一种多点冲击激励下复材叶片热环境冲击性能试验装置的制作方法

本发明属于冲击动力学领域，涉及一种多点冲击激励下复材叶片热环境冲击性能试验装置。

背景技术：

随着航空航天技术的高速进步与发展，对高性能航空航天材料的需求逐渐增多，长期以来，对飞行器等高速机械相关材料的研究往往注重材料的静态或低速特性，由此逐渐暴露出一些问题，并造成一些较为严重的后果。如最早出现在美国上个世纪末的多起飞机鸟撞事故。随着时间推移与全球航空交通的快速发展，该类事件愈发引起了相关学者的广泛关注，由此，冲击动力学理论开始迅速发展，而冲击动力学实验也随之发展起来。

冲击动力学实验旨在模拟各种环境下材料对高速冲击的响应性态，这就要求有一套相关的专业实验设备，目前应用较为广泛的实验设备大多为hopkinson压杆，由该类实验装置为基础改进的装置无论是生产与使用都已很广泛，其中较为典型的改装如专利cn200810017503.4中对入射杆与透射杆头部的v形改进实现了对试件同时施加压缩与剪切冲击载荷；专利cn201420107552.8中的分离式霍普金森压杆则能够适应多种规格的试件。但上述两专利并未对试验环境做任何考虑，这往往与现实情形相差较大；

专利cn208537320u采用立式落锤结构完成冲击激励，并使用了一种基于光电开关控制的吸能垫来防止竖直冲击实验中二次冲击情形的发生，但该防冲击装置结构复杂，对相关部件性能要求严格，且成本较高。

专利cn201710896598.0采用了轻气炮作为冲击动力源，利用机械结构可以对试样加载预设的轴向压力与预设的冲击力模拟了多种力学环境，但该专利对试件的热学环境未加以考虑，事实上，大多数汽轮机叶片等部件在工作状态时面临的气动热环境，会对材料的性能产生显著的影响。高温环境冲击有着其独特的力学特性，也应是冲击实验中不可或缺的因素之一。

此外，上述各实验装置与其他大多数现有装置一样，冲击源均为单点冲击，然而有时，例如在考虑鸟撞问题时，许多种类的鸟呈现一定阵列性态的群体活动现象，这往往会产生不止一只飞鸟撞击现象，此类问题显然与单点冲击具有完全不同的力学性质，应设计一种可实现同时多点冲击的实验装置来模拟这类问题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种多点冲击激励下复材叶片热环境冲击性能试验装置，以进行高温条件下，多点冲击激励下的叶片服役可靠性实验。

本发明提供一种多点冲击激励下复材叶片热环境冲击性能试验装置，包括：动力提供模块，测量模块，多点冲击模块，夹持模块，热环境模块，弹丸回收模块和台体模块；

所述热环境模块设置于台体模块上，用于提供可调的高温测试环境；

所述夹持模块设置于热环境模块内，用于夹持固定待测叶片试件；

所述多点冲击模块设置于台体模块上，用于同时发射多颗弹丸从不同角度冲击叶片试件；

所述动力提供模块用于给多点冲击模块提供动力发射弹丸；

所述弹丸回收模块置于热环境模块内并位于夹持模块后方用于回收弹丸；

所述测量模块用于测量振动大小、弹丸轨迹、冲击力和噪声。

在本发明的多点冲击激励下复材叶片热环境冲击性能试验装置中，所述多点冲击模块包括：可调炮管机构、流量计、内阀门机构、炮筒、压力计和炮筒支座；

所述炮筒支座固定在台体模块上，炮筒固定在炮筒支座上，炮筒尾部上端设有进气口、卸气口和压力计，进气口、卸气口均通过软管与动力提供模块密封连接，流量计安装在炮筒头部上端；

