一种TGMF试验中试件考核段壁厚方向温度梯度的获取方法

摘要

本发明涉及一种TGMF试验中试件考核段壁厚方向温度梯度的获取方法，实现步骤如下：(1)完成空心圆管试件与上夹具组装，将上夹具夹头夹紧在疲劳试验机上；(2)通过空气压缩机、气动三联件、质量流量控制器提供压力、质量流量恒定的干燥压缩空气，并通入上夹具气嘴；(3)制作两个匝数不同的涡旋状感应加热线圈，通过调整线圈匝数和半径大小，保证试件考核段外壁面温度场均匀，同时采用热电偶测得试件考核段的外壁面温度；(4)在零应力状态下，进行温度循环，将热电偶和皮托管通过试件下方气流通道深入试件考核段内部进、出口处，分别测量进、出口处的气流温度、总压和静压，(5)采用有限元软件进行流固耦合计算，获取考核段壁厚方向温度梯度。

权利要求

1.一种TGMF试验中试件考核段壁厚方向温度梯度的获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)完成空心圆管试件与上夹具组装，将上夹具夹紧在疲劳试验机上；

(2)通过空气压缩机、气动三联件、质量流量控制器协同提供标准状况下的压力和质量流量恒定的压缩空气，并将所述空气通入上夹具气嘴；

(3)制作两个独立的感应加热线圈，通过调整所述线圈匝数和半径大小，保证空心圆管试件考核段的外壁面温度场均匀，同时采用热电偶测量得到空心圆管试件考核段的外壁面温度；

(4)在零应力状态下，进行温度循环，将热电偶和皮托管通过空心圆管试件下方气流通道，深入空心圆管试件考核段内部的气流进口处和气流出口处，分别测量所述考核段内部的气流进口处和气流出口处的气流温度、总压和静压，在获取所述考核段内部进出口处的气流温度和压力后，进行下夹具装配；

(5)以步骤(3)的空心圆管试件考核段的外壁面温度，步骤(4)的空心圆管试件考核段内部进出口处的气流温度和压力作为输入条件，通过有限元软件进行流固耦合计算，获取考核段壁厚方向温度梯度。

2.根据权利要求1所述的一种TGMF试验中试件考核段壁厚方向温度梯度的获取方法，其特征在于：所述步骤(1)中，上夹具由带气流通道的夹头、转接、气嘴组成，上夹具安装过程为：分别将空心圆管试件和带气流通道的夹头旋入转接，并调节旋入深度保证空心圆管试件和上夹具的夹头顶端接触，将上夹具的夹头夹紧在疲劳试验机上，将气嘴旋入夹头。

3.根据权利要求1所述的一种TGMF试验中试件考核段壁厚方向温度梯度的获取方法，其特征在于：所述步骤(2)中，空气压缩机、气动三联件、质量流量控制器协同提供标准状况下的压力和质量流量恒定的干燥压缩空气的过程为：空气压缩机产生连续但压强、流量均不稳定的气流，然后通过气动三联件对气流进行过滤、干燥、和减压至恒定压力，最后稳压后的气流经过质量流量控制器后实现流量稳定。

4.根据权利要求1所述的一种TGMF试验中试件考核段壁厚方向温度梯度的获取方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述两个独立的感应加热线圈在安装时同心，且靠近压缩空气进口的线圈匝数比 靠近压缩空气出口的线圈匝数多，在TGMF试验中，由于冷却气流在流过加热状态的空心圆管试件考核段内部时会被逐步加热，因此其对流换热能力逐步降低；

通过增加空心圆管试件考核段入口处感应加热线圈匝数、减小感应加热线圈直径，使得空心圆管试件考核段入口处线圈加热能力增强，平衡冷却气流从考核段入口到考核段出口逐渐降低的对流换热能力，从而保证试件考核段外壁面温度场的均匀性。

5.根据权利要求1或4所述的一种TGMF试验中试件考核段壁厚方向温度梯度的获取方法，其特征在于：所述两个独立的感应加热线圈为两个涡旋状感应加热线圈，靠近压缩空气进口的线圈匝数为3匝，而靠近压缩空气出口的线圈匝数为2匝。

