CN110261238B - 超重力环境固定式多场耦合作用下材料性能测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超重力环境固定式多场耦合作用下材料性能测试系统。包括吊装密封舱、承力架、高温炉、力学测试装置、缓冲装置；吊装密封舱内部固定安装有承力架和高温炉，承力架罩在高温炉上，缓冲装置安装于高温炉内的底部，力学测试装置上下两端连接在承力架顶部和高温炉底部内，试样连接安装在力学测试装置末端。本发明解决高速旋转状态下体积力‑面力‑温度耦合作用下材料动态性能测试的难题，装置结构简单，操作方便且安全可靠。

Description

超重力环境固定式多场耦合作用下材料性能测试系统

技术领域

本发明涉及材料性能测试技术领域，尤其涉及一种超重力环境下固定式体积力-面力-温度耦合作用下材料性能测试系统。

背景技术

随着现代航空发动机推重比增加和涡轮级数减少，涡轮前燃气进口温度从上世纪70年代的1400-1500K发展到本世纪初的1600-1750K，推重比12-15发动机涡轮前燃气进口温度将高达2000-2200K，这对发动机核心热端部件提出了更高的性能要求。高压涡轮工作叶片作为热端部件关键组成部分之一，服役时长期工作在高温、高压、高转速、交变负载等耦合加载条件下。

服役时涡轮工作叶片绕发动机轴线高速旋转，其作用是利用燃气膨胀做功，将燃气的位能和热能转换为转子的机械功，所以服役过程中涡轮工作叶片主要承受离心载荷、热载荷、气动载荷和振动载荷的耦合作用。离心载荷产生的离心应力，属于体积力，使积叠线与径向线不完全重合的弯扭结构叶片，同时产生径向拉应力、扭转应力和弯曲应力。热载荷产生的热应力与几何约束密切相关，几何约束越多，热应力越大，尤其气膜孔处的应力集中，将显著减低叶片的疲劳寿命。气动载荷产生的气动力，是一种表面分布压力，属于面积力，作用在叶片各个表面，沿叶高和叶宽方向呈不均匀分布。因此，涡轮工作叶片在径向拉应力、扭转应力、弯曲应力和热应力的耦合作用下同时发生剪切变形、拉伸变形和扭曲变形，这显然不同于实验室单轴应力状态下的变形行为。

原子固相扩散是导致材料服役过程中微观组织演化的根本原因，叶片高速旋转产生的体积力-面力-温度动态耦合显著增加原子在界面、位错、空洞等缺陷处的扩散速率，使其显微结构演化不同于轴向面力作用。同时，密度不同的析出相在超重力作用下，由于其弹性模量、热膨胀性等不同在各析出相之间产生复杂的互不协调的塑性变形，进一步增大不同密度物质间相对运动的驱动力，进而在材料内部产生巨大的内应力，致使材料的损伤机制显著不同于面力作用下材料损伤机制。

发明内容

为了解决针对上述高速旋转状态下体积力-面力-温度耦合作用下材料动态性能测试的难题，本发明首创提供了一种超重力环境下固定式体积力-面力-温度耦合作用下材料性能测试系统，装配简单、使用方便、安全系数高，并且是用于超重力工况的材料性能测试，该装置适合1g-2500g超重力环境下，温度从室温-1600℃，提供的最大面力为300kN。

本发明解决高速旋转状态下材料高温力学性能测试的关键难题。利用该装置，借助超重力环境下，可以实时获得体积力-面力-温度耦合环境下材料力学性能数据。

本发明采用的技术方案：

本发明包括吊装密封舱、承力架、高温炉、力学测试装置、缓冲装置；吊装密封舱内部固定安装有承力架和高温炉，承力架罩在高温炉上，缓冲装置安装于高温炉内的底部，力学测试装置上下两端连接在承力架顶部和高温炉底部内，试样6连接安装在力学测试装置末端。

所述的吊装密封舱包括上密封穹顶和吊装密封腔体，吊装密封腔体内部设有腔体，腔体上端开口，吊装密封腔体的两侧侧壁向外连接有舱体吊耳，两侧的舱体吊耳铰接连接到超重力离心机的吊篮转臂上，上密封穹顶通过螺栓安装连接到吊装密封腔体的腔体开口端面并密封连接；上密封穹顶的中央安装有舱体接口件，舱体接口件具体包括上玻璃压装法兰、上法兰紧固螺钉、石英玻璃和真空插座，石英玻璃被上玻璃压装法兰固定安装在通讯上密封舱盖顶部中心的开口处，上玻璃压装法兰通过上法兰紧固螺钉固定于上密封舱盖顶部，通讯上密封舱盖，通讯舱体底部开孔，开孔处安装真空插座。

所述的上密封穹顶外边缘开设第二螺孔，螺栓穿过第二螺孔连接到吊装密封腔体，从而使得上密封穹顶与吊装密封腔体连接。

所述的舱体吊耳径向伸出的凸耳部分的面开设多个间隔的固定孔，螺栓穿过固定孔连接到超重力离心机的转臂，使得舱体吊耳通过固定孔及螺栓与超重力离心机的转臂相连。

所述的吊装密封腔体外侧壁上开设有真空接口，真空接口直接和吊装密封舱外部的真空管道连接；吊装密封腔体的腔体内底面固定安装有布线支架，所吊装密封腔体外侧壁上开设有真空接口、接线孔和安装孔，接线孔处安装接线电级，接线电级经过接线孔与吊装密封腔体内部的布线支架相连；弱信号控制电线经过安装孔与布线支架相连。