所述可调炮管机构安装在炮筒前端，包括多个炮管、炮管安装座、固定在炮管安装座上的支撑柱、多个角度调节模块和多个气路调节模块；所述多个炮管分别通过转动副与炮管安装座连接，且两者气路相通；炮管尾部设有弹丸装填口，头部设置激光瞄准仪，炮管前端通过角度调节模块与设置在多个炮管中心处的支撑柱连接；所述炮管安装座设有多个安装槽用于容纳气路调节模块，所述气路调节模块包括设置在安装槽内的旋转滑槽副、曲杆、连杆、气路通闭调节滑块和设置在安装槽外部的调节开关，旋转滑槽副一端伸出安装槽与调节开关连接，旋转滑槽副另一端依次通过曲杆、连杆与气路通闭调节滑块连接，所述安装槽内开设有与相应炮管连通的气口，通过拨动调节开关可间接控制气路通闭调节滑块沿安装槽滑动进而关闭或打开相应的气口以控制相应炮管是否使用；

所述内阀门机构设置在炮筒前端内部，包括两个圆形阀片，每个圆形阀片上设有多个通气孔，圆形阀片安装在炮筒内壁的环形槽内，通过旋转圆形阀片改变两者的通气孔的重合度从而控制气路开闭。

在本发明的多点冲击激励下复材叶片热环境冲击性能试验装置中，所述角度调节模块包括：炮管调节滑轨、连接底座、内螺纹孔柱、外螺纹柱和炮管调节滑块；所述炮管调节滑轨固定在炮管前端，炮管调节滑块与炮管调节滑轨配合滑动且另一端和外螺纹柱固接，外螺纹柱与内螺纹孔柱配合，内螺纹孔柱底部通过转动副与连接底座连接，连接底座固定在支撑柱上，通过旋转内螺纹孔柱即可实现各炮管冲击方向的调节。

在本发明的多点冲击激励下复材叶片热环境冲击性能试验装置中，所述热环境模块包括：热箱、设于热箱内壁上的多个加热管和传感器反馈电路；所述热箱的顶端通过隔热上箱盖封闭，热箱前侧开设有弹丸入射口，弹丸入射口处覆有耐热透光软膜，箱体两侧壁设有耐热玻璃观察窗，热箱底面为漏斗状斜面，底面中心设有开口并与回收管道连通，开口处设有电磁继电控制门。

在本发明的多点冲击激励下复材叶片热环境冲击性能试验装置中，所述夹持模块包括中心设有通孔的振动承载台，在通孔周围均匀设置多个夹具底座，所述夹具底座通过设于四角的振动弹簧与振动承载台连接，所述夹具底座上设有用于固定叶片试件的夹具体，振动承载台上设有四根传导杆，传导杆从热箱后壁上的通孔穿出后与设于热箱后的调节板连接，调节板的底面固接两个定位滑块，定位滑块与台体模块上的定位导轨配合，定位滑块可以在定位导轨上不同位置固定，进而调整叶片试件与轻气炮不同的实验距离。

在本发明的多点冲击激励下复材叶片热环境冲击性能试验装置中，所述弹丸回收模块包括支撑板、缓冲箱和设置于缓冲箱内的细沙，所述支撑板固定在热箱内位于夹持模块后方，所述缓冲箱固定在支撑板上，缓冲箱前侧开设弹丸接收口并覆有耐热软膜，缓冲箱上侧开有装沙口，下侧开有排沙门并以电磁继电器控制其开闭，所述支撑板四角设有通孔供传导杆穿出。

在本发明的多点冲击激励下复材叶片热环境冲击性能试验装置中，所述动力提供模块为可移动式一体化高压气瓶，通过软管与轻气炮筒对应进气口连接，以提供压缩气体。

在本发明的多点冲击激励下复材叶片热环境冲击性能试验装置中，所述测量模块包括：位于热箱上方的高速相机、位于炮筒上方的激光测振仪和设置于热箱前、后外壁上的噪声传感器。

在本发明的多点冲击激励下复材叶片热环境冲击性能试验装置中，所述噪声传感器设置在隔套内并通过隔套固定在热箱前、后外壁上，热箱在对着噪声传感器的箱壁内部开有滑槽，滑槽内设有滑块。

