專利名稱：一種在線施加載荷的燒蝕測試裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種在線施加載荷的燒蝕測試裝置與方法，屬于工程材料、結構形變及力學實驗技術領域。
背景技術：
發(fā)動機是飛行器的核心部件，是影響飛行器工作性能的決定性因素之一。發(fā)動機工作環(huán)境惡劣，實際工況復雜，發(fā)動機材料及結構件對環(huán)境的響應存在耦合效應，其工作條件存在力-熱-流-固耦合效應，而非單一因素的簡單疊加。為此，各國在相應的重大材料研究計劃中，都將材料的環(huán)境性能模擬作為主要內容，如美國1988年制定的飛機用復合材料計劃、1990年NASA、D0E和DoD聯(lián)合制定的先進熱機陶瓷技術計劃和日本1993年制定的未來汽輪發(fā)電機的先進材料計劃(AMG)等都不約而同地要求建立材料的環(huán)境性能表征和數(shù)據(jù)庫，并首先發(fā)展了環(huán)境模擬方法，其中包括實驗模擬和數(shù)值模擬兩方面。在實驗模擬方面，目前存在兩種方法:第一種是采用全環(huán)境因素試驗，直接獲取材料的試驗結果。該方法的優(yōu)點在于模擬方法和設備越來越逼近真實環(huán)境，但模擬設備的投資和環(huán)境考核試驗的成本卻成倍上升。第二種是從環(huán)境與材料相互作用的物理和化學本質出發(fā)，發(fā)展新型模擬理論與實驗方法。這些方法的特點是以材料損傷與破壞的環(huán)境控制因素和材料性能控制因素為依據(jù)，將全環(huán)境因素模擬簡化為控制因素的實驗模擬。針對發(fā)動機用結構材料的環(huán)境與材料模擬，目前絕大部分的研究還集中在材料本身的物理化學性能，對材料的性質考核主要集中在燒蝕實驗方面，而對于燒蝕過程中環(huán)境的耦合效應模擬考慮得不多。尤其是針對材料實際工作條件下的受力載荷的模擬，由于燒蝕實驗本身的復雜性以及實驗臺搭建的困難，導致到目前并沒有對材料在燒蝕條件下施加載荷的考慮，而這與材料的實際工況存在明顯差距，因此無法更加準確地模擬描述材料在真實工作環(huán)境下的響應。因此開展在線加載這方面的·工作非常重要。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種在線施加載荷的燒蝕測試裝置與方法。該裝置可在線對材料或結構件進行載荷施加，模擬材料或結構件的實際受力情況，并在此條件下進行燒蝕實驗，同時能夠對實驗過程中施加的載荷進行定量測定、溫度定量采集、動態(tài)燒蝕過程圖像捕捉；并在此裝置基礎上提出材料或結構件在載荷施加條件下的燒蝕測試方法。本發(fā)明的技術方案如下:一種在線施加載荷的燒蝕測試裝置，其特征在于:該測試裝置包括樣品加持裝置、載荷施加裝置、載荷測量系統(tǒng)、氧乙炔加熱裝置、溫度測量系統(tǒng)、圖像采集處理系統(tǒng)；所述樣品夾持裝置包括上夾頭和下夾頭，上、下夾頭分別與上連桿和下連桿固定連接；所述載荷施加裝置包括底座、支架、中連桿、加載頭、加載旋鈕；所述載荷測量系統(tǒng)包括第一力傳感器、第二力傳感器、第三力傳感器和載荷處理顯示器，第一力傳感器、第二力傳感器和第三力傳感器分別通過第一數(shù)據(jù)線、第二數(shù)據(jù)線和第三數(shù)據(jù)線與載荷處理顯示器相連接；中連桿和樣品夾持裝置中的下連桿可以通過上下調節(jié