一种测量热流固耦合作用下材料力学特性的实验装置及其实验方法
【专利摘要】本发明公开了一种测量热流固耦合作用下材料力学特性的实验装置及其实验方法，其装置部分包括管道系统、实验台、应变采集仪、计算机、材料切片以及应变片；材料切片上安装有永磁体由试验台的夹具夹持竖立伸入管道内，材料切片上方管壁外表面上设置有可调式电磁铁，其还设置有分别与计算机通讯连接的三组温度检测装置和压力检测装置以及应变采集仪；实验时，根据需要适时调节电磁力，进而调节材料切片所受作用力、通过调节水泵出口压力进而调节水流压力。本发明实验装置结构简单，安装与拆卸、使用操作简便，能充分满足热固流耦合应力应变场模拟实验的需要；其实验过程操作简便、热固流耦合应力应变场模拟真实可靠，具有较高的精度。
【专利说明】一种测量热流固耦合作用下材料力学特性的实验装置及其 实验方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种材料力学特性测试装置及其实验方法，尤其涉及一种用于测量热 流固耦合作用下材料力学特性的实验装置及其实验方法。
【背景技术】
[0002] 目前尚不存在针对热流固耦合作用下材料力学特性的测试装置，特别是没有试验 材料在高应力条件时对材料热流固耦合作用下材料疲劳强度采集的装置。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的之一是，提供一种装置结构简单、调节灵活简便的用于测量热流固 耦合作用下材料力学特性的实验装置。
[0004] 本发明为实现上述目的，所采用的技术方案是，一种测量热流固耦合作用下材料 力学特性的实验装置，包括管道系统、实验台、应变采集仪、计算机、材料切片以及粘附在材 料切片上的应变片；其特征在于，所述管道系统包括恒温水箱、一首尾连接的环形管道和水 栗；
[0005] 所述恒温水箱内设置有一加热装置；
[0006] 所述环形管道上设置有天窗；
[0007] 所述试验台包括有夹具，所述夹具用于夹持所述材料切片；
[0008] 所述永磁体插接在所述材料切片上缘，所述材料切片的下缘由所述夹具加紧；
[0009] 所述应变片粘结在所述材料切片表面的下部，并随材料切片一道通过所述天窗坚 立伸入所述环形管道内部；所述永磁铁与所述环形管道上方内壁保持一定间隙；所述应变 片整体伸入环形管道内部，应变片的底部与其下方的管壁之间保留一定间隙；
[0010] 所述应变片依次与所述应变采集仪、计算机连接；
[0011] 所述天窗包括可拆卸密封板，所述密封板上开设有供所述材料切片插入的通孔； 所述材料切片安装到位后，所述密封板在其与所述材料切片之间、所述环形管道管壁之间 均形成密封；
[0012] 所述电磁铁以所述材料切片延长线与所述环形管道上部的外壁面的交点为中心， 固定在所述环形管道的外壁面上；
[0013] 所述水泵由带变频器控制的电机驱动；
[0014] 所述温度检测装置与压力检测装置成对设置，共三对；其中，两对对称设置在所述 实验台的左右两侧；另一对设置在所述实验台的正上方；所述温度检测装置与压力检测装 置均分别与所述计算机进行通信连接；
[0015] 所述电磁体在与外接电源之间还连接有可调式变阻器。
[0016] 作为优选，上述应变片数量为三个，各应变片顶端相连接、尾端向外伸展；其中两 个应变片相互垂直，另一个应变片与上述两个应变片之间的夹角均为135°c。
[0017] 进一步优选，上述加热装置采用电磁变频加热方式加热。
[0018] 进一步优选，上述测量热流固耦合作用下材料力学特性的实验装置还包括有若干 用于支撑固定所述环形管道的支柱，所述循环管道每隔一定距离分别通过管夹固定在对应 的支柱上；
[0019] 所述循环管道整体呈椭圆形，其中心轴线所在平面与地平面成30°C夹角。
[0020] 进一步优选，上述环形管道外壁设置有保温层。
[0021] 上述技术方案直接带来的技术效果是，整个实验装置结构简单，安装与拆卸、使用 操作简便，能充分满足热固流藕合应力变场模拟实验的需要。
[0022] 本发明的目的之二是，提供一种操作简便、热固流模拟实验真实准确的测量热流 固耦合作用下材料力学特性的实验方法。
[0023] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种测量热流固耦合作用下材料力 学特性的实验装置的实验方法，包括以下步骤：
[0024] 第一步，将粘贴有应变片的材料切片通过夹具夹持、伸入环形管道内，将密封板安 装到位；
[0025] 第二步，关闭放水口，通过加水口向环形管道内加水直至加满；