所述的承力架为圆弧凸台结构，安装在吊装密封舱的内部，吊装密封舱的内壁加工出台阶面，承力架外边缘通过螺栓固定在台阶面上，罩在高温炉的上方。

所述的高温炉固定于超重力试验舱中，所述的高温炉包括从上到下依次布置连接的上炉体、中炉体、下炉体以及隔热保温层、高强度炉管、发热体和炉体承载体；上炉体主要由上隔热盖、上腔体外壳、上腔体中壳、上腔体隔热层、上腔体下固定盖组成，上腔体外壳、上腔体中壳、上腔体隔热层分别从外到内安装形成上炉三层结构，上隔热盖和上腔体下固定盖分别安装于上炉三层结构的上端和下端使得上炉三层结构固定连接，上腔体外壳和上腔体中壳之间以及上腔体中壳和上腔体隔热层之间均有间隙作为空气隔热层；中炉体主要由中隔热盖、中腔体外壳、中腔体中壳、中腔体隔热层、中腔体下固定盖组成，中腔体外壳、中腔体中壳、中腔体隔热层分别从外到内安装形成中炉三层结构，中隔热盖和中腔体下固定盖分别安装于中炉三层结构的上端和下端使得中炉三层结构固定连接，中腔体外壳和中腔体中壳之间以及中腔体中壳和中腔体隔热层之间均有间隙作为空气隔热层；上炉体的上腔体下固定盖和中炉体的中隔热盖之间固定连接；下炉体主要由下隔热盖、下腔体外壳、下腔体中壳、下腔体隔热层、下腔体下固定盖组成，下腔体外壳、下腔体中壳、下腔体隔热层分别从外到内安装形成下炉三层结构，下隔热盖和下腔体下固定盖分别安装于下炉三层结构的上端和下端使得下炉三层结构固定连接，下腔体外壳和下腔体中壳之间以及下腔体中壳和下腔体隔热层之间均有间隙作为空气隔热层；中炉体的中腔体下固定盖和下炉体的下隔热盖之间固定连接；炉体承载体置于下炉体的下腔体隔热层底部，高强度炉管置于炉体承载体上，高强度炉管外分别和上炉体的上腔体隔热层、中炉体的中腔体隔热层、下炉体的下腔体隔热层之间填充有隔热保温层；高强度炉管内部加工有螺旋状凹槽，螺旋状凹槽装有螺旋状的发热体，螺旋状凹槽在朝向高强度炉管内壁的一侧开设有散热通道，通过散热通道将发热体产生的热量均匀辐射到高强度炉管中央。

所述的力学测试装置置于超重力试验舱中，所述的力学测试装置包括拉杆、固线结构、夹头、热电偶、紧缩螺母和面力加载块；拉杆的顶端与吊装密封舱内的承力架顶端中央固定相连，拉杆主要用来承受材料性能测试过程中体积力和面力耦合作用产生的拉应力；拉杆底端经夹头和试样上端相连，试样为待测试材料力学性能的样品；试样下端设有外螺纹，试样下端的外螺纹旋入到面积加载块的螺纹孔中并通过紧缩螺母紧固连接；面积加载块具体为带有可调节自身重量的块结构，通过不同重量的面积加载块结合离心机不同转速的离心力对试样施加不同面力；面力加载块下端面放置在缓冲装置上，缓冲装置置于超重力试验舱的底部；三根热电偶的探测端焊接在试样的不同位置处，应变片安装在焊接在试样上，三根热电偶和应变片的输出端由导线引出连接到外部的信号采集器，拉杆中部安装有多个固线结构，导线经固线结构引出并固定位置；拉杆的下部和试样置于高温炉的高强度炉管内，面积加载块穿过高温炉的高强度炉管伸入到缓冲装置中。

所述的固线结构包括第一固定环、第二固定环、固定瓷座和瓷座保护件；第一固定环和第二固定环均具有半圆缺口，第一固定环和第二固定环半圆缺口之间对接形成套装在拉杆外的圆形口；瓷座保护件通过螺栓固定于第二固定环侧面，瓷座保护件和第二固定环之间夹装有固定瓷座，固定瓷座上开设有用于热电偶和应变片的输出导线贯穿的孔。

所述的夹头上端面和下端面设有螺纹孔，拉杆底端的外螺纹旋入连接到的夹头上端面的螺纹孔中，试样上端也有外螺纹，试样上端的外螺纹旋入连接到的夹头上端面的螺纹孔中。

所述的拉杆顶端设有外凸缘，外凸缘上开设有用于连接材料力学性能试验舱承力装置的固定螺孔，螺栓穿过固定螺孔将拉杆顶端固定于材料力学性能试验舱的承力装置。

体积力-面力-温度耦合作用如图11所示，实验过程中，超重力离心机旋转下，试样6通过自重产生离心力F₁和F_剪切应力，面力加载块4-5在离心力作用下对试样6施加一个恒定的径向拉应力F₂，即面积力。改变超重力离心机的旋转转速，改变体积力F₁和F_弯曲应力；改变面力加载块4-5重量，改变面积力F₂。

将力学测试装置4放置在高温炉3里，对试样施加温度载荷，这样就形成一个体积力-面力-温度耦合作用材料性能测试环境，工作原理如图11所示。

超重力环境下悬挂式体积力-面力-温度耦合作用下的试样材料性能测试过程是在抗高温条件、特殊气氛环境、超重力等要求下完成的，考虑到此装置的运行环境，本发明设计的测试装置解决了超重力带来的技术影响，符合高强度轻质量的理念，结构模块化设计，实验准备周期短，测试过程安全可靠。

