长周期光纤光栅用于材料热膨胀系数的测量

基于长周期光纤光栅(Long-period fiber grating,LPFG)对应变和温度的敏感特性,用两只LPFG光栅测量材料的热膨胀系数,提出用一只自由状态的LPFG光栅作为实验光栅的温度补偿。实验原理简单,操作方便,克服了传统测量方法对试件本身的要求,且传感信号属于波长解调,不受光强波动及光纤损耗的影响。通过实验获得了对铝板的测量误差约为0.6%,实验结果表明采用LPFG光栅测量材料热膨胀系数的方法是可行的。     

超低温环境下非均质焊接件的力学性能研究

为揭示我国新一代运载火箭焊接构件在超低温环境下的力学性能与失效机理,并为提高焊接质量与贮箱的承载能力提供科学依据,本项目开展了超低温环境下非均质焊接件的力学性能研究。首先,叙述了基于数字图像相关方法(DIC)的铝合金焊接件低温力学性能试验原理并建立开放式超低温载荷环境模拟系统;其次,分别对熔焊和搅拌摩擦焊两种不同焊接工艺的焊接件进行详细的试验研究,分析了应力应变关系、沿载荷方向全场应变分布、应变集中系数等,结果表明搅拌摩擦焊试件整体的力学性能要优于熔焊试件。最后本文还对比分析了测试区域大小对测试结果的影响,表明在热影响区2~8mm范围内进行测量,其测量误差不超过8.8%。本文研究结果将为我国新一代运载火箭低温贮箱焊接工艺优化与改进提供科学依据。     

面向天线板热变形的有限元模型修正方法

为满足卫星天线板的在轨热变形测量要求,需要建立精确有限元模型模拟天线板热变形过程。蜂窝夹层板作为天线板主体结构,在有限元建模过程中通常需要对其进行简化处理,导致有限元计算结果与实验测量值之间存在差异。针对上述问题,进行了高温环境下天线板结构的热变形实验,得到温度场分布与热变形位移矩阵。通过对温度场拟合得到有限元模型热载荷。在此基础上,提出了利用天线板有限元模型与实验模型面外位移测量矩阵的均方根误差作为修正目标,基于多岛遗传算法的有限元模型修正方法,对模型材料参数与边界条件进行修正。修正后有限元模型的预测精度得到了明显提高。     

用白光散斑测量金属高温热变形的表面处理技术

探讨了不同温度的热过程中材料表面的白光散斑可测性，研究了金属表面氧化与散斑可测性之间的关系和抗高温氧化的实用方法，提出将热喷涂方法制备的防护层用于热变形的白光散斑测量。实验发现，以砂纸打磨的方式制备表面，可适用４００℃以下的热过程。基材表面火焰喷涂通用复合粉末所制备的防护层，可承受９００℃短期高温而保持散斑相关性，并可在７００℃下进行变形测量。表面预处理对基材机械性能的影响很小。     

FIBER OPTIC TEMPERATURE MEASURING SYSTEM

提出了一种可用于多种场合的光纤温度检测系统。该系统具有反射式结构，由热双金属片、连杆－活塞机构、光栅及光纤探头组成。温度变化引起热双金属片变形，通过连杆－活塞机构，使得光栅在竖直方向移动。光纤探头用来检测由于温度变化引起光栅移动产生的条纹数。通过光纤光缆可以将检测信号传输１ｋｍ以上，系统的温度测量范围达到１００℃，精度达±０．２℃。     

硬质合金与结构钢钎焊结构低温力学性能试验

针对航天器产品恶劣工况对材料及连接方式高抗拉、抗剪强度力学性能的需求,设计试验验证了深低温至高温环境下真空钎焊与火焰钎焊试样拉伸与剪切性能：真空钎焊在-233 ℃条件下抗拉强度可达536 MPa、剪切强度可达260 MPa、-150 ℃时剪切强度300 MPa、常温剪切强度212 MPa,低温下剪切强度值更高且皆优于火焰钎焊对应温度下试样的结果。同时研究了真空钎焊工艺对合金钢40CrNiMoA材料性能的影响,真空钎焊工艺加工过程使材料本身抗拉强度下降约38%,表面硬度值下降约25%。并测量了真空钎焊试样200 ℃高温条件下抗拉强度为804 MPa,剪切强度为239 MPa。通过试验研究了不同焊接工艺对结构焊接后力学性能的影响,该试验结果对后续航天器结构设计工作具有一定的指导作用。     