6.根据权利要求1所述的一种TGMF试验中试件考核段壁厚方向温度梯度的获取方法，其特征在于：所述步骤(4)中，下夹具装配过程为:首先将转接旋入空心圆管试件，然后将带气流通道的夹头旋入转接，通过调节转接和夹头的旋入深度保证空心圆管试件和下夹具的夹头顶端接触，最后将气嘴旋入夹头。

说明书

一种TGMF试验中试件考核段壁厚方向温度梯度的获取方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种TGMF试验中试件考核段壁厚方向温度梯度的获取方法，TGMF试验(即温度梯度热机械疲劳试验)可用于研究空心气冷涡轮叶片内部的流动、换热过程对热机械疲劳损伤的影响，属于材料高温力学性能试验及航空航天发动机技术领域。

背景技术

[0002] 热机械疲劳是空心气冷涡轮叶片的主要失效模式，与传统的低循环疲劳、蠕变以及蠕变-疲劳等失效模式相比，热机械疲劳能更为精准地刻画疲劳、蠕变、氧化等损伤因素对涡轮叶片的耦合作用。随着航空发动机性能的不断提高，涡轮前温度越来越高，涡轮转子叶片通常采用具有复杂内腔、气膜冷却孔、扰流柱以及冷却肋板的空心薄壁结构，叶片内部具有复杂的流动、换热过程，导致涡轮转子叶片壁厚方向存在明显的温度梯度。目前，热机械疲劳循环损伤机理研究通常只针对无明显温度梯度的条件下进行，而未能考虑温度梯度作用对热机械疲劳损伤的影响，致使空心气冷涡轮叶片寿命预测精度低，难以满足先进发动机研制需求。因此，开展材料带温度梯度的热机械疲劳试验研究、确定温度梯度对热机械疲劳寿命的影响具有十分重要的意义。

[0003] 北航 王荣 桥、荆甫 雷等 实现 了涡轮 叶片 热机 械疲 劳试 验系统(CN201110460131.4)，试验过程中在叶片内部通入压缩空气，模拟叶片考核截面的内部冷却情况。但是试验只针对叶片考核截面，重点在于模拟考核截面服役过程中机械载荷及温度载荷状态以及对叶片的考核，并不涉及片考核截面的壁厚方向温度梯度的获取。

[0004] 西北工业大学岳珠峰等开展了带温度梯度的单调拉伸(侯乃先,岳珠峰,于庆民,等.温度梯度下薄壁圆管试件拉伸性能的试验与理论研究[J].材料工程,2008(3):36-39.)、低循环疲劳(Hou N X,Yu Q M,Wen Z X,et al.Low cycle fatigue behavior of single crystal superalloy with temperature gradient[J].European Journal of Mechanics/A Solids,2010,29(4):611-618.)试验研究。其研究过程中采用高温炉加热，尽管这种加热方式可在炉体内达到均匀的温度场，具有较高的温度精度，而且能够很好的保证圆管试件外壁面温度，因此用于带温度梯度的等温试验(如单调拉伸、蠕变、高温低循环、蠕变-疲劳等)具有良好的效果。然而高温炉的加热速度较慢，无法满足热机械疲劳、温度梯度热机械疲劳试验快速升温的需求，并且高温炉体为封闭结构，难以对试件进行强制冷却，因而不适用于温度快速变化的热机械疲劳、温度梯度热机械疲劳试验。

[0005] 北航王荣桥、蒋康河等提出了一种空心圆棒试件内壁温度的测量方法(CN201510670082.5)，通过将焊接有热电偶的弹簧片插入空心圆管试件内部，并将其两端固定在试件夹持端的凸台上，从而使得热电偶与空心圆管试件内壁紧密接触，实现试件内壁温度的测量。由于冷却气流在流过加热状态的空心圆管试件考核段内部时会被逐步加热，因此其对流换热能力逐步降低，即使在保证考核段外表面温度均匀的条件下，考核段内表面从气流入口到气流出口的温度也是逐步升高的，传统热电偶测温只能确定某点的温度，无法准确反映整个考核段内表面的温度。

