C/SiC材料多层热防护结构力热耦合分析试验系统和方法与流程

c/sic材料多层热防护结构力热耦合分析试验系统和方法
技术领域
1.本发明属于工程热物理技术领域，特别涉及c/sic材料多层热防护结构力热耦合分析试验系统和方法。


背景技术：

2.先进冲压发动机的燃烧温度可高达2500k以上，燃烧室内壁面的温度也超过了2000k，需要采用有效的热防护结构以保证燃烧室及其喷管延伸段安全工作。冲压发动机燃烧室的热防护结构往往采用多层材料结构，沿半径方向自内向外包括耐烧层、承力层、隔热层以及外壳体等等，其中最内层的耐烧层需要直接承载燃烧室内的超高燃气温度，对耐烧层的耐温能力提出了严苛的要求。c/sic陶瓷基复合材料以其高比强、高比模、耐高温及耐烧蚀等优异性能已在发动机燃烧室领域得到了广泛应用。 与以往发动机燃烧室使用的难熔金属材料相比，c/sic复合材料的优点主要有：无须冷却系统，简化了发动机结构设计；比强度、比刚度高（密度为难熔金属的1/4~1/3），抗热冲击性能及抗蠕变性能好；提高了工作温度并具有较好的抗氧化性能。美国、德国、法国、我国以及日本都大力开展了c/sic复合材料制备及应用研究，使得c/sic复合材料作为发动机燃烧室及喷管延伸段材料得到了广泛使用。
3.针对陶瓷基复合材料多层热防护结构，由于各层材料的物性参数不同，沿发动机轴向、径向及周向的力-热载荷不同，其温度分布及结构变形呈现非均匀、非线性的复杂特征，需要建立陶瓷基复合材料多层热防护结构力热耦合分析模型，开展力热耦合响应特性分析，并进行相应的多层热防护结构匹配设计研究。其中，首先需要解决的关键问题是保证陶瓷基复合材料多层热防护结构力热耦合分析模型的精度，进而为力热耦合响应特性分析及匹配设计提供有力的分析工具。因此，本发明针对陶瓷基复合材料多层热防护结构力热耦合分析模型的精度验证需求，探究了热防护结构热载荷和压力载荷的模拟表征方法，建立了一种陶瓷基复合材料多层热防护结构力热耦合响应特性原理性试验方法，为多层热防护结构力热耦合分析模型提供原理性验证平台。