本发明的技术特点和优势：

本发明具有模拟航空发动机、航天发动机、燃气轮机等高速旋转装置服役环境的能力，即模拟高速旋转过程中试样除了承受发动机起动、停车循环高温燃气冲刷和温度交变外，还要承受高速旋转产生的离心应力和轴向动态载荷。

其中，高速旋转下试样自重产生的离心应力(ρ为密度，ω为转速，r为旋转半径，rtip为叶片尖端曲率半径)在试样顶端截面处为零，沿试样向转抽方向逐渐增大，在试样根部截面处的离心拉伸应力最大，由此在试样内部产生极高的离心应力梯度。如果试样形状复杂，试样各截面重心连线与旋转轴不完全重合，旋转时试样除承受离心力外，同时也承受巨大的离心力弯矩。所以，本发明能够模拟高速旋转部件服役过程中的真实受力状态，即试样自重产生的离心应力、热应力、振动应力、扭矩产生的剪切应力等多种应力动态耦合环境下的应力状态，从而具备测试复杂应力状态下材料性能的能力。

本发明的特点为：

(1)该装置能在1g-2500g超重力环境下工作。

(2)高温炉实验温度从室温-1600℃。

(3)装置提供的最大面力为300kN。

(4)在材料力学性能测试过程中，离心主机旋转试样通过自重产生离心力。面力加载块在离心力作用下对试样施加一个恒定的径向拉应力，即面积力。改变离心主机转速，改变体积力；改变面力加载块重量，可以改变施加在试样上的面积力。

(5)根据高温炉的炉丝类型，可以实现室温-1600℃的高温测试环境。

附图说明

图1是本发明材料性能测试系统的整体结构图。

图2是本发明作为固定式实验舱的吊装密封舱1的整体剖视图。

图3是吊装密封腔体11-7的示意图；

图4是舱体吊耳3的示意图，

图5是舱体接口件1的主视图；

图6是高温加热装置的主视图；

图7为高强度炉管317的结构剖视图及其局部放大图；

图8为发热体的结构示意图；

图9是力学测试装置4主视图；

图10是固线结构的示意图。

图11是本发明超重力材料性能测试系统下的施力原理图。

图中：吊装密封舱1、承力架2、高温炉3、力学测试装置4、缓冲装置5、试样6、舱体接口件11-1、上密封穹顶11-2、舱体吊耳11-3、真空接口11-4、接线电级15、布线支架16、吊装密封腔体11-7；上隔热盖31、上腔体外壳32、上腔体中壳33、上腔体隔热层34、上腔体下固定盖35、中隔热盖36、中腔体外壳37、中腔体中壳38、中腔体隔热层39、中腔体下固定盖310、下隔热盖311、下腔体外壳312、下腔体中壳313、下腔体隔热层314、下腔体下固定盖315、隔热保温层316、高强度炉管317、发热体318、炉体承载体319；拉杆41、固线结构42、夹头43、热电偶44、紧缩螺母46、面力加载块47；42-1.固定螺孔；43-1.第一固定环；43-2第二固定环；43-3固定瓷座；43-4瓷座保护件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，具体实施的系统包括吊装密封舱1、承力架2、高温炉3、力学测试装置4、缓冲装置5；吊装密封舱1内部固定安装有承力架2和高温炉3，承力架2罩在高温炉3上，缓冲装置5安装于高温炉3内的底部，力学测试装置4上下两端连接在承力架2顶部和高温炉3底部内，试样6连接安装在力学测试装置4末端。

具体实施的系统具体为：

吊装密封舱1为体积力-面力-温度耦合作用环境提供一个密封载体。如图2所示，吊装密封舱1包括上密封穹顶11-2和吊装密封腔体11-7，吊装密封腔体11-7内部设有腔体，腔体上端开口，吊装密封腔体11-7的两侧侧壁向外连接有舱体吊耳11-3，两侧的舱体吊耳铰接连接到超重力离心机的吊篮转臂上，上密封穹顶11-2通过螺栓安装连接到吊装密封腔体11-7的腔体开口端面并密封连接，吊装密封腔体11-7与上密封穹顶11-2密封采用双层氟橡胶提高密封性；

吊装密封舱1为体积力-面力-温度耦合作用环境提供一个密封载体。吊装密封舱1通过舱体吊耳与超重力离心机相联，实验过程中，保证内部结构的稳定运行。根据高G值下压力容器标准设计，为满足超重力下的强度要求，吊装密封腔体11-7材料选用轻质高强材料，轻质高强材料具体为TC4钛合金，腔体表面采用电抛光处理。

上密封穹顶11-2的中央安装有舱体接口件11-1，舱体接口件11-1用于和通过离心机转壁引进的真空管线、强电电线和弱信号电线相连，如图5所示，舱体接口件11-1具体包括上玻璃压装法兰12-1、上法兰紧固螺钉12-2、石英玻璃12-3和真空插座12-6，石英玻璃12-3被上玻璃压装法兰12-1固定安装在通讯上密封舱盖12-4顶部中心的开口处，上玻璃压装法兰12-1通过上法兰紧固螺钉12-2固定于上密封舱盖12-4顶部，通讯上密封舱盖12-4，通讯舱体12-5底部开孔，开孔处安装真空插座12-6；石英玻璃12-3用于肉眼观察吊装密封舱1内的情况，真空插座12-6用于和通过离心机转壁引进的真空管线相连。