[0006] 西北工业大学温志勋等发明公开了一种旋转气膜冷却式温度梯度热机械疲劳试验系统(CN201710036918.5)，通过改进现有试验仪器，保证试件旋转的同时又承受单轴拉伸载荷，较好解决模拟试件温度梯度场试验环境的难点。但是在测温方法上，仍采用热电偶测量试件内壁温度。由于温度梯度热机械疲劳试验中，冷却气流在流过加热状态的空心圆管试件考核段内部时会被逐步加热，因此其对流换热能力逐步降低，即使在保证考核段外表面温度均匀的条件下，考核段内表面从气流入口到气流出口的温度也是逐步升高的，传统热电偶测温只能确定某点的温度，无法准确反映整个考核段内表面的温度。

[0007] 发明专利CN201210051835.0中利用多路高能能量束对结构按照设定轨迹和输出功率加热并形成温度梯度场。但成本高昂，工艺复杂，需购置专门的试验仪器，专人对试验过程进行监控，且对温度可控性差，温度场达不到精确预期效果，不易于试验测量。

[0008] Bernd Baufeld等采用石英灯辐射加热的方式实现了温度梯度热机械疲劳试验(Baufeld B,Bartsch M,Heinzelmann M.Advanced thermal gradient mechanical fatigue testing of CMSX-4with an oxidation protection coating[J].International Journal of Fatigue,2008,30(2):219-225.)。石英灯辐射加热是利用石英灯管照射试件，实现试件升温的加热方式。辐射加热炉加热能力较高，可在15s内将试件表面温度从室温升至1000℃。由于加热时需要灯光照射在试件表面，因而难以安装引伸计等应变测量设备，且照射灯加热通常需要对多根灯管进行同步反馈控制，对控制系统的软硬件要求较高；同时，由于石英灯内置，的温度容易导致石英灯发生损坏，成本较高；并且，在考核段的温度均匀性尚未得到很好的解决，限制了其在材料高温疲劳试验领域的应用。

[0009] 综上所述，由于高温炉的加热速度较慢，并且其为封闭结构，难以对试件进行强制冷却，不适用于温度快速变化的热机械疲劳试验；而多路高能能量束加热及石英灯辐射加热，成本较高，工艺复杂，限制了其应用范围；而电磁感应加热具有加热能力强、加热速度快，且具有低成本的优势。因此，在热机械疲劳试验以及温度梯度热机械疲劳试验中通常采用电磁感应加热。在温度梯度热机械疲劳试验中，由于冷却气流在流过加热状态的空心圆管试件考核段内部时会被逐步加热，因此其对流换热能力逐步降低，通冷却气流后会影响到试件外表面的温度均匀性，其表现为考核段外表面从气流入口到气流出口的温度逐步升高；另一方面，即使在保证考核段外表面温度均匀的条件下，考核段内表面从气流入口到气流出口的温度也是逐步升高的，传统热电偶测温只能确定某点的温度，无法准确反映整个考核段内表面的温度，而空心圆管试件内表面也无法采用红外测温等手段。因此，在现有技术条件的基础上，难以保证温度梯度热机械疲劳试验中空心圆管试件考核段外壁面温度场的均匀性，也难以准确获取考核段壁厚方向温度梯度。

发明内容

[0010] 本发明解决的技术问题是：提供一种TGMF试验中试件考核段壁厚方向温度梯度的获取方法，克服了温度梯度热机械疲劳试验过程中空心圆管试件考核段外壁面难以均匀加热、考核段内表面测温困难、整个考核段内表面温度情况难以准确反映的难题，实现了对空心圆管试件考核段外壁面均匀加热，并在准确获取考核段进、出口处的气流温度、总压和静压的情况下，结合有限元软件进行流固耦合计算，得到考核段壁厚方向温度梯度，用于研究温度梯度对材料热机械疲劳性能的影响。

[0011] 本发明的技术解决方案是：一种TGMF试验中试件考核段壁厚方向温度梯度的获取方法，实现步骤如下：

[0012] (1)完成空心圆管试件与上夹具组装，将上夹具夹紧在疲劳试验机上；

[0013] (2)通过空气压缩机、气动三联件、质量流量控制器协同提供标准状况下的压力和质量流量恒定的压缩空气，并将所述空气通入上夹具气嘴；

[0014] (3)制作两个独立的感应加热线圈，通过调整所述线圈匝数和半径大小，保证空心圆管试件考核段的外壁面温度场均匀，同时采用热电偶测量得到空心圆管试件考核段的外壁面温度；