技术实现要素：

4.为研究发动机燃烧室多层热防护结构在力-热耦合条件下整体结构的热分布及结构变形特征，本发明提供了c/sic材料多层热防护结构力热耦合分析试验系统和方法，对典型燃烧室多层热防护结构单元模型试验件，模拟发动机燃烧室的热载荷和压力载荷环境进行力-热耦合特性试验研究。
5.为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：c/sic材料多层热防护结构力热耦合分析试验系统，包括试验件、热载荷模拟模块、压力载荷模拟模块和数据采集模块；所述试验件为多层热防护结构，所述多层热防护结构包括陶瓷基复合材料热防护板、刚性气凝胶隔热板；
所述热载荷模拟模块通过电加热陶瓷电阻板对所述试验件进行热辐射方式加热；所述压力载荷模拟模块通过在所述试验件上方放置不同质量的砝码进行压力载荷模拟；所述数据采集模块获取所述试验件内外表面承受的温度和压力载荷数据，以及在力-热载荷耦合条件下所述试验件外表面的温度分布及变形数据。
6.优选的，所述热载荷模拟模块中，所述电加热陶瓷电阻板连接有变压器，所述试验件的内表面还设有反馈热电偶，对所述试验件内表面的温度进行采集。
7.优选的，所述压力载荷模拟模块中，在所述试验件外表面放置不同质量的砝码时，仅在所述试验件的中心位置安装载物台支架，避免不同质量的砝码对所述试验件外表面温度及变形测量造成影响。
8.优选的，所述数据采集模块中，数据的采集均通过非接触测量方式进行采集。
9.优选的，所述试验件内外表面承受的温度以及在力-热载荷耦合条件下所述试验件外表面的温度均通过红外热像仪温度测试系统获取；所述试验件变形数据测试通过道姆光学数字图像应变测试系统获取。
10.c/sic材料多层热防护结构力热耦合分析试验方法，包括以下步骤：1）获取试验件；2）搭建试验系统，所述试验系统包括试验件、热载荷模拟模块、压力载荷模拟模块和数据采集模块；3）通过所述试验系统对所述试验件进行测试，获取力-热载荷耦合条件下所述试验件外表面的温度分布及变形数据。
11.采用上述技术方案带来的有益效果如下：（1）本发明通过热载荷模拟模块和压力载荷模拟模块对发动机燃烧室多层热防护结构单元组件的热力载荷环境进行模拟，可以对温度载荷和压力载荷进行精确控制，进而能够准确提取试验工况下多层热防护结构的温度和压力边界数据，用于发动机燃烧室多层热防护结构力热耦合分析模型的边界条件。
12.（2）本发明中数据采集模块使用非接触式道姆光学数字图像测试系统来获取试验件表面应变分布特征，与应变片电测法相比，该应变测试系统能对试验件中目标区域的应变数据进行提取，且不会存在表面温度变化对应变数据的影响；本发明中数据采集模块使用红外热像仪获取试验件表面温度分布，能更加真实有效的获取试验件表面整体的温度分布特征。为发动机燃烧室多层热防护结构的温度场以及应变场分布特征探究提供数据支撑。
附图说明
13.图1是本发明的试验装置结构示意图；图2是通过红外热像仪拍摄得到的温度分布云图；图3是通过dic非接触式测应变系统拍摄并计算得到的应力分布云图。
实施方式
14.下面结合附图及实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
15.实施例：陶瓷基复合材料多层热防护结构力热耦合响应特性原理性试验。
16.试验系统包括热载荷模拟模块、压力载荷模拟模块、数据采集模块和试验件。在固定底座采用夹板的方式对试验件箱体进行固定，热载荷模拟模块通过信号控制电压进行升温，系统中的加热陶瓷板采用辐射加热的方式对试验件加热，同时热电偶会对试验件的内表面温度进行测试，并将信号反馈至控制箱，以达到设定的加热温度。试验中拟使用热电偶结合热流计测量辐射加热时内壁面的温度分布及局部热流值，并在配套使用的温度巡检仪和热流计的数据面板上显示温度和热流数据，以便准确获取试验件热边界条件。试验件上方的压力载荷模拟模块，通过不同质量的标准砝码对试验件施加压力载荷，模拟对试验件施加的压力载荷，试验件在力-热耦合条件的作用下产生的形变数据会由数据采集模块中的应变测试系统收集到配套使用的软件中，试验件外壁面温度分布由数据采集系统中红外热像仪采集，并记录下试验数据。试验系统示意图如图1所示。
17.热载荷模拟模块由陶瓷加热板、温度反馈控制箱、试验件固定及安装支架几部分构成。本试验研究中采用陶瓷加热板辐射加热的方式模拟燃气对多层结构燃烧室多层热防护结构的加热作用。温度反馈控制箱是通过操作面板设定一个温度，利用高压电对陶瓷加热板进行加热，陶瓷加热板对试验件进行辐射传热以达到加热试验件的目的。温度反馈热电偶安装在试验件最中间部分，对整个试验件内壁面进行温度监测及反馈，将温度信号变换成电信号反馈到控制箱，当温度超过设定温度后，控制柜进行断电。
18.试验中的加热方式为陶瓷板辐射加热方式，与亚燃冲压发动机被动热防护燃烧室实际环境相比缺少燃烧时高温气流对壁面产生的压力载荷，故本试验中采用在试验件外壁面增加标准重量砝码，通过改变砝码质量对试验件施加不同的压力载荷，由于绿色刚性气凝胶层在受重力载荷影响时会发生破碎失效等情况，在施加压力载荷时取掉刚性气凝胶层，将重力载荷直接施加在c/sic层上。设计外壁面上的砝码分别为10kg、15kg、20kg三个质量。
19.温度测试系统由红外热像仪、铠装热电偶和多路温度巡检仪组成，试验中采用的温度测量仪器是flir a615红外热像仪、mt-x多路温度巡检仪和铠装热电偶作为温度测量传感器。其中flir a615红外热像仪具有640
´
480像素分辨率，空间分辨率为0.68mrad，波长范围为7.5-14mm，测试温度范围选取为300
˚
c ~2000 ˚