上密封穹顶11-2外边缘开设第二螺孔，螺栓穿过第二螺孔连接到吊装密封腔体11-7，从而使得上密封穹顶11-2与吊装密封腔体11-7连接。

如图4所示，舱体吊耳11-3呈T型柱体结构，径向伸出的凸耳部分的面开设多个间隔的固定孔14-1，螺栓穿过固定孔14-1连接到超重力离心机的转臂，使得舱体吊耳11-3通过固定孔14-1及螺栓与超重力离心机的转臂相连。舱体吊耳11-3和吊装密封腔体11-7相连的端面开设有第三螺孔14-2，螺栓穿过第三螺孔14-2连接到吊装密封腔体11-7，使得舱体吊耳11-3通过第三螺孔14-2及螺栓与吊装密封腔体11-7相连。吊装密封腔体11-7外侧壁上开设有真空接口11-4，真空接口11-4直接和吊装密封舱1外部的真空管道连接；吊装密封腔体11-7的腔体内底面固定安装有布线支架16，如图2和图3所示，所吊装密封腔体11-7外侧壁上开设有真空接口11-4、接线孔17-1和安装孔17-2，接线孔17-1处安装接线电级15，接线电级15经过接线孔17-1与吊装密封腔体11-7内部的布线支架16上的强电电线相连；弱信号控制电线经过安装孔17-2与布线支架16上的弱信号控制电线相连。

真空接口11-4用于连接真空系统的抽气接口、监测炉内压力的压力表接口、控制炉内压力的安全阀接口。接线电级11-5用于连接加热系统电缆。布线支架11-6为超重力环境下的高温装置提供一种布线支架，解决超重力凝固过程中的加热、保温、温度控制等问题。

承力架2主要功能是起到支撑拉伸力和承受试样自身产生的离心力。承力架2为圆弧凸台结构，安装在吊装密封舱1的内部，吊装密封舱1的内壁加工出台阶面，承力架2外边缘通过螺栓固定在台阶面上，罩在高温炉3的上方，从而用于安装承力架2。考虑到其使用过程及环境，承力架2设计为整体弧形结构，增加强度，表面时效氮化处理，加强其硬度及强度，能承受高温和超重力，能防止受力变形。

高温炉3主要功能是提供试样测试所需的热环境，安装在吊装密封舱1的内部，罩在承力架2的下方。

如图6所示，高温炉3固定于超重力试验舱中，高温炉3包括从上到下依次布置连接的上炉体、中炉体、下炉体以及隔热保温层316、高强度炉管317、发热体318和炉体承载体319；上隔热盖31、上腔体外壳32、上腔体中壳33、上腔体隔热层34、上腔体下固定盖35、中隔热盖36、中腔体外壳37、中腔体中壳38、中腔体隔热层39、中腔体下固定盖310、下隔热盖311、下腔体外壳312、下腔体中壳313、下腔体隔热层314、下腔体下固定盖315组成一个三个炉体构成的圆筒状高温炉3的外壳，主要用来在超重力环境下固定高温炉3，且在超重力环境下起到保护炉体的作用，总体形成了一个高温炉。

上炉体主要由上隔热盖31、上腔体外壳32、上腔体中壳33、上腔体隔热层34、上腔体下固定盖35组成，上腔体外壳32、上腔体中壳33、上腔体隔热层34分别从外到内安装形成上炉三层结构，上隔热盖31和上腔体下固定盖35分别安装于上炉三层结构的上端和下端使得上炉三层结构固定连接，上隔热盖31用来固定上炉体的上炉三层结构且起到隔热保温作用；上腔体外壳32和上腔体中壳33之间以及上腔体中壳33和上腔体隔热层34之间均有间隙作为空气隔热层，空气隔热层起到隔热保温的作用防止炉内热量散失。

中炉体主要由中隔热盖36、中腔体外壳37、中腔体中壳38、中腔体隔热层39、中腔体下固定盖310组成，中腔体外壳37、中腔体中壳38、中腔体隔热层39分别从外到内安装形成中炉三层结构，中隔热盖36和中腔体下固定盖310分别安装于中炉三层结构的上端和下端使得中炉三层结构固定连接，中隔热盖36用来固定中炉体的中炉三层结构且起到隔热保温作用；中隔热盖36具有隔热保温作用，防止热量在超重力作用下向下传导；中腔体外壳37和中腔体中壳38之间以及中腔体中壳38和中腔体隔热层39之间均有间隙作为空气隔热层，空气隔热层起到隔热保温的作用防止炉内热量散失；上炉体的上腔体下固定盖35和中炉体的中隔热盖36之间通过螺栓固定连接，上腔体下固定盖35和中隔热盖36连接用来连接上炉体和中炉体。

下炉体主要由下隔热盖311、下腔体外壳312、下腔体中壳313、下腔体隔热层314、下腔体下固定盖315组成，下腔体外壳312、下腔体中壳313、下腔体隔热层314分别从外到内安装形成下炉三层结构，下隔热盖311和下腔体下固定盖315分别安装于下炉三层结构的上端和下端使得下炉三层结构固定连接，下隔热盖311用来固定下炉体的下炉三层结构且起到隔热保温作用；下隔热盖311具有隔热保温作用，防止热量在超重力作用下向下传导，下腔体下固定盖315用来将高温炉3固定在吊装密封舱(1)的底部。下腔体外壳312和下腔体中壳313之间以及下腔体中壳313和下腔体隔热层314之间均有间隙作为空气隔热层，空气隔热层起到隔热保温的作用防止炉内热量散失；中炉体的中腔体下固定盖310和下炉体的下隔热盖311之间通过螺栓固定连接，中腔体下固定盖310和下隔热盖311连接用来连接中炉体和下炉体。

整个炉体通过上隔热盖31、上腔体下固定盖35、中隔热盖36、中腔体下固定盖310、下隔热盖311和下腔体下固定盖315四个地方对炉体进行加强，提高整个炉体在超重力环境下的刚度和强度，防止炉体运行过程中变形和破坏。上腔体下固定盖35和中隔热盖36、中腔体下固定盖310和下隔热盖311之间通过高强螺栓联接，方便安装及维护。

