一种基于感应加热的结构热环境模拟方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及结构热环境模拟领域，尤其设及一种基于感应加热的结构热环境模拟 方法及装置。
【背景技术】
[0002] 热结构在工业、航空和航天领域有广泛应用，热结构应力包括外力载荷引起的应 力和热载荷引起的热应力，其中热应力起着至关重要的作用，如结构非均匀受热过程中，由 于热分布不一致，导致结构出现溫度梯度，进而产生热应力，当溫度梯度产生热应力大于材 料本身强度时，结构破坏，此时热应力直接决定热结构的安全性和可靠性。热结构分析计算 是在大量假设（分析模型边界和约束）前提下进行的，与实际环境有差异，实验研究能够考 虑多个因素的综合作用，在热结构设计过程中意义重大。典型热应力实验研究能够直接评 价结构在热环境载荷下热应力水平W及结构在该热应力水平下的安全性和可靠性。
[0003] 感应加热通过电磁场对工件进行非接触式加热，具有较快的加热速率，便捷的局 部加热和清洁的加热环境等优点，并在工业领域得到广泛应用，如金属材料热处理和锻造、 感应焊接、感应金属烙炼和感应加热等。而将感应加热用于热环境下结构性能表征还未见 相应报道。
[0004] 因此，现有技术中存在对基于感应加热的结构热环境模拟技术的需要。
【发明内容】
阳〇化]本发明的实施例提供了一种基于感应加热的结构热环境模拟方法及装置，能够省 却复杂加热装置，并且使得感应加热电磁场具备可设计性，大大简化结构热环境模拟的方 法和装置，提高结构热环境模拟的效率。
[0006] 根据本发明的一个方面，提供了一种基于感应加热的结构热环境模拟方法，所述 方法包括：
[0007] S1、根据被试结构的材料、外形和尺寸、W及服役环境的溫度梯度，确定铜感应线 圈的外形和尺寸、W及加热电流幅值和加热电流频率；
[0008] S2、将被试结构置于所述铜感应线圈内，根据所述加热电流幅值和加热电流频率 给所述铜感应线圈施加电信号，产生电磁场W加热所述被试结构；
[0009] S3、采集所述被试结构在所述电磁场作用下的溫度梯度和应变场，根据所述应变 场确定所述被试结构的安全性和可靠性。
[0010] 优选地，铜感应线圈为变径螺旋线圈或矩形线圈。
[0011] 优选地，步骤Sl中，根据被试结构的服役环境的溫度梯度，确定所述被试结构不 同区域的服役溫度；所述被试结构表面的服役溫度越高，其周围所述感应线圈越密集，所述 感应线圈与所述被试结构的距离越小；所述被试结构表面的服役溫度越低，其周围所述感 应线圈越稀疏，所述感应线圈与所述被试结构的距离越大。
[0012] 优选地，步骤Sl中，被试结构的趋肤深度与加热电流频率的关系为： 公式I
[0014] 式中，5表示被试结构的趋肤深度，单位为m: ;O表示被试结构的电导率，单位 为：s/m;y康示被试结构的绝对磁导率，单位为：H/m;yr表示被试结构的相对磁导率，无 量纲单位；f表示加热电流频率，单位为：Hz。 阳01引优选地，步骤Sl具体为：
[0016] S11、确定铜感应线圈的外形和尺寸；
[0017] S12、依据加热电流幅值的范围和加热电流频率的范围，W及所述被试结构不同区 域的满流密度分布和构热环境系统不同区域的控制方程，迭代获取在不同电流值和不同电 流频率值下被试结构的溫度梯度；每次迭代后将获取的溫度梯度与被试结构服役环境的溫 度梯度进行误差分析，若误差小于某一阔值，则结束迭代过程，并将当前的电流值作为铜感 应线圈的加热电流幅值、当前的电流频率值作为铜感应线圈的加热电流频率、当前的外形 和尺寸作为铜感应线圈的外形和尺寸；其中，加热电流幅值的范围为300A~3000A范围内， 加热电流频率的范围为20曲Z~100曲Z;
[0018] S13、若每次迭代后获取的溫度梯度与被试结构服役环境的溫度梯度的误差均大 于所述某一阔值，则改变铜感应线圈的外形和尺寸，继续进行迭代，直到迭代获取的溫度梯 度与被试结构服役环境的溫度梯度满足要求，获取铜感应线圈的加热电流幅值、加热电流 频率、线圈外形和线圈尺寸。
[0019] 优选地，步骤Sl中，
[0020] 被试结构不同区域的满流密度分布为：
公式10 ;
[0022] 结构热环境系统不同区域的控制方程包括：铜感应线圈的控制方程、被试结构的 控制方程，W及空气或真空区域电磁控制方程，其中，