c，测试精度为
±
2%；热电偶测温范围为0 ˚
c ~1000 ˚
c，测试精度为
±
0.75%。
20.本试验中采用道姆光学科技公司的数字图像测量系统（dic测试系统）测试试验件表面应变，道姆光学测量系统广泛应用于全球工业制程，该测试系统能满足试验件振动分析、温度相关性测量、变形跟踪、膨胀测试、拉伸测试、弯曲测试等特定应用功能方面的各种需求。该技术是一种通过图像相关点进行对比的算法，通过该方法可计算出物体表面位移及应变分布。应变测量范围为0.005%~2000%，应变测量精度0.005%，测试温度范围为-100℃~1500℃。
21.试验中采用螺栓连接将陶瓷基复合材料热防护板、刚性气凝胶层隔热板及二者组合连接结构分别固定在箱体上，固定底座通过夹板的方式对箱体四侧进行固定约束的施加，随后根据具体试验工况开展试验。试验时力载荷工况分为0kg，10kg，15kg，20kg，温度载荷分为550℃、650℃、750℃，进而模拟不同温度和压力载荷时试验件受力-热耦合条件影响情况。
22.打开温度模拟系统和数据采集系统电源开关，对各仪器进行校准，使用dic非接触式测应变系统拍摄原试验件未发生形变时的图像，记录形变数据。
23.试验件在无压力载荷，仅受到边界温度载荷的影响时：将温度控制箱温度分别设定为550℃、650℃、750℃，随着温度的上升，热电偶会对外壁面和控制箱的加热温度进行温度反馈，当加热温度达到设定温度时，热电偶和控制箱中的温度保持恒定，对试验件进行保温加热，待试验环境稳定后，通过dic非接触式测应变系统获取各工况下的试验件表面的应力应变数据，通过红外热像仪拍摄得到各工况下试验件表面的温度分布数据。
24.试验件存在温度载荷以及不同的压力载荷影响时：无压力载荷下的三个工况试验完成后，对试验件进行力热耦合载荷试验，取掉刚性气凝胶层后，将重力载荷直接施加在c/sic层，在外层上分别增加质量为10kg、15kg、20kg的载荷，同时对试验件分别施加550℃、650℃、750℃温度载荷。在经过一段时间的保温加热，待试验数据稳定后，通过dic非接触式测应变系统获取各工况下的试验件表面的应力应变数据，通过红外热像仪拍摄得到各工况下试验件表面的温度分布数据，通过拍摄得到的温度数据结果如图2所示，应力拍摄结果如图3所示。
25.基于本发明建立的原理性试验方法，可以针对陶瓷基复合材料多层热防护结构板开展力-热耦合特性试验研究，获取多层热防护结构在不同压力载荷和不同温度载荷下的温度场和应变场的分布特征及变化规律，为陶瓷基复合材料多层热防护结构在航空航天高温部件中的应用，提供分析模型的原理性试验验证方法。
26.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.c/sic材料多层热防护结构力热耦合分析试验系统，其特征在于：包括试验件、热载荷模拟模块、压力载荷模拟模块和数据采集模块；所述试验件为多层热防护结构，所述多层热防护结构包括陶瓷基复合材料热防护板、刚性气凝胶隔热板；所述热载荷模拟模块通过电加热陶瓷电阻板对所述试验件进行热辐射方式加热；所述压力载荷模拟模块通过在所述试验件上方放置不同质量的砝码进行压力载荷模拟；所述数据采集模块获取所述试验件内外表面承受的温度和压力载荷数据，以及在力-热载荷耦合条件下所述试验件外表面的温度分布及变形数据。2.根据权利要求1所述的c/sic材料多层热防护结构力热耦合分析试验系统，其特征在于：所述热载荷模拟模块中，所述电加热陶瓷电阻板连接有变压器，所述试验件的内表面还设有反馈热电偶，对所述试验件内表面的温度进行采集。3.根据权利要求1所述的c/sic材料多层热防护结构力热耦合分析试验系统，其特征在于：所述压力载荷模拟模块中，在所述试验件外表面放置不同质量的砝码时，仅在所述试验件的中心位置安装载物台支架，避免不同质量的砝码对所述试验件外表面温度及变形测量造成影响。4.根据权利要求1所述的c/sic材料多层热防护结构力热耦合分析试验系统，其特征在于：所述数据采集模块中，数据的采集均通过非接触测量方式进行采集。5.根据权利要求4所述的c/sic材料多层热防护结构力热耦合分析试验系统，其特征在于：所述试验件内外表面承受的温度以及在力-热载荷耦合条件下所述试验件外表面的温度均通过红外热像仪温度测试系统获取；所述试验件变形数据测试通过道姆光学数字图像应变测试系统获取。6.c/sic材料多层热防护结构力热耦合分析试验方法，其特征在于：包括以下步骤：1）获取试验件；2）搭建试验系统，所述试验系统包括试验件、热载荷模拟模块、压力载荷模拟模块和数据采集模块；3）通过所述试验系统对所述试验件进行测试，获取力-热载荷耦合条件下所述试验件外表面的温度分布及变形数据。

技术总结
本发明公开C/SiC材料多层热防护结构力热耦合分析试验系统和方法，包括热载荷模拟模块、压力载荷模拟模块、数据采集模块和试验件。热载荷模拟模块通过信号控制变压器功率输出进行升温；试验中使用热电偶测量辐射加热时试验件最内层内壁面的温度分布，获取试验件的热边界条件；压力载荷模块通过在试验件上方放置不同质量的载荷来进行模拟；数据采集模块会收集试验件在力-热耦合条件的作用下产生的形变数据，以及试验件刚性气凝胶层外壁面温度分布数据。本发明可以获取多层热防护结构在不同压力载荷和不同温度载荷下的温度场和应变场的分布特征及变化规律，为陶瓷基复合材料多层热防护结构，提供分析模型的原理性试验验证方法。法。法。


技术研发人员：梁旋 王元红 屠泽灿 杨嘉 毛军逵 赵陈伟 朱爱玲
受保护的技术使用者：北京动力机械研究所
技术研发日：2023.03.29
技术公布日：2023/7/22