炉体承载体319置于下炉体的下腔体隔热层314底部，高强度炉管317置于炉体承载体319上，炉体承载体319置于超重力试验舱底面上，炉体承载体319用来支撑整个炉体重量，以及超重力作用下产生的压应力，同时隔热，防止热量在超重力下通过热传导到吊装密封舱(1)的底部。高强度炉管317外分别和上炉体的上腔体隔热层34、中炉体的中腔体隔热层39、下炉体的下腔体隔热层314之间填充有隔热保温层316；高强度炉管317内部加工有螺旋状凹槽318-1，如图7所示，螺旋状凹槽318-1装有螺旋状的发热体318，如图8所示，螺旋状凹槽318-1在朝向高强度炉管317内壁的一侧开设有散热通道318-2，通过散热通道318-2将发热体318产生的热量均匀辐射到高强度炉管317中央。

工作过程中发热体318产生热量，通过辐射加热高强度炉管317，在高强度炉管317中央形成高温区，通过改变不同高度位置的螺旋状凹槽318-1螺距进而改变不同高度位置的发热体318在高强度炉管317间距，调整不同高度位置的加热温度，从而可以实现形成均匀的温度区或非均匀的温度梯度区。

本发明的高强度炉管317和发热体318的结构设计，这样能发热体318防止发热体在超重力环境下脱落，并且还能通过调整螺旋状凹槽不同位置处的螺距调整加热效果。

具体实施中，炉壳32、33、36、37、312、313采用航空航天轻质高强材料，设置2层隔热屏和一层保温层，利用真空环境防止热辐射，并有效防止高温传导。

隔热保温层316为由低热导率材料组成，采用莫来石，防止热量通过传导传递到炉外。

高强度炉管317采用高强度、低导热系数的陶瓷制作。

高强度炉管317加工的螺旋状凹槽螺距：发热体318在超重力条件下容易拉升变形，甚至断裂。需考虑发热体318布局设计外还得考虑发热体318所带来的一系列变化影响，如防止在超重力条件下发热体318变形移动(严重时断裂)，从而影响设备的整体运行。

发热体318的选型：不同的发热体318允许使用的最高温度和对使用环境的要求不一样，需结合此装置的具体使用条件(最高工作温度、真空环境和超重力环境)确定发热体318类型。如铁铬铝电热合金丝和铂金丝等。

为防止超重力下高强度炉管317自重造成的变形，高温炉3炉体设计为三层分体式，每层单独加固保温层。

炉体承载体319支撑整个高强度炉管317、保温层的重量，以及试样过程中产生的超重力，炉体承载体319是通过高强螺栓固定在吊装密封舱1底部。

高温炉3安装使用时，先将下腔体下固定盖315通过螺栓固定于吊装密封舱(1)底部，炉体承载体319安装于下腔体下固定盖315上，下腔体外壳312、下腔体中壳313、下腔体隔热层314通过螺栓与下腔体下固定盖315连接，下隔热盖311通过螺栓与中腔体下固定盖310连接，中腔体中壳38、中腔体隔热层39、中腔体下固定盖310通过螺栓与中腔体下固定盖310连接，再通过螺栓与上腔体下固定盖35、中隔热盖36连接。

将莫来石的隔热保温层316直接放置在陶瓷的高强度炉管317和下腔体隔热层314、中腔体隔热层39、上腔体隔热层34之间。莫来石的隔热保温层316既可以起到缓冲作用又可以隔绝热量。

高温炉3可重复使用，仅需要通过更换合适的发热体318和高强度炉管317以满足不同的实验要求，具有结构简单且安全系数较高的优点。

力学测试装置4主要功能是提供试样测试所需的力学环境和固定试样。

如图9所示，力学测试装置4置于超重力试验舱中，力学测试装置4包括拉杆41、固线结构42、夹头43、热电偶44、紧缩螺母46和面力加载块47；拉杆41的顶端与吊装密封舱1内的承力架2顶端中央固定相连，拉杆41主要用来承受材料性能测试过程中体积力和面力耦合作用产生的拉应力；拉杆41底端经夹头43和试样6上端相连，用来固定试样6，试样6为待测试材料力学性能的样品；试样6下端设有外螺纹，试样6下端的外螺纹旋入到面积加载块47的螺纹孔中并通过紧缩螺母46紧固连接，通过紧缩螺母46连接试样6和面力加载块47，紧缩螺母46用来连接试样6和面力加载块47；面积加载块47具体为带有可调节自身重量的块结构，面积加载块47是在超重力环境下通过自身重量产生的离心力给试样6施加面力，通过不同重量的面积加载块47结合离心机不同转速的离心力对试样6施加不同面力；面力加载块47下端面放置在缓冲装置上，缓冲装置置于超重力试验舱的底部，具体实施的缓冲装置采用缓冲块，缓冲装置防止力学性能测试过程中试样6断裂对试样舱产生破坏；三根热电偶44的探测端焊接在试样6的不同位置处，用来测试试样6的实验温度，应变片安装在焊接在试样6上，热电偶44和应变片用来测试实验温度和应变，三根热电偶44和应变片的输出端由导线引出连接到外部的信号采集器，拉杆41中部安装有多个固线结构42，导线经固线结构42引出并固定位置；拉杆41的下部和试样6置于高温炉3的高强度炉管317内，面积加载块47穿过高温炉3的高强度炉管317伸入到缓冲装置5的上支撑体中。

