回转型舱体结构力热耦合试验加载装置

摘要

本发明提供了一种回转型舱体结构力热耦合试验加载装置，包括：外压加载装置、热加载装置以及横截面剪力加载装置；外压加载装置包括：增压囊、气体增压系统以及液体加注系统；增压囊通过液体加注系统加注液体以及通过气体增压系统增压后朝向试验件变形并压缩试验件；试验件连接热加载装置并通过热加载装置加热；横截面剪力加载装置包括多个剪力加载杠杆组，剪力加载杠杆组安装在试验件内并对试验件施加剪力；外压加载装置、热加载装置以及横截面剪力加载装置连接测试系统终端。本发明通过外压加载装置、热加载装置和横截面剪力加载装置设计方案提供了一种能满足多种压力、温度、剪力耦合加载的试验需求的试验装置。

说明书

技术领域

本发明涉及航天飞行器回转型舱体结构类试验领域，具体地，涉及回转型舱体结构力热耦合试验加载装置。

背景技术

随着航天飞行器性能指标的不断提升，对回转型舱体结构的承载要求也越来越严苛，在地面模拟载荷工况时，压力、温度、剪力耦合加载的试验需求也逐渐增多。因此需要根据目前研制的舱体结构以及服役时的载荷工况特点，确定试验加载方式以及试验装置的构型。

专利文献CN104697862A提供一种用于热强度试验的力热耦合加载方法，能够实现高温、大温升率，能够模拟不等分布载荷，技术方案包括：石英灯管排布在试验件加载区域前，与试验件加载区域间隙设置，石英灯管排布区域留有空隙区域；顶杆前端铰接加载块，加载块穿过石英灯管排布区域的空隙区域，顶推在试验件加载区域表面；石英灯管对试验件加载区域进行热辐射加温；加载块对试验件加载区域进行力载荷加载。

专利文献CN111751487A涉及一种多功能耐火-热力耦合加载试验系统，属于火炉技术领域。该系统包括试验炉、耐火试验系统、热力耦合加载系统、吊绳和数据处理系统；所述耐火试验系统包括耐火试验构件和耐火试验配套炉盖；所述耐火试验配套炉盖上设有耐火试验配套炉盖吊环；所述耐火试验配套炉盖处在试验炉顶部；所述耐火试验构件与耐火试验配套炉盖相匹配；所述耐火试验构件通过吊绳吊装于耐火试验配套炉盖正中间的孔洞中，所述耐火试验构件的底面与耐火试验配套炉盖的底面处在同一高度。

目前现有技术中模拟载荷的试验装置功能较为单一，无法适应多种压力、温度、剪力耦合加载的试验需求。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种回转型舱体结构力热耦合试验加载装置。