[0026] 第三步，接通加热装置的电源，至环形管道内水温上升至设定温度后，接通电磁铁 电源并启动水泵，按实验目的，分别或者交替进行不同组合方式的如下操作：调节变阻器的 电阻和/或通过变频器调节水泵出口压力，直至实验人员通过计算机分析得出所需的实验 结果；
[0027] 第四步，切断各电源，开启放水口将环形管道内水排放干净；
[0028] 第五步，拆卸密封板并更换不同的材料切片后，依次重复上述步骤。
[0029] 上述技术方案直接带来的技术效果是，温度、液体（水）流速（压力）、材料应力等 变量参数可以十分方便地根据实验目的进行各种不同组合形式的任意调节，从而保证实验 人员根据研究需要获得真实准确的实验结果，其热固流耦合应力应变场模拟真实可靠，具 有较高的精度。即，在多场耦合作用下对材料力学性质进行全面的测定，并获得材料的疲劳 破断数据，为热流固耦合作用下材料的破坏相关理论研究提供基础实验数据支撑。
[0030] 综上所述，本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
[0031] 1、实验装置结构简单，安装与拆卸、使用操作简便，能充分满足热固流藕合应力变 场模拟实验的需要；
[0032] 2、实验过程操作简便、热固流耦合应力应变场模拟真实可靠，具有较高的精度；
[0033] 3、实验装置调节灵活简便。
【专利附图】
【附图说明】
[0034] 图1为本发明测量热流固耦合作用下材料力学特性的实验装置的结构原理示意 图；
[0035] 图2为试验台夹具结构示意图；
[0036] 图3为材料切片与永磁体装配结构示意图；
[0037] 图4为测量热流固耦合作用下材料力学特性的实验装置的局部放大结构示意图 之一（主要示出实验台侧面方向上的应变片、材料切片、电磁铁与实验台之间的位置连接 关系）；
[0038] 图5为测量热流固耦合作用下材料力学特性的实验装置的局部放大结构示意图 之二（主要示出实验台正面方向上的应变片、材料切片、电磁铁与实验台之间的位置连接 关系）。
[0039] 图中：1水泵、2恒温水箱、3应变片、4材料切片、5压力检测装置、6温度检测装置、 9计算机、10应变采集仪、11注水口、12放水口、13管夹、14支柱、16天窗、17密封板、19试 验台、21永磁铁、22电磁铁、23变阻器、24环形管道。
【具体实施方式】
[0040] 下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作更进一步的说明。
[0041] 如图1所示，本发明测量热流固耦合作用下材料力学特性的实验装置，包括管道 系统、实验台、应变采集仪、计算机、材料切片以及粘附在材料切片上的应变片。；
[0042] 上述管道系统包括恒温水箱2、一首尾连接的环形管道24和水泵1 ;
[0043] 恒温水箱2内设置有一加热装置（图中未示出）；
[0044] 环形管道24上设置有天窗16 ;
[0045] 如图2所示，试验台19包括有夹具18,夹具18用于夹持材料切片4 ;
[0046] 如图3所示，永磁体21插接在材料切片4上缘，材料切片4的下缘由夹具18夹 紧；
[0047] 如图1、图4、图5所示，应变片3粘结在材料切片4表面的下部，并随材料切片4 一道通过所述天窗16坚立伸入环形管道24内部；永磁铁21与所述环形管道24上方内壁 保持一定间隙；应变片3整体伸入环形管道24内部、其底部与下方管壁保留一定间隙；应 变片3依次与设置在环形管道外部应变采集仪10、计算机9连接；
[0048] 上述天窗16包括可拆卸密封板（图中未示出），密封板上开设有供材料切片插入 的通孔；材料切片安装到位后，密封板17通过密封圈在其与所述材料切片4之间、所述环形 管道24管壁之间均形成密封；
[0049] 上述电磁铁22以材料切片延长线与环形管道上部的外壁面的交点为中心，固定 在环形管道24的外壁面上；
[0050] 水泵1由带变频器控制的电机驱动；
[0051] 如图1所示，上述温度检测装置6与压力检测装置5成对设置，共三对；其中，两对 对称设置在实验台的左右两侧；另一对设置在所述实验台19的正上方；上温度检测装置6 与压力检测装置5均分别与计算机9进行通信连接（图中未示出）；
[0052] 如图4、图5所示，电磁体22在与外接电源之间还连接有可调式变阻器23。
[0053] 如图4所示，上述应变片3数量为三个，各应变片顶端相连接、尾端向外伸展；其中 两个应变片相互垂直，另一个应变片与上述两个应变片之间的夹角均为135°C。
[0054] 上述加热装置采用电磁变频加热方式加热（图中未示出）。