如图10所示，固线结构42包括第一固定环43-1、第二固定环43-2、固定瓷座43-3和瓷座保护件43-4；第一固定环43-1和第二固定环43-2均具有半圆缺口，第一固定环43-1和第二固定环43-2半圆缺口之间对接形成套装在拉杆41外的圆形口，拉杆41为圆柱杆；瓷座保护件43-4通过两侧的螺栓固定于第二固定环43-2侧面，瓷座保护件43-4和第二固定环43-2之间夹装有固定瓷座43-3，螺栓也穿过固定瓷座43-3，固定瓷座43-3上开设有用于热电偶44和应变片的输出导线贯穿的孔。

固线结构42用来固定热电偶和应变片的延长导线，防止他们在力学测试过程中断裂。

夹头43上端面和下端面设有螺纹孔，拉杆41底端的外螺纹旋入连接到的夹头43上端面的螺纹孔中，试样6上端也有外螺纹，试样6上端的外螺纹旋入连接到的夹头43上端面的螺纹孔中，从而使得拉杆41底端经夹头43和试样6上端相连。夹头43用来固定试样6，主要用来承受材料性能测试过程中体积力和面力耦合作用产生的拉应力。

拉杆41顶端设有外凸缘，外凸缘上开设有用于连接材料力学性能试验舱承力装置的固定螺孔，螺栓穿过固定螺孔将拉杆41顶端固定于材料力学性能试验舱的承力装置。

具体实施中，缓冲装置5采用申请日为2019.4.10，申请号为2019102853393、发明名称为《一种超重力环境下捕获高温飞断样品的缓冲装置》的中国专利中发明内容处的技术方案。缓冲装置5置于高温炉3的炉体承载体319内部或者代替炉体承载体319，上支撑体3端口朝上/朝向力学测试装置4，用以对从力学测试装置4断裂而下来的试样进行承接，放置试样对吊装密封舱1底部造成损坏。

具体实施的试样常见的可以为标准的持久、拉伸、蠕变和疲劳试样。

本发明装置使用和运行过程：

以蠕变试样作为实验对象，实验场景为例进行说明。

实验前，根据实验温度、体积力和面力确定高温炉3的加热温度、离心主机转速和面力加载块47的质量。下面详细说明该发明的使用和运行过程：

第一步：根据实验条件，确定高温炉3的加热温度、离心主机转速和面力加载块47的质量。

第二步：根据试样6尺寸，确定夹头43和紧锁螺母的尺寸。

第三步：将试样6首先通过夹头43与拉杆41相连，然后通过紧锁螺母与面力加载块47相连。

第四步：在试样6上依次焊接三个应变片，用于测试实验过程中试样6的应变；焊接一个热电偶，用于测控高温炉3的温度。

第五步：将力学测试装置4通过螺母安装在承力架2上。

第七步：将吊装密封舱1通过舱体吊耳11-3与超重力离心机的转臂铰接相联。

第八步：在焊接在试样6上的三个应变片和一个热电偶延长导线沿拉杆41与舱体接口1-1相连，再通过主机轴上的电滑环连接与地面测试系统连接。

第九步：启动真空系统，使吊装密封舱1内的真空度达到10^-2Pa。

第十步：当吊装密封舱1内的真空度达到10^-2Pa后，启动高温炉3的加热。

第十一步：当高温炉3的温度达到实验设定温度后，启动离心主机。

第十二步：当离心主机转速达到实验设定的转速后，就在高温炉3内形成一个体积力-面力-温度耦合作用的力学性能测试环境。

第十三步：实验过程中，温度和应变信号实时传给信号采集器，信号采集器将获得模拟信号转变为数字信号，再通过布线架与信号滑环连接，最后与地面测控中心连接，从而获得实验过程中试样6的应力应变曲线。

本发明装置的力学性能测试工作过程如下：

第一步：用夹头43将试样6连接到拉杆41下端，将热电偶44和应变片焊接在试样6上；

第二步：然后将超重力实验舱置于离心机的吊篮中，在超重力实验舱内放置高温炉，高温炉内腔底部放置缓冲装置5，在高温炉3内腔顶部放置承力架2，在高温炉内腔的承力架和缓冲装置之间放置所述力学测试装置4，安装上需要加热的试样6；

第三步：将焊接在试样6表面测温的热电偶的导线和信号采集器连接，信号采集器将接收温度和应变的模拟信号，并将模拟信号转变为数字信号；

第四步：地面三个强电独立回路分别连接到高温炉3的高强度炉管317的上、中、下加热区，使得高温炉3的高强度炉管317的上、中、下三个加热区分别独立加热，在不同的加热区设置不同的加热温度；

温度控制具体如下：高温炉3的高强度炉管317内安装待力学性能测试的试样，并设置有温度传感器，温度传感器连接信号采集器，信号采集器输出的导线通过布线架与弱信号导电滑环连接，再与地面测控中心连接；高温炉3设置有三路强电独立回路，三路强电独立回路控制加热内部不同高度位置的发热体318进行高温加热，将地面三个强电独立回路通过离心离心机主轴导电滑环接入超重力实验舱的布线架；离心离心机主轴导电滑环和供电柜连接。即通过布线架，将第一个强电独立回路和高温炉3上加热区连接，将第二个强电独立回路和高温炉中加热区连接，将第三个强电独立回路和高温炉下加热区连接。

具体实施中，将控制高温炉3的三个独立控温温度延长导线接入信号采集器，信号采集器将接受的温度信号，从模拟信号转变为数字信号；数字信号通过布线架与信号滑环连接，再与地面测控中心连接。

