薄板结构复杂荷载下高温屈曲试验装置

本发明涉及航空、宇航、造船、土建、化工和机械等工业领域。

背景技术：

1、薄板是一个方向尺寸较小、另两个方向尺寸较大并能承受较大外荷载的结构。过去在飞机薄板结构设计中，只注意材料破坏强度，对结构稳定性的问题重视不够，一般仅用理论方法加一定的经验修正，根据我国自行设计的实践，这种方法设计的结构应力水平较低，以致造成结构重量减不下来。同样早期在船舶结构薄板设计中，也是只考虑其强度，很少考虑其屈曲稳定性，为此付出过惨重的代价。现在船舶随着功能的多样化，结构形式更加复杂，出现了大开口、双层板架、局部加厚等结构形式，必须对其薄板结构屈曲稳定性进行研究。

2、薄板屈曲稳定性问题是一个相当复杂的问题，它不仅受结构的形式、尺寸、材料和加载状况的影响，还受初始变形、几何缺陷、残余应力等因素的影响。迄今薄板试验以单轴受压为主，复杂受力较难实现；由于测试技术条件限制，薄板的初始缺陷较难测定；由于薄板和薄壳的屈曲发生在瞬间，其屈曲模式较难记录；此外，当飞机或航天器飞行时将产生很高的温度，相对于常温下薄板的复杂受力屈曲试验，这方面的试验资料则更少。

技术实现思路

1、为了缩小薄板试验与实际薄板服役环境之间的差距，本发明提供了一种薄板在平面内复杂受力和高温耦合工况下屈曲稳定研究所需的加载试验装置。能够准确模拟薄板结构在真实条件下的平面内受力情况；能够进行高温下薄板复杂受力试验研究；能够精准测量薄板的初始缺陷，以研究它们对初始屈曲和过屈曲阶段性能的影响；能够实时监测薄板的力学响应，包括应变及位移的全过程整体监测。为薄板力学行为的深入研究提供试验参考，进而优化航空航天器结构的轻量化设计方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供了薄板结构复杂荷载下高温屈曲试验装置，包括：六维加载系统、升温及恒温系统、基于高速相机的三维测量系统、初始缺陷检测系统、红外热像温度监测系统、声发射监测系统；

3、所述六维加载系统包括加载平台、自平衡反力架、固定夹具；所述加载平台的下底板通过螺栓固定在自平衡反力架上；薄板试件通过夹具固定于加载平台的上底板；通过计算机控制上底板的位姿，施加荷载于薄板试件的边缘；

4、所述升温及恒温系统包括红外加热管以及测温热电偶以及温度控制软件，红外加热管固定于自平衡反力架上对薄板试件进行升温；

5、所述三维测量系统包括高速相机与数字图像分析软件及，用于测量薄板结构全场应变分布以及预设靶点的空间位移，能够捕捉薄板各点的荷载-应变曲线、变形轨迹曲线，并计算各种力学性能参数，为结构的测试和分析提供变形与力学数据；

6、所述初始缺陷检测系统包括3d扫描设备、超声波检测设备；所述3d扫描设备形成所述薄板试件的三维模型，与理想试件三维模型进行比对，获得薄板试件的几何初始缺陷；超声波无损检测设备通过lamb波检测薄板试件存在的内部缺陷；

7、所述红外热像温度监测系统包括天铂云科i系列科学研究型红外热像仪，通过无接触温度测量手段，实时监测薄板试件全局温度，且能够通过以太网传输流媒体视频，在计算机上查看实时图像；

8、所述声发射监测系统包括耐高温高频金属声发射探头、前置放大器、内置声卡计算机、显示设备及分析软件，能够将薄板试件损伤产生的机械波动振动变换为电压信号进行采集监测，并推断薄板试件发生的位置。

9、在一较佳实施例中：所述薄板试件的类型包括：未加劲薄板、加劲薄板、开孔薄板、复合材料未加劲薄板、复合材料加劲薄板、复合材料开孔薄板。

10、在一较佳实施例中：所述薄板试件的形状包括弧形薄板与平面薄板。

11、在一较佳实施例中：所述内部缺陷包括裂缝、气孔、夹层、划伤和孔洞。

12、相较于现有技术，本发明有益效果如下：

13、本发明提供了薄板结构复杂荷载下高温屈曲试验装置，将研制基于数字图像相关技术和立体相机跟踪测量技术的三维测量系统，集成于薄板结构的屈曲稳定试验装置中，动态监测并实时显示薄板结构在试验过程中的三维位移和全场应变。

14、利用高速相机，结合研制的自动触发装置，高频率进行薄板结构屈曲全过程的全尺寸摄影，后期结合数字图像相关技术(dic)，对捕捉图像进行处理，可以获得整个屈曲过程中初始屈曲、过屈曲与屈曲破坏时刻薄板结构模态。

15、试验装置集成的红外热像仪，即使微弱的温度变化，依然能够辨别，可以实现无接触全局监测薄板结构温度变化情况，并通过数据采集-传输-计算机终端，能够可靠实现对板壳温度的动态监测与实时显示。

16、由于复合材料的层合特性，如层压成型工艺、卷管成型工艺等，增加了损伤发生的不确定性。因此复合材料薄板结构的损伤监测一直是复合材料试验的难点，试验装置集成声发射监测技术，对损伤产生的声波信号进行监测，能准确判断损伤发生时刻与位置，弥补了对薄板结构表面监测的不足。

技术特征：

1.薄板结构复杂荷载下高温屈曲试验装置，其特征在于包括：六维加载系统、升温及恒温系统、基于高速相机的三维测量系统、初始缺陷检测系统、红外热像温度监测系统、声发射监测系统；

2.根据权利要求1所述的薄板结构复杂荷载下高温屈曲试验装置，其特征在于：所述薄板试件的类型包括：未加劲薄板、加劲薄板、开孔薄板、复合材料未加劲薄板、复合材料加劲薄板、复合材料开孔薄板。

3.根据权利要求1所述的薄板结构复杂荷载下高温屈曲试验装置，其特征在于：所述薄板试件的形状包括弧形薄板与平面薄板。

4.根据权利要求1所述的薄板结构复杂荷载下高温屈曲试验装置，其特征在于：所述内部缺陷包括裂缝、气孔、夹层、划伤和孔洞。

技术总结
本发明提供了薄板结构复杂荷载下高温屈曲试验装置，将研制基于数字图像相关技术和立体相机跟踪测量技术的三维测量系统，集成于薄板结构的屈曲稳定试验装置中，动态监测并实时显示薄板结构在试验过程中的三维位移和全场应变。利用高速相机，结合研制的自动触发装置，高频率进行薄板结构屈曲全过程的全尺寸摄影，后期结合数字图像相关技术(DIC)，对捕捉图像进行处理，可以获得整个屈曲过程中初始屈曲、过屈曲与屈曲破坏时刻薄板结构模态。试验装置集成的红外热像仪，即使微弱的温度变化，依然能够辨别，可以实现无接触全局监测薄板结构温度变化情况，并通过数据采集‑传输‑计算机终端，能够可靠实现对板壳温度的动态监测与实时显示。

技术研发人员：董毓利,齐建全,张大山,房圆圆
受保护的技术使用者：华侨大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15