[0015] (4)在零应力状态下，进行温度循环，将热电偶和皮托管通过空心圆管试件下方气流通道，深入空心圆管试件考核段内部的气流进口处和气流出口处，分别测量所述考核段内部的气流进口处和气流出口处的气流温度、总压和静压，在获取所述考核段内部进出口处的气流温度和压力后，进行下夹具装配；

[0016] (5)以步骤(3)的空心圆管试件考核段的外壁面温度，步骤(4)的空心圆管试件考核段内部进出口处的气流温度和压力作为输入条件，通过有限元软件进行流固耦合计算，获取考核段壁厚方向温度梯度。

[0017] 所述步骤(1)中，上夹具由带气流通道的夹头、转接、气嘴组成。将上夹具安装过程为：分别将空心圆管试件和带气流通道的夹头旋入转接，并调节旋入深度保证空心圆管试件和上夹具的夹头顶端接触，将上夹具的夹头夹紧在疲劳试验机上，将气嘴旋入夹头。

[0018] 所述步骤(2)中，空气压缩机、气动三联件、质量流量控制器协同提供标准状况下的压力和质量流量恒定的干燥压缩空气的过程为：空气压缩机产生连续但压强、流量均不稳定的气流，然后通过气动三联件对气流进行过滤、干燥、和减压至恒定压力，最后稳压后的气流经过质量流量控制器后实现流量稳定。

[0019] 所述步骤(3)中，所述两个独立的感应加热线圈在安装时同心，且靠近压缩空气进口的线圈匝数多。在TGMF试验中，由于冷却气流在流过加热状态的空心圆管试件考核段内部时会被逐步加热，因此其对流换热能力逐步降低；采用传统等径线圈加热时，能够保证通冷却气流前空心圆管试件考核段外表面温度的均匀性，但是通冷却气流后试件外表面的温度均匀性会被破坏，其表现为考核段外表面从气流入口到气流出口的温度逐步升高。通过增加空心圆管试件考核段入口处感应加热线圈匝数、减小感应加热线圈直径，使得空心圆管试件考核段入口处线圈加热能力增强，平衡冷却气流从考核段入口到考核段出口逐渐降低的对流换热能力，从而保证试件考核段外壁面温度场的均匀性。

[0020] 所述两个独立的感应加热线圈为两个涡旋状感应加热线圈，靠近压缩空气进口的线圈匝数为3匝，而靠近压缩空气出口的线圈匝数为2匝。

[0021] 所述步骤(4)中，下夹具装配过程为:首先将转接旋入空心圆管试件，然后将带气流通道的夹头旋入转接，通过调节调节转接和夹头的旋入深度保证空心圆管试件和下夹具的夹头顶端接触，最后将气嘴旋入夹头。

[0022] 本发明与现有技术相比最大的优点在于：在温度梯度热机械疲劳试验中，由于冷却气流在流过加热状态的空心圆管试件考核段内部时会被逐步加热，因此其对流换热能力逐步降低，通冷却气流后会影响到试件外表面的温度均匀性，其表现为考核段外表面从气流入口到气流出口的温度逐步升高，本发明通过调整涡旋状感应加热线圈的匝数和大小，使得考核段入口处线圈加热能力增强，从而保证试件考核段外壁面温度场的均匀性；另一方面，即使在保证考核段外表面温度均匀的条件下，考核段内表面从气流入口到气流出口的温度也是逐步升高的，传统热电偶测温只能确定某点的温度，无法准确反映整个考核段内表面的温度，而圆管试件内表面也无法采用红外测温等手段，本发明在准确获取考核段进、出口气流温度、总压和静压的情况下，结合有限元软件的流固耦合计算，得到考核段壁厚方向温度梯度，克服了考核段内表面测温困难、整个考核段内表面温度情况难以准确反映的难题。