基于光纤Bragg光栅的飞机异种金属连接件腐蚀监测技术研究

针对飞机"铝合金板材+钢螺钉"异种金属连接结构易腐蚀的问题,采用光纤Bragg光栅应变传感技术研究了飞机连接结构模拟件的腐蚀实时监测方法。结果表明,运用理论分析和参考光栅方法剔除温度变化对光栅波长的影响,使得光栅波长变化量可以较好的描述将不同时间下腐蚀引起的"枕垫效应"损伤程度,提高了实时腐蚀监测数据的精度,建立了腐蚀损伤与光栅波长变化量的关系。     

基于光纤光栅的编织复合材料多点热应变监测

为研究三维编织复合材料的热特性，本文利用编入编织复合材料结构的光纤Bragg光栅传感器来测量其内部多点热应变。为消除光栅自身温度受温度的影响，本文提出了用另一个自由状态光纤Bragg光栅对其进行温度补偿的方法。通过实验获得了编织复合材料的热应变与温度关系曲线。实验结果表明，碳纤维／环氧树脂三维编织复合材料结构的编织角较小时，在编织方向上的热膨胀率为负。     

磷光热图测热技术研究

磷光热图测热技术基于磷光材料的温度敏感特性,是应用于风洞热环境测量的新型全场热流测量方法,近年来在欧美等国得到了高速发展.在中国航天空气动力技术研究院搭建了一套磷光热图系统,采用20°压缩拐角模型开展了重复性试验及铂薄膜电阻温度计对比和纹影验证试验.试验结果表明:热流测量特征区域结果与纹影照片符合良好;技术自身重复性误差小于5%;平板热流与理论值误差小于10%;与铂薄膜电阻温度计的对比误差小于20%,此误差主要由铂薄膜电阻温度计的测量散布度引起.该技术通过单次试验获得模型全场热环境数据,且能够捕获热流峰值区域,是一种全面高效的热环境测量手段.     

云纹干涉法测定高温材料弹性模量及泊松比的研究

分析了激光云纹干涉测量高温材料弹性模量和泊松比的可行性，当测量区域的尺寸大小相同时，云纹干涉法的测量灵敏度高于双表式引伸计的测量灵敏度。本文的试验采用国产铝基碳化硅材料，复制了硅橡胶正交栅，在３５０℃及其以下的温度环境中试验结果较理想。     

1200℃高温热环境下全场变形的非接触光学测量方法研究

将数字图像相关方法这一基于图像的非接触全场光学测量方法与瞬态气动热试验模拟系统相结合发展了一种用于1200℃高温环境下全场高温变形测量的新技术,为减小高温物体热辐射对数字摄像机所采集图像亮度增强的影响,采用了带通光学滤波成像技术,该技术可使图像采集系统在物体表面温度高达1200℃时仍可获得高质量的数字图像,这些图像可被...     

高热环境下前缘结构高温应变测量

高超声速飞行器前缘在大气层中长时间飞行时受热严酷,热应力影响大,分析前缘结构热应力十分必要。在电弧风洞模拟的高热环境下采用高温应变计对高超声速飞行器前缘结构进行了高温应变测量,介绍了试验设备、试验条件、试验模型和热输出标定等,并介绍分析了碳基复合材料和某耐热合金2种材料前缘模型试验结果,同时对比了有限元计算结果,表明测量结果真实。试验应变测量最高温度600℃,试验结果表明,前缘模型侧面平板的应力状态处于合理水平。应力应变数据对于结构优化设计起到了重要作用。     

光纤光栅传感器对非均匀应变场的响应特性

提出利用测量位置处光栅传感器的光谱特征反推该处对应的应变分布状态的方法。采用改进的传递矩阵方法，模拟了不同应变分布函数对应的光谱响应，分析了其基本特征参数同应变分布之间的变化规律。通过有限元仿真计算试验件在弯曲载荷下光栅粘贴处的应变分布，重构了传感器的光谱，并将其和应变分布函数的理论计算光谱图进行比较，验证了应变分布形式与反射光谱特征的关联性。构建带有不同半径圆孔的铝合金板孔口弯曲加载试验系统，测试试验件弯曲挠度和孔径大小与反射谱特性的关系。理论及试验结果表明，实测与仿真计算的谱图变化具有相同规律，光谱特征参数可作为预测铝合金孔径的有效指标，并为其他类型结构的应变场变化规律的监测提供参考依据。     

