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高温烧蚀双轴拉伸耦合加载装置设计分析与试验研究

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高温烧蚀双轴拉伸耦合加载装置设计分析与试验研究

作者：潘张永吉林大学

学位级别：硕士

热防护材料作为一种战略性结构材料,因其优异的高温力学性能,被广泛应用于航空航天和国防领域的高精尖装备中,材料的服役环境不仅包括极端高温,往往还伴随着复杂机械载荷的综合作用,探索并揭示热防护材料在极端复杂服役环境中的力学性... 详细信息

热防护材料作为一种战略性结构材料,因其优异的高温力学性能,被广泛应用于航空航天和国防领域的高精尖装备中,材料的服役环境不仅包括极端高温,往往还伴随着复杂机械载荷的综合作用,探索并揭示热防护材料在极端复杂服役环境中的力学性能变化和损伤失效机理对其应用和发展具有重要意义。长期以来,国内外的环境性能测试基本是以空气、真空或惰性保护气氛下的高温性能代替真实服役环境性能,这与材料真实的服役工况间存在较大差距,不足以完全模拟材料受到的氧化损伤和复杂载荷作用,将导致测试结果缺乏真实性,而进行完全等同于实际工况的全环境因素测试,成本高昂,耗资巨大。因此,发展材料在接近真实服役环境的性能模拟测试技术,明确材料在服役环境中的性能及演变规律十分迫切,本文针对热防护材料同时受到烧蚀和复杂机械载荷耦合作用的服役工况,设计搭建了可同时对材料进行高温火焰烧蚀与双轴拉伸载荷耦合加载的试验装置,为掌握热防护材料在接近复杂服役环境下的性能试验提供了方法。本文首先对碳/碳(C/C)复合材料进行了单轴拉伸试验,获得了材料的基本力学参数,根据双轴载荷加载平台的工作范围确定了试件基本尺寸,通过有限元软件对双轴碳/碳复合材料的形状尺寸进行了设计优化,分析了两种不同的过渡形式及试件减薄区厚度对试件的影响,最终得到了优化后的试件参数组合。针对碳/碳复合材料各向异性的特点,使用COMSOL软件构建了材料的三维结构模型并对在外加热源作用下的材料温度场分布进行了模拟。其次对高温火焰烧蚀下的双轴试件夹持方案进行了设计,夹具通过楔面对试件加载,夹具内部设计了水冷流道用于冷却,利用有限元软件对夹具的力学强度和高温加载下的温度分布进行了模拟,结果表明夹具的力学性能和散热能力满足设计要求。设计并建立了高温火焰烧蚀与双轴拉伸载荷耦合加载的试验装置,主要包括高温火焰烧蚀模块、双轴载荷加载平台、基于DIC技术的应变测量系统和多维温度测量模块,通过优化空间布局,降低了各加载和测量系统间的相互影响,设计了水卡量热计的结构,并利用有限元软件对流场和温度场进行了分析,通过水卡量热计测量了氧乙炔火焰的热流密度,使用热外热像仪对火焰的温度场分布进行了测量,获得了火焰烧蚀模块的性能参数。开展了1500℃下高温火焰烧蚀和双轴拉伸耦合加载试验,通过DIC应变测量系统和红外热像仪等同步获取了试件中心区域的应变和温度场等信息,绘制了材料的应力应变曲线。同时开展了1500℃下真空高温和双轴拉伸耦合加载的对比试验,试验表明火焰烧蚀和双轴拉伸耦合加载的试件抗拉强度为59.3MPa,与常温单轴拉伸相比强度下降约19.9%,真空高温与双轴拉伸耦合加载的试件抗拉强度为117.2MPa,与常温单轴拉伸强度相比则提高约49.9%,相比于真空高温环境,火焰烧蚀耦合加载试验的材料抗拉强度降低约46.6%。利用激光共聚焦显微镜、SEM及EDS对火焰烧蚀耦合、真空高温耦合加载下的破坏试件进行了表征和分析,材料的线烧蚀率和体积烧蚀率分别为0.0273mm/s和0.0287g/s,SEM发现火焰烧蚀耦合加载后的试件表面出现沟槽和氧化物并伴有基体消失、纤维尖化及包鞘结构的明显特征,分析了两种试验条件下微观结构的形成原因,并对其宏观力学性能做了解释。

关键词：高温力学性能测试 C/C复合材料复杂载荷火焰烧蚀耦合加载

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气动加载与振动激励耦合试验方法研究

实验力学 2014年第4期29卷 499-505页

作者：李益萱张治君邵闯中国飞机强度研究所西安710065

飞机结构在飞行过程中同时承受气动载荷和振动载荷的联合作用,这两种载荷的耦合加载试验对于飞机结构成为一项重要的研究内容,所以有必要对此类试验的可行性及其耦合加载方式进行研究。此次试验以气囊加载静载/常规疲劳载荷状态下试件... 详细信息

