一种穿舱式大型结构件温度/机械耦合试验装置及方法

本发明属于结构力学试验与环境模拟试验，特别涉及一种用于大型结构件高温、低温和温度循环条件下机械加载试验的穿舱式高低温环境箱及大型结构件温度—机械耦合试验装置。本发明尤其适用于复合材料结构、金属结构、复合材料—金属混合连接结构、飞机中央翼壁板、机身连接结构、多排多列多钉连接结构等大型主承力构件在外部大吨位机械加载装置上的原位温度/机械耦合试验。

背景技术：

1、大型民用飞机中央翼、机身、翼身连接区等主承力部位广泛采用复合材料结构、金属结构以及复合材料—金属混合连接结构。此类结构在服役过程中不仅承受气动载荷、惯性载荷、装配载荷和紧固件预紧力，还会经历高低温循环、极端低温、高温暴露等环境作用。由于复合材料与金属材料在弹性模量、热膨胀系数、塑性变形能力和损伤演化规律方面存在显著差异，温度变化会引起热应力、界面滑移、紧固件载荷重分配和局部损伤演化，从而影响结构强度、疲劳寿命和最终失效模式。

2、现有高低温环境箱通常采用整件放入式结构，即将小尺寸试样或标准件整体置入箱体内部，再在温度稳定后进行材料性能试验。该类设备适用于标准试样或小型部件，但当试验对象为大型壁板结构、多排多列多钉连接结构或全尺寸复合材料—金属混合连接结构时，试验件尺寸较大，且两端需要与大吨位机械加载设备连接，传统环境箱难以同时容纳试验件、过渡夹具和加载机构。

3、若采用开放式局部冷却或局部加热方式，则容易造成试验件考察区温度不均、冷热泄漏严重、温度反馈不准确、试验重复性差等问题。特别是在液氮低温试验中，冷量由局部输入后会受试验件遮挡、金属/复合材料换热差异、穿舱间隙和外部空气扰动影响，导致考察区温度场与空箱校准温度场存在较大差异。

4、此外，大型结构件温度—机械耦合试验通常要求机械载荷路径保持连续和明确，即机械载荷应由试验机、夹具和试验件传递，而环境箱不应参与主载荷传递。若环境箱与试验件或夹具形成刚性干涉，则箱体刚度、热变形、安装偏差和支撑变形均可能引入附加载荷或附加弯矩，影响试验结果的真实性。

5、因此，亟需一种能够允许大型试验件穿过箱体、同时保持考察区温度稳定，并能够与外部大吨位机械加载装置协同工作的穿舱式高低温环境箱及温度/机械耦合试验系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种穿舱式大型结构件温度/机械耦合试验装置及方法，用于解决现有环境箱难以适应大型结构件原位高低温机械加载试验的问题。

2、在大型复合材料/金属混合连接壁板的低温承载试验中，试验件通常需要在大吨位卧式拉伸试验机上进行加载，试验件两端通过辅助夹具与试验机夹头连接，试验件考察区则需要置于高低温环境中。此时，环境箱必须允许试验件穿过，并且需要在开口处填充保温材料以阻断温度流失，同时还需要布置热电偶、应变片并开展温度均匀性测试，以保证考察区温度环境的真实性和稳定性。

3、为实现上述目的，本发明提供一种穿舱式高低温环境箱，包括箱体、穿舱开口、柔性保温密封组件、温度调控组件、温度检测组件、控制柜和支撑定位组件。所述箱体包括外壳、保温层和金属内胆，所述金属内胆围成温控腔体；保温层和外壳依次设置在金属内胆外侧。通过多层保温材料的使用，提升温控腔体的保温性能，保证实验时箱体不会与外界换热，确保温控腔体内温度均匀。