某型C/SiC非金属高温转动摩擦副动态摩擦性能试验研究

操纵面外挂点转动摩擦副结构是飞行器飞行姿态控制的关键部件。文章介绍了外挂点摩擦副结构的应用背景,通过试验方法模拟了外挂点转动摩擦副结构气动力、热载荷环境下的工作状态,分别在常温和700℃高温状态下获得了某C/SiC非金属高温转动摩擦副结构的动态摩擦系数,对比分析了温度等因素对动态摩擦性能的影响,为该类型结构设计提供了参考。     

钛合金缺口试样拉伸破坏载荷预测

针对航空发动机轮盘常用钛合金材料,开展了常温和高温下光滑和缺口试样的拉伸变形和断裂行为试验研究,建立了其大变形本构模型。基于该本构模型,利用大变形有限元分析,计算获得缺口试样的载荷-位移曲线。将该曲线最高点对应的载荷确定为试样的拉伸破坏载荷,并与试验进行对比。结果表明理论预测与试验吻合较好,从而验证了所提出的拉伸破坏载荷预测方法的有效性。     

塞块量热计的热流计算与修正方法研究

为减小塞块量热计的热流测量误差，对其热流计算与修正方法开展了研究。根据能量守恒原理和传热理论，建立了隔热套结构塞块量热计的传热模型和计算方法；通过对塞块量热计传热模型的仿真分析，给出了温升率提取方法和计算误差的主要影响因素；提出了直接比对标定修正方法和基于标定的数值计算修正方法。仿真和试验结果表明:两种方法均能较大幅度减小塞块量热计的热流测量误差，使其误差控制在5%以内；直接比对标定修正方法的误差相对更小，但要求热流标定系统能覆盖被测热流范围；基于标定的数值计算修正方法对热流标定系统要求较低，适用范围更广。     

某发动机推力室内壁鼓起原因分析研究

针对某发动机推力室内壁鼓起烧蚀断裂问题,截取了推力室喉部区域进行三维的有限元建模分析,分别用静力分析以及动态响应分析计算了结构在压力及温度载荷作用下的塑性变形情况;同时计算了结构在高温阶段的稳态蠕变以及加速蠕变的蠕变变形。计算发现结构在喉部上游发生了塑性变形,引起内壁鼓起,但未超过其延伸率,而在加速蠕变阶段会产生很大的蠕变变形,导致了结构的断裂发生,计算预测的位置及形状和实际情况基本一致。     

动静态载荷下光纤光栅传感器敏感特性研究

针对航空航天领域板结构动静态载荷监测需求,研究了基于铝合金板结构的光纤光栅（Fiber Bragg grating,FBG）传感器感知特性。从静载监测角度,得到光纤光栅传感器中心波长偏移量与加载距离、载荷大小和加载角度的对应关系。从动载监测角度,分别得到在不同加载距离和不同加载夹角的载荷作用下,光栅中心波长最大峰值幅度和基于小波包分解的能量谱特征随冲击载荷属性变化的响应特性。研究表明在动静态载荷作用下,光纤光栅传感器中心波长偏移量随加载载荷的增大而呈现良好的单调递增关系。此外,光纤光栅传感器还具有较好的载荷 方向敏感特性,传感器响应灵敏度随着加载夹角增大而逐渐提高。这些特性能够为进一步开展基于光纤光栅传感器的板结构动静态载荷辨识与损伤监测提供有益帮助。     

不同温度和应变速率下7022铝合金流变应力行为

通过在293-773 K的温度范围内和应变速率为0.001-0.1 s-1下对7022铝合金薄板进行温拉伸试验,研究了7022铝合金温拉伸性能,以及该合金在升温条件下流变应力与变形温度和应变速率之间的关系.并利用改进了的Hooke law和Grosman方程建立了7022铝合金在温拉伸时应力-应变本构模型.研究结果表明:7022铝合金的流变应力随温度的升高而降低,随应变速率的升高而升高;温拉伸试样的延伸率随变形温度的升高而升高,随应变速率的增大而减小.     

襟翼热力耦合试验方法及有限元模拟研究

设计了热力耦合试验装置对襟翼进行试验研究。采用石英灯管加热器加热,实现了高温力载荷的施加和高温条件下位移的测量。通过有限元方法进行等效热力耦合模拟计算,结果发现试验的位移数据和有限元计算位移结果吻合较好,说明本文设计的热力耦合试验方法可靠,高温条件下力载荷施加及位移测量方法合理可行。