)器來上下移動，滿足不同大小試件的夾持；所述的載荷施加裝置的加載頭可以通過更換不同形式的加載頭，實現(xiàn)點加載、線加載以及面加載；載荷施加可以在實驗前也可以在實驗中在線進行；載荷施加裝置與樣品加持裝置組成一個整體；所述的載荷測量系統(tǒng)通過第一力傳感器、第二力傳感器、第三力傳感器對上連桿、中連桿和下連桿的應變進行測量，并將得到的數(shù)據(jù)通過第一數(shù)據(jù)線、第二數(shù)據(jù)線、第三數(shù)據(jù)線傳遞到載荷處理顯示器進行處理；所述溫度測量系統(tǒng)包括紅外測溫儀和控制該紅外測溫儀的計算機；所述圖像采集處理系統(tǒng)裝置包括工業(yè)攝像機，但不僅局限于工業(yè)攝像機，根據(jù)測試精度的要求不同，普通攝像機、工業(yè)C⑶也能夠滿足要求。一種在線施加載荷的燒蝕測試方法，其特征在于該方法包括如下步驟:在燒蝕之前，利用圖像采集處理系統(tǒng)17拍攝一幅常溫下樣品表面的圖像，作為參考圖像；通過載荷施加裝置對樣品6進行加載，并記錄載荷處理顯示器14的載荷讀數(shù)；通過氧乙炔加熱裝置對樣品6表面進行加熱燒蝕，同時利用圖像采集處理系統(tǒng)17開始進行實時拍攝，同時紅外測溫儀15也同步開始進行實時溫度測量，并記錄初始拍攝和溫度測量的時刻；在燒蝕過程中，通過載荷施加裝置中的加載旋鈕13在線調節(jié)載荷的大小，滿足預先設計好的載荷加載條件；進行一段時間實驗之后，記錄實驗結束的時刻，并同時停止拍攝和測溫；利用數(shù)字圖像相關方法對圖像采集處理系統(tǒng)17采集得到的樣品燒蝕后的圖像與初始得到的圖像進行對比分析處理，計算得到樣品燒蝕后的應力應變，分析加載條件下材料的燒蝕結果。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點及突出性效果:設計了一種在線施加載荷的裝置，并將該裝置集成到燒蝕測試系統(tǒng)中，能夠在材料燒蝕測試進行之前或過程中對材料進行實時在線加載，根據(jù)實際工況進行載荷調節(jié)，進而模擬材料工作的實際受力情況，提供更接近于實際工況的材料受力模擬效果；同時結合溫度測量系統(tǒng)與圖像采集處理系統(tǒng)，可實現(xiàn)對材料的氧化燒蝕過程的溫度定量采集、動態(tài)燒蝕過程圖像捕捉。


圖1為本發(fā)明提供的一種集成載荷施加裝置的燒蝕測試裝置的結構原理示意圖。圖中:1_燒蝕實驗臺；2-底`座；3-支架；4_氧乙炔加熱裝置；5_氧乙炔火焰噴頭；6-樣品；7a-上夾頭；7b-下夾頭；8a-上連桿；8b_中連桿；8c_下連桿；9_加載頭；IOa-第一力傳感器；IOb-第二力傳感器；IOc-第三力傳感器；I Ia-第一數(shù)據(jù)線；I Ib-第二數(shù)據(jù)線；Ilc-第三數(shù)據(jù)線；12-上下調節(jié)器；13_加載旋鈕；14_載荷處理顯示器；15-紅外測溫儀；16-計算機；17_圖像米集處理系統(tǒng)。