根据本发明提供的一种回转型舱体结构力热耦合试验加载装置，包括：外压加载装置、热加载装置以及横截面剪力加载装置；

所述外压加载装置包括：增压囊、气体增压系统以及液体加注系统；

所述增压囊通过液体加注系统加注液体以及通过气体增压系统增压后朝向试验件变形并压缩所述试验件；

所述试验件连接热加载装置并通过所述热加载装置加热；

所述横截面剪力加载装置包括多个剪力加载杠杆组，所述剪力加载杠杆组安装在所述试验件内并对试验件施加剪力；

所述外压加载装置、热加载装置以及横截面剪力加载装置连接测试系统终端。

优选地，所述外压加载装置还包括：后端承压工装、前端承压工装、前端增压囊、后端增压囊、试验基座以及加注管路；

所述试验件侧面安装所述后端承压工装和前端承压工装，所述后端承压工装和所述前端承压工装之间通过连接圆环固定连接；

所述前端承压工装上设置第一凹槽，所述第一凹槽开口方向朝向所述试验件，所述后端承压工装上设置第二凹槽，所述第二凹槽开口方向朝向所述试验件；

所述第一凹槽内安装前端增压囊，当所述前端增压囊膨胀时通过第一凹槽限位朝向所述试验件变形施压；

所述第二凹槽内安装后端增压囊，当所述后端增压囊膨胀时通过第二凹槽限位朝向所述试验件变形施压；

所述后端承压工装背向所述前端承压工装一侧安装试验基座，所述试验件安装在试验基座上；

所述前端增压囊通过加注管路连通所述后端增压囊。

优选地，所述气体增压系统包括：气源、减压阀、增压阀、泄压阀以及泄压口；

所述减压阀一端连接气源，另一端连接所述增压阀一端；

所述增压阀另一端连接所述后端增压囊和所述泄压阀一端，所述泄压阀另一端连接泄压口。

所述液体加注系统包括：加注阀和水源；

所述加注阀一端连接水源，另一端连接所述后端增压囊；

所述前端增压囊和所述后端增压囊通过液体加注后的气体增压方式分别沿所述前端承压工装和后端承压工装开口方向对所述试验件膨胀施压。

优选地，所述前端承压工装上安装压力表和压力传感器；

所述压力表和压力传感器连接所述前端增压囊；

所述压力传感器通过压力测试线连接所述测试系统终端。

优选地，所述热加载装置包括：前端电加热毯、后端电加热毯以及温度传感器与测试线；

所述前端增压囊和所述试验件之间安装前端电加热毯，所述后端增压囊和所述试验件之间安装后端电加热毯；

所述前端电加热毯和所述后端电加热毯安装温度传感器与测试线，所述温度传感器与测试线连接测试系统终端。

优选地，所述前端电加热毯和所述后端电加热毯背向试验件一侧设置绝缘防水隔热材料层；

所述前端电加热毯和所述后端电加热毯采用电阻式加热方式。

优选地，所述剪力加载杠杆组包括：前端剪力加载杠杆组和后端剪力加载杠杆组；

所述前端剪力加载杠杆组包括：前端力传感器及测试线、前端加载作动筒、前端加载拉杆与连接铰链、前端杠杆支点、前端加载杠杆以及前端横截面连接圆盘；

所述前端加载作动筒和所述前端加载拉杆与连接铰链一端之间安装前端力传感器及测试线，所述前端力传感器及测试线连接测试系统终端；

所述前端加载拉杆与连接铰链另一端连接前端加载杠杆一端，所述前端加载杠杆另一端连接前端横截面连接圆盘，所述前端加载杠杆中部转动连接所述前端杠杆支点；

所述后端剪力加载杠杆组包括：后端横截面连接圆盘、后端加载杠杆、后端杠杆支点、后端加载拉杆与连接铰链、后端力传感器及测试线以及后端加载作动筒；

所述后端加载作动筒和后端加载拉杆与连接铰链一端之间安装后端力传感器及测试线，所述后端力传感器及测试线连接测试系统终端；

所述后端加载拉杆与连接铰链另一端连接后端加载杠杆一端，所述后端加载杠杆另一端连接后端横截面连接圆盘，所述后端加载杠杆中部转动连接所述后端杠杆支点。

优选地，所述前端横截面连接圆盘和所述后端横截面连接圆盘安装在试验件内部并无缝隙固定连接在所述试验件连接面上；

所述前端加载作动筒和所述后端加载作动筒固定安装在承力墙上，所述前端杠杆支点和所述后端杠杆支点固定安装在试验固定钢框上；

当所述前端加载作动筒通过前端加载拉杆与连接铰链、前端加载杠杆以及前端横截面连接圆盘对所述试验件施加载荷，施加载荷方向与所述试验件初始位置中轴线垂直；

当所述后端加载作动筒通过后端加载拉杆与连接铰链、后端加载杠杆以及后端横截面连接圆盘对所述试验件施加载荷，施加载荷方向与所述试验件初始位置中轴线垂直。

优选地，所述后端承压工装和所述前端承压工装内壁面粘贴柔性毛毡材料。

优选地，所述试验件上粘贴应变传感器及结构响应测试线，应变传感器及结构响应测试线由变传感器和结构响应测试线组成，所述试验件上粘贴应变传感器，应变传感器通过接线端子与结构响应测试线焊接，在试验加载过程中，结构变形引起应变传感器电阻改变，所述测试系统终端通过连接的应变传感器及结构响应测试线获得结构响应应变。

优选地，所述前端加载杠杆销连接所述前端横截面连接圆盘，所述后端加载杠杆销连接所述后端横截面连接圆盘。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本试验装置结构简单、试验过程操作方便并可重复应用；

2、本发明通过外压加载装置、热加载装置和横截面剪力加载装置设计方案提供了一种能满足多种压力、温度、剪力耦合加载的试验需求的试验装置；

3、本发明通过各类传感器及测试系统终端在保证试验高效与安全开展的同时，获得正确、充分的试验数据，并依靠试验数据全面了解结构各个部位的强度变化过程，解决型号研制中的结构设计与强度考核问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为外压加载装置结构示意图；

图2为热加载装置结构示意图；

图3为横截面剪力加载装置结构示意图；

图中所示：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例包括：外压加载装置、热加载装置以及横截面剪力加载装置；外压加载装置包括：增压囊、气体增压系统以及液体加注系统，增压囊通过液体加注系统加注液体以及通过气体增压系统增压后朝向试验件10变形并压缩试验件10，试验件10连接热加载装置并通过热加载装置加热，横截面剪力加载装置包括多个剪力加载杠杆组，剪力加载杠杆组安装在试验件10内并对试验件10施加剪力，外压加载装置、热加载装置以及横截面剪力加载装置连接测试系统终端15。