在本发明的多点冲击激励下复材叶片热环境冲击性能试验装置中，所述激光测振仪通过支撑滑块安装在弧形支撑架上，所述弧形支撑架安装在炮筒上方，支撑滑块可沿弧形支撑架上的弧形轨道滑动，进而实现激光测振仪的弧形运动。

本发明的一种多点冲击激励下复材叶片热环境冲击性能试验装置同时实现了多点冲击激励与热激励较为逼真地模拟了复合材料叶片实际工作中多点同时受到冲击的情形，给冲击实验提供了更加真实可靠的实验数据。

附图说明

图1为本发明的种多点冲击激励下复材叶片热环境冲击性能试验装置的整体结构图；

图2为多点冲击模块的结构图；

图3为可调炮管机构结构图；

图4为角度调节模块结构图；

图5为气路调节模块整体图；

图6为单个气路调节模块结构图；

图7为内阀门机构结构图；

图8为夹持模块结构图；

图9为热箱内部结构图；

图10为热箱上方高速摄像机结构图；

图11为气筒上方激光测振仪结构图；

图12为热箱侧面噪声传感器细节图i；

图13为热箱侧面噪声传感器细节图ii；

图中：1多点冲击模块；2台体模块；3弹丸回收模块；4夹持模块；5热环境模块；6测量模块；7可调炮管机构；8流量计；9内阀门机构；10炮筒；11进气口；12压力计；13卸气口；14炮筒支座；15弹丸装填口；16调节开关；17炮管安装座；18炮管；19激光瞄准仪；20炮管调节滑轨；21中间支撑柱；22连接底座；23内螺纹孔柱；24外螺纹柱；25炮管调节滑块；26旋转滑槽副；27曲杆；28连杆；29气口；30气路通闭调节滑块；31第一圆形阀片；32第二圆形阀片；33调节板；34定位滑块；35传导杆；36振动弹簧；37夹具体；38夹具底座；39振动承载台；40定位导轨；41缓冲箱；42箱盖；43支撑板；44加热管；45热箱；46弹丸入射口；47观察窗；48电磁继电控制门；49回收管道；50第一支撑架；51纵导轨；52横滑块；53高速摄像机；54横导轨；55纵滑块；56弧形支撑架；57支撑滑块；58激光测振仪；59噪声传感器；60隔套；61滑槽；62滑块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

如图1所示，本发明的一种多点冲击激励下复材叶片热环境冲击性能试验装置，包括：动力提供模块，测量模块6，多点冲击模块1，夹持模块4，热环境模块5，弹丸回收模块3和台体模块2。

所述热环境模块5设置于台体模块2上，用于提供可调的高温测试环境。所述夹持模块4设置于热环境模块5内，用于夹持固定待测叶片试件。所述多点冲击模块1设置于台体模块2上，用于同时发射多颗弹丸从不同角度冲击叶片试件。所述动力提供模块为可移动式一体化高压气瓶，通过软管与轻气炮筒对应进气口连接，提供压缩气体，进而给多点冲击模块1提供动力发射弹丸。所述弹丸回收模块3置于热环境模块5内并位于夹持模块4后方用于回收弹丸。所述测量模块6用于测量振动大小、弹丸轨迹、冲击力和噪声。

如图2所示，多点冲击模块1包括：可调炮管机构7、流量计8、内阀门机构9、炮筒10、压力计12和炮筒支座14。所述炮筒支座14固定在台体模块2上，炮筒10固定在炮筒支座14上，炮筒10的尾部上端设有进气口11、卸气口13和压力计12，进气口11、卸气口13均通过软管与动力提供模块密封连接实现气体压缩传送，流量计8安装在炮筒10头部上端。