具體實施例方式下面結合附圖進一步說明本發(fā)明的具體結構、工作過程和實施方式。圖1是一種在線施加載荷的燒蝕測試裝置的結構原理示意圖，該測試裝置包括樣品加持裝置、載荷施加裝置、載荷測量系統(tǒng)、氧乙炔加熱裝置4、溫度測量系統(tǒng)、圖像采集處理系統(tǒng)17 ;所述樣品夾持裝置包括上夾頭7a和下夾頭7b，所述載荷施加裝置包括底座2、支架3、上連桿8a、中連桿Sb、下連桿Sc、加載頭9和加載旋鈕13，上連桿8a、中連桿Sb、下連桿8c安裝在支架3上；上夾頭7a和下夾頭7b分別與上連桿8a和下連桿8c固定連接；所述載荷測量系統(tǒng)包括第一力傳感器10a、第二力傳感器10b、第三力傳感器IOc和載荷處理顯示器14，第一力傳感器10a、第二力傳感器IOb和第三力傳感器IOc分別通過第一數(shù)據(jù)線11a、第二數(shù)據(jù)線Ilb和第三數(shù)據(jù)線Ilc與載荷處理顯示器14相連接；氧乙炔加熱裝置包括氧氣和乙炔氣體混合導管4和噴嘴5 ;所述溫度測量系統(tǒng)包括用于測量試件表面溫度的紅外測溫儀15和控制該紅外測溫儀的計算機16 ;所述圖像采集處理系統(tǒng)17采用工業(yè)攝像機、普通攝像機或工業(yè)CCD。其中，所述的載荷施加裝置的中連桿Sb和樣品夾持裝置中的下連桿Sc通過上下調節(jié)器12上下移動，滿足對不同大小試件的夾持；所述的載荷施加裝置的加載頭9的結構包括不同形式的加載頭，實現(xiàn)點加載、線加載以及面加載；所述的載荷測量系統(tǒng)通過第一力傳感器10a、第二力傳感器10b、第三力傳感器IOc對上連桿8a、中連桿Sb和下連桿Sc的應變進行測量，并將得到的數(shù)據(jù)通過第一數(shù)據(jù)線11a、第二數(shù)據(jù)線lib、第三數(shù)據(jù)線Ilc傳遞到載荷處理顯示器14進行處理；載荷施加可以在實驗前，也可以在實驗中進行，滿足不同的實際加載條件。一種集成載荷施加裝置的燒蝕測試方法，該方法包括如下步驟:
1，在燒蝕之前，利用圖像采集處理系統(tǒng)17拍攝一幅常溫下樣品表面的圖像，作為參考圖像；2，通過載荷施加裝置對樣品6進行加載并記錄載荷處理顯示器14的載荷讀數(shù)；3，通過氧乙炔加熱裝置4對樣品6表面進行加熱燒蝕，通過調節(jié)氧氣和乙炔的不同流量比例，得到不同的熱流密度，進而得到不同的燒蝕溫度；同時利用圖像采集處理系統(tǒng)17開始進行實時拍攝，并針對高溫條件加裝不同的濾波片對圖像進行濾波處理，同時紅外測溫儀15也同步開始進行實時溫度測量，并記錄初始拍攝和溫度測量的時刻；4，在燒蝕過程中，通過載荷施加裝置中的加載旋鈕13實時在線調節(jié)載荷的大小，滿足預先設計好的載荷加載條件；5，實驗完畢，關閉氧乙炔火焰，記錄實驗完成的時刻，同時停止拍攝和測溫，根據(jù)記錄初始拍攝和溫度測量的時間以及記錄實驗完成的時刻計算出燒蝕實驗進行的時間；6，利用數(shù)字圖像相關方法對圖像采集處理系統(tǒng)17采集得到的樣品燒蝕后的圖像與初始參考圖像進行對比分析處理，對于未變形前的目標圖像每一點(x，y)具有一個灰度值f(x, y)，變形后目標圖像子區(qū)中每一點(X' , 1')具有一個新的灰度值g(x' ,1')，通過以下相關函數(shù)
權利要求