[0023] 铜感应线圈的控制方程为：
[0027] 被试结构的控制方程为：
公式7
[0031] 空气或真空区域电磁控制方程如下： 阳03引 J=O 公式8
公式9
[0034] 式中，J为感应满流密度，单位为：AAi2Je为铜感应线圈中电流密度，单位为：A/ m2;A为磁位势，单位为：A/m;Ji°表示绝对磁导率，单位为：H/m;Ji表示相对磁导率，无量 纲单位；O表示材料的电导率，单位为：s/m。
[0035] 优选地，步骤S2中，将被试结构置于铜感应线圈内具体为：
[0036] 将被试结构置于铜感应线圈内，利用支撑平台支撑被试结构的大端端面，使得被 试结构的大端端面可W沿着支撑平台的法线方向位移；
[0037] 或者，
[0038] 将被试结构置于感应线圈内，利用支撑平台支撑被试结构的大端端面和小端端 面，使得被试结构的大端端面和小端端面无法沿着支撑平台的法线方向位移。
[0039] 优选地，步骤S2进一步包括：在给铜感应线圈施加电信号的过程中，对被试结构 进行抗氧化处理，W防止被试结构被氧化。
[0040] 优选地，抗氧化处理具体为：将结构热环境模拟系统置于真空舱中，通过真空环境 防止被试结构被氧化。
[0041] 优选地，真空舱为真空水冷舱，通过真空水冷舱的空层中的冷却水对真空舱进行 冷却处理，W防止真空舱在高溫条件下破坏。
[0042] 优选地，真空水冷舱上设置有透明观察窗口，W实时监控被试结构的溫度场和应 变场。
[0043] 优选地，被试结构为轴对称的空屯、锥台形的薄壁结构，其壁厚为10mm、轴向长度为 150mm、半锥角为16. 7°、小端内半径为18mm;被试结构的轴向方向与感应线圈的轴向方向 相同。
[0044] 优选地，铜感应线圈的材料为中空T2紫铜管，其内半径为3mm、外半径为4mm;铜感 应线圈的形状为锥形，其小端半径为50mm，共9圈，半锥角为3r。
[0045] 根据本发明的另一个方面，提供了一种基于感应加热的结构热环境模拟装置，包 括：
[0046] 测试舱，用于提供模拟环境，并将模拟环境与外界环境隔离开；
[0047] 铜感应线圈，设置于被试结构的四周，并固定在测试舱内壁上，所述铜感应线圈外 接感应加热电源，用于加热被试结构；
[0048] 支撑平台，固定地设置在所述测试舱的内部，用于放置被试结构，并约束被试结构 的变形；
[0049] 热成像仪，设置于被试结构的一端，用于检测被试结构的溫度场数据，并将溫度场 数据传输给数据处理系统；
[(K)加]DIC值igitalImageCorrelation,数字图像相关技术）测试镜头，设置于被试结 构的一端，用于检测被试结构的应变场数据，并将应变场数据传输给数据处理系统；
[0051] 数据处理系统，用于根据接收的所述溫度场数据分析获取所述被试结构的实际溫 度梯度；根据接收的所述应变场数据确定所述被试结构是否出现结构破坏和变形。
[0052] 优选地，铜感应线圈为变径螺旋线圈或矩形线圈。
[0053] 优选地，被试结构表面的服役溫度越高，其周围铜感应线圈越密集，铜感应线圈与 被试结构的距离越小；被试结构表面的服役溫度越低，其周围铜感应线圈越稀疏，铜感应线 圈与被试结构的距离越大。
[0054] 优选地，测试舱为真空舱，W防止所述被试结构被氧化。 阳化5] 优选地，真空舱为真空水冷舱，通过真空水冷舱的空层中的冷却水对真空舱进行 冷却处理，W防止真空舱在高溫条件下破坏。
[0056] 优选地，真空水冷舱上设置有透明观察窗口，W实时监控被试结构的溫度场和应 变场。
[0057] 优选地，本发明的进一步包括：传感器和示波器，其中，
[0058] 传感器设置于感应线圈的四周，用于检测感应电流和感应电流频率数据，并将数 据传输至所述示波器；
[0059] 示波器，接收传感器传输的数据，分析获取感应电流和感应电流频率。
[0060] 优选地，被试结构为轴对称的空屯、锥台形的薄壁结构，其壁厚为10mm、轴向长度为 150mm、半锥角为16. 7°、小端内半径为18mm;被试结构的轴向方向与感应线圈的轴向方向 相同。
[0061] 优选地，铜感应线圈的材料为中空T2紫铜管，其内半径为3mm、外半径为4mm;铜感 应线圈的形状为锥形，其小