[实用新型]高温、多碰复合环境试验装置

说明书

技术领域

本实用新型属于力和热的复合环境试验用设备领域，尤其涉及高温、多碰复合环境试验装置。

背景技术

某些产品，如包含自热源部组件的空间飞行器、武器等，其服役过程中，除了正常储存状态下的由于自热而产生的热环境外，还需经历一些特殊环境载荷。如海上、山路运输环境中的连续碰撞载荷、发射过程中的冲击碰撞载荷、爆炸及紧急事故下坠海、斜坡滚落等异常情况，这些都构成了产品所需经历的多碰-高温复合环境。

以航天发动机为例，航天发动机采用了大量的树脂基复合材料，发动机运行时环境温度达到400℃，构成其所需经历的热环境。在航天飞行器起飞或着陆时，跑道上碎石、螺钉等会对发动机造成低速、低能的多次冲击碰撞，构成其所需经历的多碰环境。高温状态的发动机部件在持续的低速低能冲击碰撞载荷作用下，树脂基层合板内部很容易产生基体开裂和分层等损伤，这些内部损伤很难直接观察到，而这些内部损伤使得层合板的强度甚至削弱35％～40％[1,2]，层合板的表面损伤很小，不易直接观察到，对复合材料层合部件的破坏形成潜在的威胁。

为了保障产品在研制生产、运输交付、使用过程中的安全可靠，针对上述环境载荷，为了考察产品的环境适应性，查找设计缺陷，有必要开展高温-多碰复合环境试验考核。

国内外进行的冲击实验普遍是破坏性实验，如使用冲击锤对试件进行一次性冲击剪切破坏实验；针对实验对象进行振动实验的研究较多，而进行非破坏性连续冲击的实验较少。此类实验在产品包装的耐冲击性实验中进行得较多，但是其连续冲击载荷较小，且研究目的多为检验包装的可靠性，而非研究包装在连续冲击载荷作用下的动力学特性。另外，国内外进行的冲击试验中，高温状态下的一次性冲击试验研究较多，尚未见到多碰、高温复合环境下的冲击试验。

国内外相关学者对于冲击、高温下的冲击、多碰系统等开展了很多研究，如下所示：

1、文献[1]表明，产品在承受多次低能量碰撞载荷时，存在损伤积累，引起裂纹等现象。根据[2,3]认为，当载荷作用时间小于被冲击体的自振周期或小于其一半左右时，称为冲击载荷。多冲碰撞载荷与一次冲击碰撞载荷不同，其冲击应力和冲击能量远小于材料的强度极限，且冲击次数较多(文献写法：运动形式呈现为反复接触-分离的特点)。

2、高温对复合材料各力学性能的影响规律，国内外学者已经做了一些研究。J.R.Kerr等[4]对不同铺层顺序的AS-5/3501复合材料层合板进行了不同温度下的拉伸强度试验研究，试验温度范围为218K～450K(-55℃～177℃)，试验结果表明，0度和45度单向板的拉伸强度随着温度的增加基本不变，而90度单向板的拉伸强度随着温度的增加而减小。

中国工程物理研究院张方举等[5]建立了一套用于高温试验的分离式霍普金森压杆SHPB系统。贾彬等[6]采用微波炉加热试件，石棉包裹保温的办法，利用这套系统研究了某产品在高温下动态力学特性。张健康[7]，李志武[8]等人，利用冲击试验机与加热炉，研究了金属、混凝土等材料在400范围内的冲击性能。

对上述做法的分析：通常只有一次冲击。这种情况下，一般是是温度加到位了以后，放进冲击设备。这种做法，一部分，如微波炉，石棉保温，这样温度保持不会很到位。另外用加热炉，时间也较短，看不出两套系统的相互耦合影响，一些材料的热膨胀，传感器粘贴方式等都没有得到很好的考验。

3、对多碰载荷下材料的力学特性研究包括：

[9]中研究了材料在多冲载荷下有明显不同于静疲劳的尺寸效应。

国内外许多学者针对工程上非常突出的多次冲击滑动摩擦磨粒磨损问题进行了较多的研究[10-14]这些研究侧重于材料在冲击滑动条件下的耐磨性。

Stanton和Bairstow最早涉足该领域，他们较深入考察了化学成分对铁素体珠光体钢冲击破断周次的影响[15]。Layland对15种典型结构钢在多冲载荷下的行为进行了考查。给出了每种材料的冲击能量A和破断周次N间的关系曲线。

上述研究未结合高温条件。

4、多碰试验机研究现状

国外的有美国MTS公司生产的886系列冲击试验机、美国AVCO公司生产的SM系列冲击试验机、日本吉田精机株式会社生产的ASQ系列冲击试验机、Lansmont公司机械式，跌落式冲击台、美国TEAM公司的振动冲击台等。可以在一台设备上产生多种力脉冲波形的智能化力脉冲发生器，辅以高度自动化的控制以及数据分析设备的新型冲击试验机。