1.一種在線施加載荷的燒蝕測試裝置，其特征在于:該測試裝置包括樣品加持裝置、載荷施加裝置、載荷測量系統(tǒng)、氧乙炔加熱裝置、溫度測量系統(tǒng)和圖像采集處理系統(tǒng)(17);所述樣品夾持裝置包括上夾頭(7a)和下夾頭(7b);所述載荷施加裝置包括底座(2)、支架(3)、上連桿(8a)、中連桿(8b)、下連桿(8c)、加載頭(9)和加載旋鈕(13)，上連桿(8a)、中連桿(8b )、下連桿(8c )安裝在支架(3 )上；上夾頭(7a)和下夾頭(7b )分別與上連桿(8a)和下連桿(Sc)固定連接；所述載荷測量系統(tǒng)包括第一力傳感器(10a)、第二力傳感器(10b)、第三力傳感器(IOc)和載荷處理顯示器(14)，第一力傳感器(10a)、第二力傳感器(IOb)和第三力傳感器(IOc)分別通過第一數(shù)據(jù)線(11a)、第二數(shù)據(jù)線(Ilb)和第三數(shù)據(jù)線(lie)與載荷處理顯示器(14)相連接；氧乙炔加熱裝置包括氧氣和乙炔氣體混合導管(4)和噴嘴(5);所述溫度測量系統(tǒng)包括用于測量試件表面溫度的紅外測溫儀(15)和控制該紅外測溫儀的計算機(16)。
2.按照權利要求1所述的一種在線施加載荷的燒蝕測試裝置，其特征在于:所述的載荷施加裝置的中連桿(8b)和樣品夾持裝置中的下連桿(Sc)通過上下調節(jié)器(12)上下移動。
3.按照權利要求1所述的一種在線施加載荷的燒蝕測試裝置，其特征在于:所述的載荷施加裝置的加載頭(9)的結構包括點加載、線加載和面加載。
4.按照權利要求1所述的一種在線施加載荷的燒蝕測試裝置，其特征在于:所述的圖像采集處理系統(tǒng)(17)采用工業(yè)攝像機、普通攝像機或工業(yè)(XD，并針對高溫條件加裝不同的濾波片對圖像進行濾波處理。
5.一種采用如權利要求1所述的裝置的在線施加載荷的燒蝕測試方法，其特征在于該方法包括如下步驟: 1)在燒蝕之前，利用圖像采集處理系統(tǒng)(17)拍攝一幅常溫下樣品表面的圖像，作為參考圖像； 2)通過載荷施加裝置對樣品(6)進行加載，并記錄載荷處理顯示器(14)的載荷讀數(shù)； 3)通過氧乙炔加熱裝置對樣品(6)表面進行加熱燒蝕，同時利用圖像采集處理系統(tǒng)(17)開始進行實時拍攝，同時紅外測溫儀(15)也同步開始進行實時溫度測量，并記錄初始拍攝和溫度測量的時刻； 4)在燒蝕過程中，通過載荷施加裝置中的加載旋鈕(13)在線調節(jié)載荷的大小，滿足預先設計好的載荷加載條件； 5)進行一段時間實驗之后，記錄實驗結束的時刻，并同時停止拍攝和測溫；利用數(shù)字圖像相關方法對圖像采集處理系統(tǒng)(17)采集得到的樣品燒蝕后的圖像與初始得到的圖像進行對比分析處理 ，計算得到樣品燒蝕后的應變場和應力場，分析加載條件下材料的燒蝕結果O
全文摘要
一種在線施加載荷的燒蝕測試裝置與方法，屬于工程材料、結構形變及力學實驗技術領域。該測試裝置包括樣品加持裝置、載荷施加裝置、載荷測量系統(tǒng)、氧乙炔加熱裝置、溫度測量系統(tǒng)、圖像采集處理系統(tǒng)。本發(fā)明涉及一種燒蝕試件載荷施加裝置，并將該裝置集成到燒蝕測試系統(tǒng)中，在材料燒蝕測試進行之前或過程中對材料進行加載，模擬材料實際工況，同時結合溫度測量系統(tǒng)與圖像采集處理系統(tǒng)，提供了一種對材料燒蝕過程進行在線定量加載及實驗數(shù)據(jù)采集的裝置與方法。該發(fā)明可實現(xiàn)對材料的氧化燒蝕過程的載荷定量施加測定、溫度定量采集、動態(tài)燒蝕過程圖像捕捉。
文檔編號G01N19/00GK103234898SQ20131012976
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月15日 優(yōu)先權日2013年4月15日
發(fā)明者馮雪, 方旭飛 申請人:清華大學