飞机结构在飞行过程中同时承受气动载荷和振动载荷的联合作用,这两种载荷的耦合加载试验对于飞机结构成为一项重要的研究内容,所以有必要对此类试验的可行性及其耦合加载方式进行研究。此次试验以气囊加载静载/常规疲劳载荷状态下试件的振动响应测试为目的,设计符合试验要求的试件和整套试验装置。得到了气囊5种不同加载情况下试件振动响应变化情况,并对此试验结果进行了理论分析,得出以下结论:a)气囊模拟静载/常规疲劳载荷加载不会大幅改变结构本身振动特性,此耦合试验方法所模拟环境比较接近飞机结构真实载荷环境;b)加载气囊的个数、部位及加载力的不同对试件结构的振动响应有一定影响,应增加气囊蓄能器或在试验前进行分析以选择合理的加载点。

关键词：气动载荷振动载荷耦合加载振动响应测试

动静载耦合作用下工作面冲击危险的数值模拟分析

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煤炭工程 2017年第11期49卷 89-93页

作者：王勇余进江王林均肖俊贤舒恒瑜黄明姚荐达贵州民族大学建筑工程学院贵州贵阳550025 煤炭工业石家庄设计研究院贵州分院贵州贵阳550001

针对工作面开采过程中经常受到爆破震动、顶板垮落以及远场地震等动力扰动作用,开采过程中易诱发冲击危险。基于FLAC^(3D)数值模拟软件,以工作面静载20MPa、28MPa、36MPa为基础,在此基础上分别施加扰动应力波峰值为10MPa、20MPa、30MPa... 详细信息

针对工作面开采过程中经常受到爆破震动、顶板垮落以及远场地震等动力扰动作用,开采过程中易诱发冲击危险。基于FLAC^(3D)数值模拟软件,以工作面静载20MPa、28MPa、36MPa为基础,在此基础上分别施加扰动应力波峰值为10MPa、20MPa、30MPa的动载作用,分析动静载耦合作用下工作面顶底板垂直应力与位移的演化规律。结果表明:静载相同时,随着动力扰动荷载的增加,垂直应力与位移受到动力扰动的现象越明显,顶底板均易出现扰动失稳;随着扰动循环次数的增加,顶底板垂直应力呈现出逐渐降低的趋势,表明煤体的损伤程度逐渐增大。同一动载扰动时,随着静载的增大,工作面顶底板的垂直应力与位移也呈现出逐渐增大的趋势,从而发生冲击危险的可能性越大。

关键词：动力扰动冲击地压应力波数值模拟耦合加载

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旋挖钻机高效入岩机理及其工程应用

中国公路学报 2009年第3期22卷 121-126页

作者：黎中银夏柏如吴方晓中国地质大学工程学院北京100083 北京市三一重机有限公司北京102226

通过对岩石破碎理论的分析,揭示出了岩石的破碎效率受动静载荷、预加静压力及加载方式的影响。基于岩石破碎机理,对SR220R型入岩旋挖钻机进行技术改造,通过动静耦合加载、利用施工工法构造岩石自由面和不进行钻头速度控制3种方式,实现... 详细信息

通过对岩石破碎理论的分析,揭示出了岩石的破碎效率受动静载荷、预加静压力及加载方式的影响。基于岩石破碎机理,对SR220R型入岩旋挖钻机进行技术改造,通过动静耦合加载、利用施工工法构造岩石自由面和不进行钻头速度控制3种方式,实现对岩石的冲击-静压-拖动剪切的联合作用效果,提高旋挖钻机的破岩效率。现场试验结果表明:SR220R型入岩旋挖钻机可实现岩石的跃进破碎,达到了高效入岩的目的;入岩机理分析正确,可用于工程实践。

关键词：机械工程旋挖钻机试验研究入岩机理耦合加载

超声速飞行器防护罩载荷谱加载装置设计与试验研究

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超声速飞行器防护罩载荷谱加载装置设计与试验研究

作者：马恩泽吉林大学

学位级别：硕士

作为现代航空航天和国防技术的重要组成部分,超声速飞行器以其卓越的高速飞行能力而著称,在航天领域技术发展中扮演着关键角色。超声速飞行器在服役过程中的实际工况不仅包括极端高速气流的冲击,还包括复杂的气动热负载。掌握这些复杂... 详细信息