4、所述箱体沿试验件加载方向的相对两侧分别设置穿舱开口。试验件经一侧穿舱开口进入所述温控腔体，并经另一侧穿舱开口穿出所述温控腔体，使试验件考察区位于所述温控腔体内，而试验件两端能够与外部机械加载装置连接。如此设置可适配大型试验件的测试，无需将加载装置整体设置在温控腔体内，仅将大型试验件需要测试的部分设置于箱体内，加载装置设置在箱体外，既能不影响载荷传递，又能兼顾灵活性。可进行带载状态下的温度校验。

5、所述柔性保温密封组件设置于穿舱开口处，柔性保温密封组件围绕试验件外周布置，用于在允许试验件传递机械载荷和产生微小位移的同时，降低温控腔体与外部环境之间的热交换。

6、所述温度调控组件包括低温介质输入组件和加热组件。所述低温介质输入组件大部分设置于箱体底部，使低温介质由温控腔体底部进入并在导流均温组件作用下向上扩散。所述低温介质可以为液氮、低温氮气或其他低温惰性介质。所述加热组件用于提高温控腔体内温度或进行温度补偿。

7、导流均温组件可以为导流板、均流板、均流栅格、循环风道或风机，用于引导冷气流或热气流在试验件考察区周围循环，提高温度场均匀性。

8、所述温度检测组件包括多个温度传感器，多个温度传感器分别布置于温控腔体内部、试验件表面、穿舱开口附近和试验件考察区附近。所述控制柜包括主控温单元和多个辅助温度采集单元，用于实现多点温度显示、反馈控制和温度均匀性校核。

9、数据采集装置用于采集试验过程中的载荷、位移、应变和温度数据。应变数据可通过布置于试验件表面的应变片获得，温度数据可通过热电偶获得。通过控制柜、温度检测组件和数据采集装置，可实现温度环境、机械载荷和结构响应的同步监测。数据采集装置包括温度采集通道、位移采集通道、应变采集通道和载荷采集通道，分别通过控制柜的多个辅助采集单元与温度检测组件、位移传感器、应变片和载荷传感器连接。

10、所述支撑定位组件设置于箱体底部，包括多个可调支撑脚。通过调节可调支撑脚，可以调整箱体的高度和水平度，使穿舱开口与外部机械加载装置的加载轴线对准。所述箱体与试验件之间不形成主承载连接，机械载荷由外部机械加载装置、过渡夹具和试验件传递，箱体仅用于提供温度环境。

11、装置还包括过渡夹具和连接轴。试验件穿过穿舱式高低温环境箱的温控腔体，两端分别通过过渡夹具和连接轴与外部机械加载装置连接。连接轴的设置可用于补偿试验件的安装偏差并降低附加弯矩

12、本发明还提供一种穿舱式大型结构件温度/机械耦合试验方法，包括试验件安装、环境箱就位、支撑定位调节、穿舱开口密封、温度加载、温度均匀性确认、机械加载和多源数据同步采集等步骤。

13、与现有技术相比，本发明的技术效果在于：

14、第一，本发明采用双侧穿舱开口结构，使大型板状结构件或壁板结构件能够贯穿温控腔体并与外部大吨位机械加载设备连接，解决了大型结构件无法整体放入传统环境箱的问题；

15、第二，本发明采用柔性保温密封组件对穿舱开口进行保温封堵，在允许试验件传递机械载荷和产生微小位移的同时，降低箱体内外冷热交换，提高温控稳定性；

16、第三，本发明采用底部低温介质输入方式，低温介质由箱体底部进入并向上扩散，结合导流均温组件，可提高试验件考察区周围温度场的覆盖性和均匀性；

17、第四，本发明通过多点温度检测组件和控制柜进行反馈控制，可实现试验件表面、温控腔体内部和穿舱开口附近的多点温度监测，有利于进行带载状态下的温度均匀性校核；

18、第五，本发明通过可调支撑脚调节箱体高度和水平度，使穿舱开口与试验件加载轴线对准，同时使环境箱不参与主机械载荷传递，避免环境箱刚度、热变形或安装误差影响力学试验结果；

19、第六，本发明设置多层隔热观察窗，可在高温、低温和机械加载耦合作用下对试验件变形、结霜、裂纹扩展或破坏状态进行原位观察。