如图3所示，可调炮管机构7安装在炮筒10前端，包括多个炮管18、炮管安装座17、固定在炮管安装座17上的支撑柱21、多个角度调节模块和多个气路调节模块。所述多个炮管18分别通过转动副与炮管安装座17连接，且两者气路相通；炮管18的尾部设有弹丸装填口15，实现弹丸装填。炮管18头部设置激光瞄准仪19，用以预定位弹丸冲击位置。炮管18前端通过角度调节模块与设置在多个炮管18中心处的支撑柱21连接。

如图4所示，所述角度调节模块包括：炮管调节滑轨20、连接底座22、内螺纹孔柱23、外螺纹柱24和炮管调节滑块25。所述炮管调节滑轨20固定在炮管18前端，炮管调节滑块25与炮管调节滑轨20配合滑动且另一端和外螺纹柱24固接，外螺纹柱24与内螺纹孔柱23配合，内螺纹孔柱23底部通过转动副与连接底座22连接，连接底座22固定在支撑柱21上，通过旋转内螺纹孔柱23即可实现各炮管冲击方向的调节。

如图5和图6所示，炮管安装座17设有多个安装槽用于容纳气路调节模块，所述气路调节模块包括设置在安装槽内的旋转滑槽副26、曲杆27、连杆28、气路通闭调节滑块30和设置在安装槽外部的调节开关16，旋转滑槽副26一端伸出安装槽与调节开关16连接，旋转滑槽副26另一端依次通过曲杆27、连杆28与气路通闭调节滑块30连接，所述安装槽内开设有与相应炮管18连通的气口29，通过拨动相应的调节开关16可间接控制气路通闭调节滑块30沿安装槽滑动进而关闭或打开相应的气口29以控制相应炮管是否使用。

如图7所示，所述内阀门机构9设置在炮筒10前端内部，包括两个紧贴在一起的圆形阀片，其中第一圆形阀片31和第二圆形阀片32上设有多个通气孔，第一圆形阀片31和第二圆形阀片32安装在炮筒内壁的环形槽内，通过旋转圆形阀片改变两者的通气孔的重合度从而控制气路开闭。

如图9所示，所述热环境模块5包括：热箱45、设于热箱45内壁上的多个加热管44和传感器反馈电路，通过箱体内壁加热管44与外置传感器反馈电路实现箱内温度的控制。所述热箱45的顶端通过隔热上箱盖42封闭，热箱45的前侧开设有弹丸入射口46，弹丸入射口46处覆有耐热透光软膜，保证红外线瞄准仪19对叶片试件冲击点的正确定位的同时减少弹丸入射后热箱45内外热量交换。箱体两侧壁设有耐热玻璃观察窗47，以供相关试验记录仪器进行试验记录。热箱底面为漏斗状斜面，底面中心设有开口并与回收管道49连通，开口处设有电磁继电控制门48。

如图8所示，所述夹持模块4包括中心设有通孔的振动承载台39，在通孔周围均匀设置多个夹具底座38，所述夹具底座38通过设于四角的振动弹簧36与振动承载台38连接，所述夹具底座38上设有用于固定叶片试件的夹具体37，振动承载台38上设有四根传导杆35，传导杆35从热箱45后壁上的通孔穿出后与设于热箱后的调节板33连接，调节板33的底面固接两个定位滑块34，定位滑块34与台体模块2上的定位导轨40配合，定位滑块34可以在定位导轨40上不同位置固定，进而调整叶片试件与轻气炮不同的实验距离，可通过改变夹具体数量实现叶片试件不同边界条件下的测试。

如图9所示，所述弹丸回收模块3包括支撑板43、缓冲箱41和设置于缓冲箱41内的细沙，所述支撑板43固定在热箱45内位于夹持模块4的后方，所述缓冲箱41固定在支撑板43上，缓冲箱41前侧开设弹丸接收口并覆有耐热软膜，缓冲箱41上侧开有装沙口，用以填沙，下侧开有排沙门并以电磁继电器控制其开闭。所述支撑板43四角设有通孔供传导杆35穿出。弹丸击穿叶片试件与软膜进入缓冲箱41，实现缓冲，经排沙门排出后再通过热箱45底的漏斗状斜面滑落到电磁继电控制门48处，控制电磁继电控制门48打开后进入回收管道49。回收管道49呈螺旋状绕曲，固定于台体模块2的内部空腔中，回收管道49上口正对热箱底常闭电磁继电控制门48，下口到达空腔底面，空腔底面为斜面，导向台体模块2侧面开口，实现弹丸与细沙的回收再利用。

