电偶和应变片的延长导线，防止他们在力学测试过程中断裂。

施力装置置于离心机的超重力环境中。超重力试验舱为超重力环境下材料力学性能试验舱，置于离心机的吊篮中。

如图4所示，具体实施超重力实验舱内还安装有高温炉、承力架、信号采集器和布线架，在高温炉内腔底部放置缓冲装置，在高温炉内腔顶部放置承力架，在高温炉内腔的承力架和缓冲装置之间放置施力装置；信号采集器输出的导线通过布线架与弱信号导离心机主轴导离心机主轴导电滑环连接，再与地面测控中心连接；高温炉设置有三路强电独立回路，三路强电独立回路控制加热内部不同区域的发热体18进行高温加热，将地面三个强电独立回路通过离心机主轴导离心机主轴导离心机主轴导电滑环接入超重力实验舱的布线架；离心机主轴导离心机主轴导离心机主轴导电滑环和供电柜连接。即通过布线架，将第一个强电独立回路和高温炉上加热区连接，将第二个强电独立回路和高温炉中加热区连接，将第三个强电独立回路和高温炉下加热区连接。

具体实施中，将控制高温炉的三个独立控温温度延长导线接入信号采集器，信号采集器将接受的温度信号，从模拟信号转变为数字信号；数字信号通过布线架与信号滑环连接，再与地面测控中心连接。

本发明装置的力学性能测试工作过程如下：

第一步：用夹头3将试件5连接到拉杆1下端，将热电偶4和应变片焊接在试件5上；

第二步：然后将超重力实验舱置于离心机的吊篮中，在超重力实验舱内放置高温炉，高温炉内腔底部放置缓冲装置，在高温炉内腔顶部放置承力架，在高温炉内腔的承力架和缓冲装置之间放置施力装置，安装上需要加热的试件5；

第三步：将焊接在试件5表面测温的热电偶的导线和信号采集器连接，信号采集器将接收温度和应变的模拟信号，并将模拟信号转变为数字信号；

第四步：地面三个强电独立回路分别连接到高温炉的上、中、下加热区，使得高温炉上、中、下三个加热区分别独立加热，在不同的加热区设置不同的加热温度；

第五步：离心机转轴上安装转速计，将安装在离心机转轴上的转速计信号线与弱信号导离心机主轴导离心机主轴导电滑环连接，利用加热装置上三个热电偶控制高温炉的实时温度和加热速率，利用转速计控制离心机转速，利用以下公式计算施加在试件5上的应力F：

F＝m·a＝m·R(2πN/60)²

其中，m为试件5的质量；a为离心加速度，R为试件5到离心机转轴轴线的有效距离；N为离心机的转速。

本发明在试件测试过程中，试件受力状态为：同时受到温度，自重产生的离心应力和面力加载块产生的面力。

本发明的特点：

1)通过焊接在试件工作段的应变片，能实时获得试件在受力状态下的应力-应变曲线，进而能测试获得离心力-高温耦合作用下材料的动态应力-应变曲线，获得材料力学性能结果；

2)实验过程中离心力可以通过控制转速动态变化，进而能施加在试件上的面力；

3)通过改变面力加载块重量，改变施加在试件上的面力；

4)通过热电偶能独立控制加热装置三区不同的温度，实现均温加热或梯度加热，进而能根据需要设置试件5的温度分布。

本发明装配简单、使用方便，通过热电偶和应变片能实时获得样品表面的温度和应力变化，有效解决了在超重力环境下无法进行材料力学性能测试的难题。本发明适合1g-2000g超重力环境下，温度从常温-1250℃的范围内进行检测。