高强度炉管317作为炉管，加热利用加热丝产生热量，通过热传导加热高强度炉管317。高强度炉管317所需温度梯度及均温区由加热丝布局实现，在炉膛中形成均匀的温度场，同时承受超重力过程加高强度炉管317所产生的压力以及避免热传导对外围部件的热影响。炉温由固定或焊接在待测是试样上的温度传感器通过控温仪和测控系统控制。

第五步：离心机转轴上安装转速计，将安装在离心机转轴上的转速计信号线与弱信号导离心机主轴导离心机主轴导电滑环连接，利用加热装置上三个热电偶控制高温炉的实时温度和加热速率，利用转速计控制离心机转速，利用以下公式计算施加在试样6上的应力F：

F＝m·a＝m·R(2πN/60)²

其中，m为试样6的质量；a为离心加速度，R为试样6到离心机转轴轴线的有效距离；N为离心机的转速。

本发明在试样测试过程中，试样受力状态为：同时受到温度，自重产生的离心应力和面力加载块产生的面力，进而实时绘制获得试样在受力状态下的应力-应变曲线。

本发明能通过热电偶能独立控制高温炉3的三个不同区域的温度，实现均温加热或梯度加热，进而能调节设置温度的分布。

通过力学测试装置4进行测试，具有以下工作方式：

(1)通过焊接在试样工作段的应变片，能实时获得试样在受力状态下的应力-应变曲线，进而能测试获得离心力-高温耦合作用下材料的动态应力-应变曲线，获得材料力学性能结果；

(2)实验过程中离心力可以通过控制转速动态变化，进而能施加在试样上的面力；

(3)通过改变面力加载块重量，改变施加在试样上的面力；

(4)通过热电偶能独立控制加热装置三区不同的温度，实现均温加热或梯度加热，进而能根据需要设置试样6的温度分布。

Claims (9)

1.一种超重力环境固定式多场耦合作用下材料性能测试系统，其特征在于：包括吊装密封舱（1）、承力架（2）、高温炉（3）、力学测试装置（4）、缓冲装置（5）；吊装密封舱（1）内部固定安装有承力架（2）和高温炉（3），承力架（2）罩在高温炉（3）上，缓冲装置（5）安装于高温炉（3）内的底部，力学测试装置（4）上下两端连接在承力架（2）顶部和高温炉（3）底部内，试样（6）连接安装在力学测试装置（4）末端；

所述的高温炉（3）固定于超重力试验舱中，所述的高温炉（3）包括从上到下依次布置连接的上炉体、中炉体、下炉体以及隔热保温层（316）、高强度炉管（317）、发热体（318）和炉体承载体（319）；上炉体主要由上隔热盖（31）、上腔体外壳（32）、上腔体中壳（33）、上腔体隔热层（34）、上腔体下固定盖（35）组成，上腔体外壳（32）、上腔体中壳（33）、上腔体隔热层（34）分别从外到内安装形成上炉三层结构，上隔热盖（31）和上腔体下固定盖（35）分别安装于上炉三层结构的上端和下端使得上炉三层结构固定连接，上腔体外壳（32）和上腔体中壳（33）之间以及上腔体中壳（33）和上腔体隔热层（34）之间均有间隙作为空气隔热层；中炉体主要由中隔热盖（36）、中腔体外壳（37）、中腔体中壳（38）、中腔体隔热层（39）、中腔体下固定盖（310）组成，中腔体外壳（37）、中腔体中壳（38）、中腔体隔热层（39）分别从外到内安装形成中炉三层结构，中隔热盖（36）和中腔体下固定盖（310）分别安装于中炉三层结构的上端和下端使得中炉三层结构固定连接，中腔体外壳（37）和中腔体中壳（38）之间以及中腔体中壳（38）和中腔体隔热层（39）之间均有间隙作为空气隔热层；上炉体的上腔体下固定盖（35）和中炉体的中隔热盖（36）之间固定连接；下炉体主要由下隔热盖（311）、下腔体外壳（312）、下腔体中壳（313）、下腔体隔热层（314）、下腔体下固定盖（315）组成，下腔体外壳（312）、下腔体中壳（313）、下腔体隔热层（314）分别从外到内安装形成下炉三层结构，下隔热盖（311）和下腔体下固定盖（315）分别安装于下炉三层结构的上端和下端使得下炉三层结构固定连接，下腔体外壳（312）和下腔体中壳（313）之间以及下腔体中壳（313）和下腔体隔热层（314）之间均有间隙作为空气隔热层；中炉体的中腔体下固定盖（310）和下炉体的下隔热盖（311）之间固定连接；炉体承载体（319）置于下炉体的下腔体隔热层（314）底部，高强度炉管（317）置于炉体承载体（319）上，高强度炉管（317）外分别和上炉体的上腔体隔热层（34）、中炉体的中腔体隔热层（39）、下炉体的下腔体隔热层（314）之间填充有隔热保温层（316）；高强度炉管（317）内部加工有螺旋状凹槽（318-1），螺旋状凹槽（318-1）装有螺旋状的发热体（318），螺旋状凹槽（318-1）在朝向高强度炉管（317）内壁的一侧开设有散热通道（318-2），通过散热通道（318-2）将发热体（318）产生的热量均匀辐射到高强度炉管（317）中央；

