一种试样表面温度的调控装置及调控方法与流程

本发明属于试样表面温度调控，具体涉及一种试样表面温度的调控装置及采用该调控装置对试样表面温度进行调控的方法。

背景技术：

1、疲劳载荷是现在工程诸多领域的主要部件承受的高频载荷。疲劳断裂过程中，疲劳裂纹的萌生和扩展具有一定的隐蔽性，疲劳断裂的过程中部件往往不会产生明显的塑性变形，容易造成灾难性的事故，危害人民的生命安全，造成社会的财产损失，因此围绕疲劳断裂的研究一直是学术界的研究热点。

2、传统的疲劳断裂研究通常按照材料所经历的载荷循环周次将疲劳分为低周疲劳和高周疲劳。由于试验条件和设备的客观限制，高周疲劳的试验循环次数一般限定在107次以下。然而，随着材料研究的不断发展和学术界对材料疲劳断裂行为知识的不断增加，发现许多材料面临更高的循环周次(109次以上)。为了研究更高周次的疲劳断裂行为，学术界提出了超声波疲劳试验方法。这种试验方法可以产生几十khz的加载频率，实现超高频疲劳，大大缩短了试验时间，使109周次的疲劳试验可以在十几个小时内完成。

3、但是，超高频疲劳试验存在的技术问题是：试样标距段的温度会因高频振动的影响不断升高，如果不加以冷切，温度会达到数百摄氏度，影响测试结果的准确性。目前，业界多采用冷风直吹的方式对试样标距段进行散热，即将冷风管嘴对准试样标距段，直接吹扫该区域以带走超高频疲劳过程中试样产生的热量，起到冷却试样的目的。但这种冷却方式存在的问题是：冷风直吹的冲击会在试样标距段产生应力，从而改变超高频疲劳过程中试样标距段的应力状态，进而影响测试结果的准确性。并且，这种冷风直吹的冲击影响对小尺寸试样更加明显。

技术实现思路

1、有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种试样表面温度的调控装置及调控方法，可在试样标距段周围产生沿试样轴向的高速气体射流，实现对试样标距段冷却的同时，减小对试样标距段的应力影响。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：

3、本发明的一个目的是提供一种试样表面温度的调控装置，所述试样包括标距段，包括冷风供给箱、冷风输送组件、管嘴及超声波疲劳加载模块，所述试样与所述超声波疲劳加载模块连接，所述管嘴的内部设置有贯穿其高度方向的第一通道和第二通道，所述试样贯穿所述第一通道且所述标距段位于所述管嘴的下方，所述第二通道用于供冷风通过，所述冷风输送组件的一端与所述冷风供给箱连接，所述冷风输送组件的另一端与所述第二通道的顶部连接，所述管嘴用于将由所述冷风输送组件输送至所述第二通道中的冷风沿所述试样的轴向吹向所述标距段；所述标距段的外周套设有热电偶的测量端。管嘴上的第一通道的设计便于供试样穿过，此外，超声波疲劳加载模块用于对试样进行疲劳加载，超声波疲劳加载模块包括变幅杆，试样的顶部与变幅杆的底部相连接，变幅杆及试样均能够穿过管嘴的第一通道且试样位于管嘴的下方。

4、通过设置管嘴，使冷风沿管嘴内的第二通道流出并在试样的标距段周围产生沿试样轴向的高速气体射流，从而在试样标距段周围产生负压，以带走试样标距段附近的空气，实现对试样标距段的冷却，避免以冷风直吹的方式冷却试样对其产生的应力影响。本发明的调控装置能够通过调控使得试样的标距段温度始终保持在室温～100℃的范围内，避免试样标距段的温度会因高频振动的影响不断升高而影响测试结果。

5、根据本发明的一些优选实施方面，所述冷风输送组件包括供风管道和进风管口，所述供风管道的一端与所述冷风供给箱连接，所述供风管道的另一端与所述进风管口连接，所述进风管口远离所述供风管道的一端与所述第二通道的顶部连接；所述热电偶远离所述试样的一端与所述冷风供给箱连接。冷风供给箱将冷风流向供风管道，再由供风管道流向进风管口，由进风管口向管嘴的第二通道中流通，最终由管嘴的底部喷射向试样。