如图1所示，外压加载装置还包括：后端承压工装6、前端承压工装7、前端增压囊8、后端增压囊9、试验基座11以及加注管路16；试验件10侧面安装后端承压工装6和前端承压工装7，后端承压工装6和前端承压工装7之间通过连接圆环固定连接，前端承压工装7上设置第一凹槽，第一凹槽开口方向朝向试验件10，后端承压工装6上设置第二凹槽，第二凹槽开口方向朝向试验件10，第一凹槽内安装前端增压囊8后端承压工装6和前端承压工装7内壁面粘贴柔性毛毡材料，当前端增压囊8膨胀时通过第一凹槽限位朝向试验件10变形施压，第二凹槽内安装后端增压囊9，当后端增压囊9膨胀时通过第二凹槽限位朝向试验件10变形施压，后端承压工装6背向前端承压工装7一侧安装试验基座11，试验件10安装在试验基座11上，前端增压囊8通过加注管路16连通后端增压囊9。前端承压工装7上安装压力表12和压力传感器13，压力表12和压力传感器13连接前端增压囊8，压力传感器13通过压力测试线14连接测试系统终端15。

气体增压系统包括：气源1、减压阀2、增压阀3、泄压阀4以及泄压口5；减压阀2一端连接气源1，另一端连接增压阀3一端，增压阀3另一端连接后端增压囊9和泄压阀4一端，泄压阀4另一端连接泄压口5。液体加注系统包括：加注阀17和水源18；加注阀17一端连接水源18，另一端连接后端增压囊9，前端增压囊8和后端增压囊9通过液体加注后的气体增压方式分别沿前端承压工装7和后端承压工装6开口方向对试验件10膨胀施压。

如图2所示，热加载装置包括：前端电加热毯19、后端电加热毯20以及温度传感器与测试线21；前端增压囊8和试验件10之间安装前端电加热毯19，后端增压囊9和试验件10之间安装后端电加热毯20，前端电加热毯19和后端电加热毯20安装温度传感器与测试线21，温度传感器与测试线21连接测试系统终端15。前端电加热毯19和后端电加热毯20背向试验件10一侧设置绝缘防水隔热材料层，前端电加热毯19和后端电加热毯20采用电阻式加热方式。

如图3所示，剪力加载杠杆组包括：前端剪力加载杠杆组和后端剪力加载杠杆组；前端剪力加载杠杆组包括：前端力传感器及测试线23、前端加载作动筒24、前端加载拉杆与连接铰链25、前端杠杆支点26、前端加载杠杆27以及前端横截面连接圆盘28，前端加载作动筒24和前端加载拉杆与连接铰链25一端之间安装前端力传感器及测试线23；前端力传感器及测试线23连接测试系统终端15，前端加载拉杆与连接铰链25另一端连接前端加载杠杆27一端，前端加载杠杆27另一端连接前端横截面连接圆盘28，前端加载杠杆27中部转动连接前端杠杆支点26；后端剪力加载杠杆组包括：后端横截面连接圆盘29、后端加载杠杆30、后端杠杆支点31、后端加载拉杆与连接铰链32、后端力传感器及测试线33以及后端加载作动筒34；后端加载作动筒34和后端加载拉杆与连接铰链32一端之间安装后端力传感器及测试线33，后端力传感器及测试线33连接测试系统终端15；后端加载拉杆与连接铰链32另一端连接后端加载杠杆30一端，后端加载杠杆30另一端连接后端横截面连接圆盘29，后端加载杠杆30中部转动连接后端杠杆支点31。

前端横截面连接圆盘28和后端横截面连接圆盘29安装在试验件10内部并无缝隙固定连接在试验件10连接面上，前端加载作动筒24和后端加载作动筒34固定安装在承力墙35上，前端杠杆支点26和后端杠杆支点31固定安装在试验固定钢框上；当前端加载作动筒24通过前端加载拉杆与连接铰链25、前端加载杠杆27以及前端横截面连接圆盘28对试验件10施加载荷，施加载荷方向与试验件10初始位置中轴线垂直，当后端加载作动筒34通过后端加载拉杆与连接铰链32、后端加载杠杆30以及后端横截面连接圆盘29对试验件10施加载荷，施加载荷方向与试验件10初始位置中轴线垂直，试验件10上安装应变传感器及结构响应测试线22，应变传感器及结构响应测试线22连接测试系统终端15。

实施例2

实施例2作为实施例1的优选例。

如图1至图3所示，本实施例包括：外压加载装置、热加载装置和横截面剪力加载装置。外压加载装置由气源1、减压阀2、增压阀3、泄压阀4、泄压口5、后端承压工装6、前端承压工装7、前端增压囊8、后端增压囊9、试验基座11、压力表12、压力传感器13、压力测试线14、测试系统终端15、加注管路16、加注阀17、水源18组成。热加载装置由前端电加热毯19、后端电加热毯20、温度传感器与测试线21、测试系统终端15组成。横截面剪力加载装置由前端剪力加载杠杆组和后端剪力加载杠杆组组成，包括后端横截面连接圆盘29、后端加载杠杆30、后端杠杆支点31、后端加载拉杆与连接铰链32、后端力传感器及测试线33、后端加载作动筒34、前端横截面连接圆盘28、前端加载杠杆27、前端杠杆支点26、前端加载拉杆与连接铰链25、前端力传感器及测试线23、前端加载作动筒24、应变传感器及结构响应测试线22、测试系统终端15组成。