[0055] 如图1所示，上述测量热流固耦合作用下材料力学特性的实验装置还包括有若干 用于支撑固定环形管道的支柱14,循环管道每隔一定距离分别通过管夹固定在对应的支柱 14上；
[0056] 循环管道24整体呈椭圆形，其中心轴线所在平面与地平面成30°C夹角。
[0057] 上述环形管道外壁设置有保温层（图中未示出）。
[0058] 本发明的测量热流固耦合作用下材料力学特性的实验装置，其实验方法包括以下 步骤：
[0059] 第一步，将粘贴有应变片的材料切片通过夹具夹持、伸入环形管道内，将密封板安 装到位；
[0060] 第二步，关闭放水口，通过加水口向环形管道内加水直至加满；
[0061] 第三步，接通加热装置的电源，至环形管道内水温上升至设定温度后，接通电磁铁 电源并启动水泵，按实验目的，分别或者交替进行不同组合方式的如下操作：调节变阻器的 电阻和/或通过变频器调节水泵出口压力，直至实验人员通过计算机分析得出所需的实验 结果；
[0062] 第四步，切断各电源，开启放水口将环形管道内水排放干净；
[〇〇63] 第五步，拆卸密封板并更换不同的材料切片后，依次重复上述步骤。
【权利要求】
1. 一种测量热流固耦合作用下材料力学特性的实验装置，包括管道系统、实验台、应变 采集仪、计算机、材料切片以及粘附在材料切片上的应变片；其特征在于，所述管道系统包 括恒温水箱、一首尾连接的环形管道和水泵； 所述恒温水箱内设置有一加热装置； 所述环形管道上设置有天窗； 所述试验台包括有夹具，所述夹具用于夹持所述材料切片； 所述永磁体插接在所述材料切片上缘，所述材料切片的下缘由所述夹具加紧； 所述应变片粘结在所述材料切片表面的下部，并随材料切片一道通过所述天窗坚立伸 入所述环形管道内部；所述永磁铁与所述环形管道上方内壁保持一定间隙；所述应变片整 体伸入环形管道内部、应变片的底部与其下方的管壁之间保留一定间隙； 所述应变片依次与所述应变采集仪、计算机连接； 所述天窗包括可拆卸密封板，所述密封板上开设有供所述材料切片插入的通孔；所述 材料切片安装到位后，所述密封板在其与所述材料切片之间、所述环形管道管壁之间均形 成密封； 所述电磁铁以所述材料切片延长线与所述环形管道上部的外壁面的交点为中心，固定 在所述环形管道的外壁面上； 所述水泵由带变频器控制的电机驱动； 所述温度检测装置与压力检测装置成对设置，共三对；其中，两对对称设置在所述实验 台的左右两侧；另一对设置在所述实验台的正上方；所述温度检测装置与压力检测装置均 分别与所述计算机进行通信连接； 所述电磁体在与外接电源之间还连接有可调式变阻器。
2. 根据权利要求1所述的测量热流固耦合作用下材料力学特性的实验装置，其特征在 于，所述应变片数量为三个，各应变片顶端相连接、尾端向外伸展；其中两个应变片相互垂 直，另一个应变片与上述两个应变片之间的夹角均为135°C。
3. 根据权利要求书1所述的测量热流固耦合作用下材料力学特性的实验装置，其特征 在于，所述加热装置采用电磁变频加热方式加热。
4. 根据权利要求1所述的测量热流固耦合作用下材料力学特性的实验装置，其特征在 于，还包括有若干用于支撑固定所述环形管道的支柱，所述循环管道每隔一定距离分别通 过管夹固定在对应的支柱上； 所述循环管道整体呈椭圆形，其中心轴线所在平面与地平面成30°C夹角。
5. 根据权利要求书1所述的测量热流固耦合作用下材料力学特性的实验装置，其特征 在于，所述环形管道外壁设置有保温层。
6. -种如权利要求1所述的测量热流固耦合作用下材料力学特性的实验装置的实验 方法，包括以下步骤： 第一步，将粘贴有应变片的材料切片通过夹具夹持、伸入环形管道内，将密封板安装到 位； 第二步，关闭放水口，通过加水口向环形管道内加水直至加满； 第三步，接通加热装置的电源，至环形管道内水温上升至设定温度后，接通电磁铁电源 并启动水泵，按实验目的，分别或者交替进行不同组合方式的如下操作：调节变阻器的电 阻和/或通过变频器调节水泵出口压力，直至实验人员通过计算机分析得出所需的实验结 果； 第四步，切断各电源，开启放水口将环形管道内水排放干净； 第五步，拆卸密封板并更换不同的材料切片后，依次重复上述步骤。
【文档编号】G01N3/08GK104089818SQ201410276879
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月19日 优先权日:2014年6月19日
【发明者】赵金海, 郭惟嘉, 尹立明, 陈军涛, 李杨杨, 孙熙震, 王海龙, 江宁, 张士川, 张保良, 张浩强, 王其锋, 路畅, 尚晓龙, 王荣发, 毕成, 张涛 申请人:山东科技大学