所述的力学测试装置（4）置于超重力试验舱中，所述的力学测试装置（4）包括拉杆（41）、固线结构（42）、夹头（43）、热电偶（44）、紧缩螺母（46）和面力加载块（47）；拉杆（41）的顶端与吊装密封舱（1）内的承力架（2）顶端中央固定相连，拉杆（41）主要用来承受材料性能测试过程中体积力和面力耦合作用产生的拉应力；拉杆（41）底端经夹头（43）和试样（6）上端相连，试样（6）为待测试材料力学性能的样品；试样（6）下端设有外螺纹，试样（6）下端的外螺纹旋入到面积加载块（47）的螺纹孔中并通过紧缩螺母（46）紧固连接；面积加载块（47）具体为带有可调节自身重量的块结构，通过不同重量的面积加载块（47）结合离心机不同转速的离心力对试样（6）施加不同面力；面力加载块（47）下端面放置在缓冲装置上，缓冲装置置于超重力试验舱的底部；三根热电偶（44）的探测端焊接在试样（6）的不同位置处，应变片安装在焊接在试样（6）上，三根热电偶（44）和应变片的输出端由导线引出连接到外部的信号采集器，拉杆（41）中部安装有多个固线结构（42），导线经固线结构（42）引出并固定位置；拉杆（41）的下部和试样（6）置于高温炉（3）的高强度炉管（317）内，面积加载块（47）穿过高温炉（3）的高强度炉管（317）伸入到缓冲装置（5）中。

2.根据权利要求1所述的一种超重力环境固定式多场耦合作用下材料性能测试系统，其特征在于：所述的吊装密封舱（1）包括上密封穹顶（11-2）和吊装密封腔体（11-7），吊装密封腔体（11-7）内部设有腔体，腔体上端开口，吊装密封腔体（11-7）的两侧侧壁向外连接有舱体吊耳（11-3），两侧的舱体吊耳铰接连接到超重力离心机的吊篮转臂上，上密封穹顶（11-2）通过螺栓安装连接到吊装密封腔体（11-7）的腔体开口端面并密封连接；上密封穹顶（11-2）的中央安装有舱体接口件（11-1），舱体接口件（11-1）具体包括上玻璃压装法兰（12-1）、上法兰紧固螺钉（12-2）、石英玻璃（12-3）和真空插座（12-6），石英玻璃（12-3）被上玻璃压装法兰（12-1）固定安装在通讯上密封舱盖（12-4）顶部中心的开口处，上玻璃压装法兰（12-1）通过上法兰紧固螺钉（12-2）固定于上密封舱盖（12-4）顶部，通讯舱体（12-5）底部开孔，开孔处安装真空插座（12-6）。

3.根据权利要求2所述的一种超重力环境固定式多场耦合作用下材料性能测试系统，其特征在于：所述的上密封穹顶（11-2）外边缘开设第二螺孔，螺栓穿过第二螺孔连接到吊装密封腔体（11-7），从而使得上密封穹顶（11-2）与吊装密封腔体（11-7）连接。

4.根据权利要求2所述的一种超重力环境固定式多场耦合作用下材料性能测试系统，其特征在于：所述的舱体吊耳（11-3）径向伸出的凸耳部分的面开设多个间隔的固定孔（14-1），螺栓穿过固定孔（14-1）连接到超重力离心机的转臂，使得舱体吊耳（11-3）通过固定孔（14-1）及螺栓与超重力离心机的转臂相连。

5.根据权利要求2所述的一种超重力环境固定式多场耦合作用下材料性能测试系统，其特征在于：所述的吊装密封腔体（11-7）外侧壁上开设有真空接口（11-4），真空接口（11-4）直接和吊装密封舱（1）外部的真空管道连接；吊装密封腔体（11-7）的腔体内底面固定安装有布线支架（16），所吊装密封腔体（11-7）外侧壁上开设有真空接口（11-4）、接线孔（17-1）和安装孔（17-2），接线孔（17-1）处安装接线电级（15），接线电级（15）经过接线孔（17-1）与吊装密封腔体（11-7）内部的布线支架（16）相连；弱信号控制电线经过安装孔（17-2）与布线支架（16）相连。

6.根据权利要求1所述的一种超重力环境固定式多场耦合作用下材料性能测试系统，其特征在于：所述的承力架（2）为圆弧凸台结构，安装在吊装密封舱（1）的内部，吊装密封舱（1）的内壁加工出台阶面，承力架（2）外边缘通过螺栓固定在台阶面上，罩在高温炉（3）的上方。

7.根据权利要求1所述的一种超重力环境固定式多场耦合作用下材料性能测试系统，其特征在于：所述的固线结构（42）包括第一固定环（43-1）、第二固定环（43-2）、固定瓷座（43-3）和瓷座保护件（43-4）；第一固定环（43-1）和第二固定环（43-2）均具有半圆缺口，第一固定环（43-1）和第二固定环（43-2）半圆缺口之间对接形成套装在拉杆（41）外的圆形口；瓷座保护件（43-4）通过螺栓固定于第二固定环（43-2）侧面，瓷座保护件（43-4）和第二固定环（43-2）之间夹装有固定瓷座（43-3），固定瓷座（43-3）上开设有用于热电偶（44）和应变片的输出导线贯穿的孔。

8.根据权利要求7所述的一种超重力环境固定式多场耦合作用下材料性能测试系统，其特征在于：所述的夹头（43）上端面和下端面设有螺纹孔，拉杆（41）底端的外螺纹旋入连接到的夹头（43）上端面的螺纹孔中，试样（6）上端也有外螺纹，试样（6）上端的外螺纹旋入连接到的夹头（43）上端面的螺纹孔中。

9.根据权利要求7所述的一种超重力环境固定式多场耦合作用下材料性能测试系统，其特征在于：所述的拉杆（41）顶端设有外凸缘，外凸缘上开设有用于连接材料力学性能试验舱承力装置的固定螺孔，螺栓穿过固定螺孔将拉杆（41）顶端固定于材料力学性能试验舱的承力装置。