6、根据本发明的一些优选实施方面，所述供风管道平行设置有多个，每个所述供风管道上还设置有调节阀，所述进风管口的数量等于所述供风管道的数量；所述进风管口沿所述第二通道顶端的周向均匀间隔地排布，所述进风管口的形状为圆台状，所述进风管口的内径由其顶端向底端逐渐增大。调节阀用于调节由供风管道流通的风量大小，保证各个供风管道流向管嘴的风量相同。

7、根据本发明的一些优选实施方面，所述管嘴包括内管件和壳体，所述壳体位于内管件的外部，所述内管件的中心与壳体的中心位于同一竖直线上；所述壳体的形状为圆台状，所述壳体的内径由其顶端向底端逐渐减小；所述内管件的形状为圆柱状，所述内管件的内径小于所述壳体底端的内径。

8、根据本发明的一些优选实施方面，所述第一通道及第二通道的高度均等于所述管嘴的高度，所述第一通道的直径等于所述内管件的内径，所述第二通道由所述内管件的外壁与所述壳体的内壁共同形成，所述第二通道的横截面积由其顶部向底部逐渐减小。设置圆台状的壳体，且壳体的内径由其顶端向底端逐渐减小，保证第二通道的横截面积由其顶部向底部逐渐减小，是为了使得冷风在第二通道中流通时，当流向第二通道的底端时，能够向外产生高速的气体射流，第二通道底端的压力高，从而保证将试样标距段周围的常压空气带走，以对试样进行冷却。

9、根据本发明的一些优选实施方面，所述标距段的顶端到所述管嘴的底端之间的距离为5～10mm，所述试样的中心与管嘴的中心位于同一竖直线上。保证试样与管嘴底端之间的距离合适，才能使高速的气体射流将试样周围的空气带走。

10、根据本发明的一些优选实施方面，还包括机架和导流部，所述超声波疲劳加载模块的顶部与所述机架的顶部固定连接，所述导流部的底面与所述机架的底部固定连接，所述导流部位于所述标距段的下方。机架用于为超声波疲劳加载模块即导流部提供支撑。导流部位于管嘴正下方，当轴向高速气体射流到达导流部时，在导流部的导流作用下能使气体向四周流出，避免滞留在样品附近。

11、根据本发明的一些优选实施方面，所述标距段的底端到所述导流部的顶端的距离为5～20mm，所述导流部的中心与所述管嘴的中心位于同一竖直线上。

12、根据本发明的一些优选实施方面，所述导流部的顶面的面积大于底面的面积，所述导流部的母线为内凹的弧线。导流部的侧面为流线型设计，能够起到更好的对气体的导流作用。

13、本发明的另一个目的是提供一种试样表面温度的调控方法，采用如上所述的调控装置，所述调控方法包括如下步骤：

14、将试样安装到超声波疲劳加载模块上之后开始超高频疲劳试验，再启动冷风供给箱，根据热电偶反馈的试样标距段的试样温度，调节冷风输送组件输送的冷风的温度和/或风速，使试样的标距段温度为室温～100℃。本发明的一些实施例中，利用该调控装置对试样表面温度进行调控的具体方法为：

15、步骤1：将试样安装到超声波疲劳加载模块上。

16、步骤2：启动超声波疲劳加载模块开始对试样进行超高频疲劳试验。

17、步骤3：启动冷风供给箱，转动调节阀使得多个供风管道内流通的冷风的风量一致。

18、步骤4：根据热电偶反馈给冷风供给箱的实时监测的试样温度，调节冷风的温度和/或风速，使试样的温度控制在室温～100℃的范围内。

19、步骤5：待试样发生疲劳失效后，依次关闭冷风供给箱和超声波疲劳加载模块，取下试样即可。

20、由于采用了以上的技术方案，相较于现有技术，本发明的试样表面温度的调控装置及调控方法，可在试样标距段周围产生沿试样轴向方向的高速气体射流，将冷风吹向试样，产生负压以带走试样周围的空气，实现对试样标距段冷却的同时，减小对试样标距段的应力影响，从而保证测试结果的准确性。