作为现代航空航天和国防技术的重要组成部分,超声速飞行器以其卓越的高速飞行能力而著称,在航天领域技术发展中扮演着关键角色。超声速飞行器在服役过程中的实际工况不仅包括极端高速气流的冲击,还包括复杂的气动热负载。掌握这些复杂条件下结构性能变化和损伤失效机制对于提高其应用和发展至关重要。传统的环境性能测试通常在简化的气流或真空条件下进行,无法准确复制超声速飞行器的真实服役条件。这种差异阻碍了准确模拟气动加热和复杂负载的效果,导致测试结果缺乏真实性,且进行全面的环境测试以模拟实际条件既昂贵又耗费资源。因此,迫切需要改进在接近实际服役环境下飞行器性能模拟测试技术和方法。本文设计并构建了一种针对超声速飞行器防护罩在服役工况下的测试装置,该装置可以模拟其受到高速气流冲击和复杂的气动热负载及力学加载耦合的复杂工况,为模拟超声速飞行器的实际工况提供了一种方法。本文首先深入分析了超声速飞行器在复杂服役环境中所面临的挑战,特别关注了气动热效应对其结构性能的影响。针对实际工况的模拟,本文综述了当前力-热联合加载试验技术的研究进展,并基于气动热效应,利用FLUENT软件建立了温度场分布的数学模型;通过对该模型进行力学求解和温度场仿真,采用四点雨流计数法,分别构建了力场和温度场的均值载荷谱和幅值载荷谱,其中最大载荷达到4000N,最高温度为1300K。在实验测试方面,设计了一种模拟超声速飞行器防护罩的等效试件,并建立了一套高温火焰氧化烧蚀与双轴载荷耦合加载的试验装置。通过对双轴试件的夹持方案进行结构设计,结合边界热源和动载荷冲击作用力,利用COMSOL软件构建出了力-热耦合的多物理场仿真模型,并对分体式夹具的力学强度进行了校核,验证了夹持方案的可行性。为了提高实验的效率和准确性,本研究将整个实验系统进行了模块化处理,分为双轴加载结构模块、力控加载模块、高温烧蚀模块和温度采集模块,并优化了试验装置的布局。设计了各个模块的安装位置调度方案,并构建了多维温度场监测方案和基于上位机的力场监测方案。在上述基础上,编写了多轴联合控制的力学加载控制程序,并基于Power PMAC控制器建立了正弦波载荷运动控制程序。通过保证进气口压力调节电磁阀的方法开展了火焰温度场的标定试验,并编排力载荷-温度耦合加载时间表,确保了试验的有序性和严谨性。最后,开展了力-热联合温度场加载试验,测定了各个时间点的误差,其中力加载试验的局部最大误差为31.7%,温度场驻点的局部最大误差为11.2%。试验结果表明,测试试验在误差允许的范围内接近实际服役工况。通过引入基于正弦波信号的幅值加载谱(载荷频率为10Hz)并结合整个试验系统重新构建时间表,进一步优化了试验方案,确保了试验的准确性。对有无防护涂层的烧蚀试样进行对比分析,计算了它们的质量烧蚀率分别为0.0296g/s和0.0305g/s,并利用激光共聚焦显微镜对二者进行了表征,分析了烧蚀区的氧化作用机理。

关键词：超声速飞行器载荷谱高温烧蚀耦合加载防护罩

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气动加载叠加振动激励动态疲劳试验方法研究

结构强度研究 2017年第2期 46-51页

作者：李益萱张治君邵闯中航工业飞机强度研究所五室西安710065

飞机结构在飞行过程中同时承受气动载荷和振动载荷的联合作用，这两种载荷的耦合加载试验对于飞机结构成为一项重要的研究内容，所以有必要对此类试验的耦合加载方式及其可行性进行研究。此次试验以气囊加载静载／常规疲劳载荷状态下试... 详细信息

飞机结构在飞行过程中同时承受气动载荷和振动载荷的联合作用，这两种载荷的耦合加载试验对于飞机结构成为一项重要的研究内容，所以有必要对此类试验的耦合加载方式及其可行性进行研究。此次试验以气囊加载静载／常规疲劳载荷状态下试验件的振动响应测试为目的，设计符合试验要求的试验件和整套加载装置，得到了气囊5种不同加载情况下试验件振动响应变化情况，得出了以下结论：（1）气囊模拟静载／常规疲劳载荷加载不会大幅改变结构本身振动特性，此耦合试验方法所模拟环境比较接近飞机结构真实载荷环境；（2）加载气囊的个数、部位及加载力的不同对试验件结构的振动响应有一定影响，应增加气囊蓄能器或在试验前进行分析以选择合理的加载点。

关键词：气动载荷振动载荷耦合加载振动响应测试