气源1、减压阀2、增压阀3、泄压阀4、泄压口5、加注管路16组成气体增压系统；水源18、加注阀17、加注管路16组成液体加注系统；前端增压囊8、后端增压囊9通过液体(水)加注与气体增压而产生膨胀变形，并分别由前端承压工装7和后端承压工装6约束法向向外的膨胀变形，前端增压囊8、后端增压囊9在约束下仅可以沿法向向内膨胀变形，并压缩试验件10，以实现对试验件10外压载荷的施加。

前端电加热毯19安装于试验件10与前端增压囊8之间，后端电加热毯20安装于试验件10与后端增压囊9之间，前端电加热毯19和后端电加热毯20分别与前端增压囊8和后端增压囊9接触一侧设计有绝缘防水隔热材料层。前端电加热毯19和后端电加热毯20由电功率控制调节热量的产生，从而对试验件10施加热载荷。

后端横截面连接圆盘29、后端加载杠杆30、后端杠杆支点31、后端加载拉杆与连接铰链32、后端力传感器及测试线33、后端加载作动筒34组成后端剪力加载杠杆组；前端横截面连接圆盘28、前端加载杠杆27、前端杠杆支点26、前端加载拉杆与连接铰链25、前端力传感器及测试线23、前端加载作动筒24组成前端剪力加载杠杆组。后端加载作动筒34、前端加载作动筒24垂直固定连接于承力墙35；后端杠杆支点31、前端杠杆支点26固定连接于外围的试验固定钢框；后端横截面连接圆盘29、前端横截面连接圆盘28分别通过螺栓固定于试验件10内部连接面上。

后端加载作动筒34通过后端加载拉杆与连接铰链32与后端加载杠杆30连接，施加载荷保证为与试验件10初始的中轴线垂直，前端加载作动筒24通过前端加载拉杆与连接铰链25与前端加载杠杆27连接，施加于加载杠杆27的载荷保证为与试验件10初始的中轴线垂直。后端杠杆支点31、前端杠杆支点26固定连接于外围的试验固定钢框，两个杠杆支点均通过销连接加载杠杆，两个连接圆盘均通过销连接于加载杠杆。后端横截面连接圆盘29、前端横截面连接圆盘28分别通过螺栓固定于试验件10内部连接面上，保证连接面无间隙且在试验加载过程中不发生相对滑动。

压力表12、压力传感器13、温度传感器与测试线21、后端力传感器及测试线33、前端力传感器及测试线23、应变传感器及结构响应测试线22、测试系统终端15组成压力、温度、拉力与结构响应测试系统。测试数据会实时反馈减压阀2、增压阀3、泄压阀4、加热毯功率、加载作动筒的控制模块，保证力热载荷加载量级符合试验要求，同时保证各载荷施加的同步性。

实施例3

如图1至图3所示，试验件10安装于试验基座11上，前端增压囊8、后端增压囊9的安装方式为：前端增压囊8安装于前端承压工装7内部，前端承压工装7内壁面粘贴柔性毛毡材料，防止加压过程中坚硬的壁面破坏前端增压囊8。类似的，后端增压囊9安装于后端承压工装6内部，后端承压工装6内壁面粘贴柔性毛毡材料，防止加压过程中坚硬的壁面破坏后端增压囊9。后端承压工装6与前端承压工装7都与连接圆环通过螺栓固定连接，后端承压工装6通过螺栓固定连接于试验基座11上。气体增压过程中通过开关减压阀2、增压阀3调节前端增压囊8与后端增压囊9内部压力，当压力超过安全阈值时开启泄压阀4将气体从泄压口排出，以保证系统安全。

前端电加热毯19安装于试验件10与前端增压囊8之间，后端电加热毯20安装于试验件10与后端增压囊9之间。电加热毯与增压囊接触一侧设计有绝缘防水隔热材料层，另一侧利用电加热产生的热量对试验件10施加热载荷。

本实施例中的加注管路16、阀门、增压囊、电加热毯以及加载作动筒的规格、承力工装与剪力加载杠杆组等结构尺寸以及连接接口形式均根据试验加载要求确定，满足试验对加载量级、精度、以及试验装置强度、刚度等要求，并保证各加载装置之间不相干涉。压力表12、压力传感器13、温度传感器、力传感器等规格根据具体测试量程与精度等需求选取。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。