所述测量模块6包括三个独立的部分：位于热箱45上方的高速相机、位于炮筒10上方的激光测振仪和设置于热箱前、后外壁上的噪声传感器。

高速摄像机部分如图10所示。该部分位于热箱45正上方，主要由第一支撑架50、纵导轨51、高速摄像机53、横导轨54、纵滑块55、横滑块52组成，可以实现高速摄像机在一个平面内的自由移动以对叶片进行摄像。

激光测振仪部分如图11所示。该部分位于炮筒10正上方，主要由弧形支撑架56、支撑滑块57、激光测振仪58组成。支撑滑块57可沿弧形支撑架56上的弧形轨道滑动，进而实现激光测振仪58沿弧形轨道移动。

噪声传感器部分如图12、13所示。该部分位于热箱前、后外壁，主要由噪声传感器59、隔套60、滑槽61、滑块62组成。热箱前后两个面各固定有四个噪声传感器59，因为噪声传感器不能放置于热环境中，因而通过隔套60置于热箱外壁上，热箱在对着噪声传感器的箱壁内部开有滑槽61，滑块62设置于滑槽内。当弹丸冲击到试件上时，前后两个壁上滑槽内的滑块62瞬间移动使噪声传感器59开始接收噪声信号，噪声传感器检测完声音信息后，滑块62再次移动，槽口关闭，经过这样，可以测得弹丸冲击试件时的声音信息，并且通过前后的噪声传感器可以测得声音在热箱中传播而损失的能量。

利用本发明的多点冲击激励下复材叶片热环境冲击性能试验装置进行实验的过程如下：

步骤1：正确装配各实验装置后，选取叶片试件冲击位置与边界条件，通过夹具体将叶片试件固定到振动承载台上；

步骤2：连接轻气炮与气源；选择是否启动热箱温度控制；将高速摄像机，激光测振仪运动至指定待测地点，调整激光测振仪姿态，捕捉测试叶片表面法线方向的振动。噪声传感器处槽口保证闭合状态。同时做好其他准备工作；

步骤3：弹丸装填与发射角度的调节，具体情形如下：

3.1单点冲击时，选定炮管18中的一个，使用对应调节开关16打开对应气路，旋转角度调节模块中的内螺纹孔柱23，配合红外线激光瞄准仪，使炮管处于预设的发射角度。

3.2多点冲击时，选定炮管18中的若干个，使用对应调节开关16打开对应气路，旋转角度调节模块中每个对应的内螺纹孔柱23，配合红外线激光瞄准仪，使每个炮管均处于预设的发射角度。

步骤4：通过控制圆形阀片31与32来实现弹丸发射，并开始实验数据的记录。具体记录过程如下：

以弹丸内的力传感器测量接触冲击力，用以研究阻抗；以高速摄像机观察叶片的位移和破坏形式；以激光测振仪测量叶片的位移或者速度，输出时域响应，进而可以得到频响函数以分析叶片各阶固有频率及阻尼比等系统参数；噪声传感器可以测得弹丸冲击试件时的声音信息，并且通过前后的噪声传感器可以测得声音在热箱中传播而损失的能量。

步骤5：

5.1实验记录结束后，控制系统先后打开沙箱与热箱底的电磁继电门，使进入沙箱的弹丸与细沙一同进入回收管道。

5.2通过回收管道进入实验台内底部的包含弹丸的细沙在实验台内底部斜面作用下流向实验台侧开口，进入事先备好的外接容器，实现弹丸与细沙的回收利用。

步骤6：关闭各实验设备，分析实验数据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。