附图说明

[0023] 图1为本发明一种TGMF试验中试件考核段壁厚方向温度梯度的获取方法流程图；

[0024] 图2为空心圆管试件示意图；

[0025] 图3为带气流通道的夹头图，其中(a)为夹头示意图，(b)为夹头正视图，(c)为夹头俯视图，(d)为夹头仰视图，(e)为夹头左视图；

[0026] 图4为转接图，其中(a)为转接俯视示意图，(b)为转接仰视示意图，(c)为转接正视图，(d)为转接俯视图，(e)为转接仰视图，(f)为转接左视图；

[0027] 图5为气嘴图，其中(a)为气嘴示意图，(b)为气嘴正视图，(c)为气嘴左视图，(d)为气嘴俯视图；

[0028] 图6为上夹具安装图；

[0029] 图7为涡旋状感应加热线圈图，其中(a)为涡旋状感应加热线圈(3匝)图，(b)为涡旋状感应加热线圈(2匝)图；

[0030] 图8为上夹具及涡旋状感应加热线圈安装图；

[0031] 图9为皮托管示意图，其中E为总压进气口，F为静压进气口，G为压差计，H为静压出气口，I为总压出气口；

[0032] 图10为夹具安装总图；

[0033] 图11为考核段模型图；

[0034] 图12为流体区域和固体区域模型图；

[0035] 图13为有限元模型图；

[0036] 图14为考核段温度梯度计算结果图，其中O为考核段气流进口处壁厚方向温度梯度云图，P为考核段气流出口处壁厚方向温度梯度云图。

具体实施方式

[0037] 如图1所示，本发明一种TGMF试验中试件考核段壁厚方向温度梯度的获取方法，[0038] (1)分别将空心圆管试件和带气流通道的夹头旋入转接，并调节旋入深度保证空心圆管试件和夹头顶端接触，将夹头夹紧在疲劳试验机上，将气嘴旋入夹头；

[0039] (2)通过空气压缩机、气动三联件、质量流量控制器提供压力、质量流量恒定的干燥压缩空气，并通入气嘴中；

[0040] (3)制作两个匝数不同的涡旋状感应加热线圈，安装时保证两个线圈同心，且靠近压缩空气进口的线圈匝数多，通过调整线圈匝数和半径大小，保证试件考核段外壁面温度场均匀；

[0041] (4)在零应力状态下，进行温度循环，将热电偶和皮托管通过试件下方气流通道深入试件考核段入口和考核段出口，分别测量考核段内部进口处和出口处的气流温度、总压和静压，在完成考核段进出口气流温度和压力的获取后，可完成下夹具装配，并开展空心圆管试件温度梯度热机械疲劳试验；

[0042] (5)以考核段外壁面温度、内部进口处和出口处的气流温度和压力作为输入条件，采用有限元软件进行流固耦合计算，获取考核段壁厚方向温度梯度，其步骤如下：

[0043] ①采用Unigraphics NX(UG)或Solidworks软件建立空心圆管试件考核段模型；

[0044] ②打开ANSYS WORKBENCH，在GEOMETRY模块中导入空心圆管试件考核段模型，空心圆管试件考核段模型圆筒部分作为固体区域，对空心圆管试件考核段模型中间部分创建封闭面、填充后作为流体区域，赋予固体区域和流体区域材料属性，固体区域与流体区域分别指代空心圆管试件和冷却气流，用于后续流固耦合计算；

[0045] ③在MESH模块中完成对固体区域与流体区域的网格划分，设置网格类型，并为流体区域插入流体边界层；

[0046] ④以考核段外壁面温度、内部进口处和出口处的气流温度和压力作为输入条件，采用FLUENT模块进行流固耦合计算，计算完成后可以得到空心圆管试件考核段以及内部冷却气流的温度云图，选择固体区域，可以查看空心圆管试件考核段外壁面到内壁面的沿壁厚方向的温度梯度。

[0047] 其具体实施方式如下；

[0048] 第一步，如图2、图3、图4、图5所示，完成上部夹具的安装：首先分别将空心圆管试件2和带气流通道的夹头3旋入转接4，并调节旋入深度保证空心圆管试件2和夹头3顶端接触，将夹头3夹紧在疲劳试验机上，将气嘴5旋入夹头3，装配情况如图6所示，其中2、3、4、5分别代表空心圆管试件、带气流通道的夹头、转接和气嘴。

[0049] 第二步，然后，通过空气压缩机、气动三联件、质量流量控制器提供压力、质量流量恒定的干燥压缩空气，并通入气嘴5中。

[0050] 第三步，分别制作两个匝数不同(2匝和3匝)的涡旋状感应加热线圈(分别如图7中的(a)和(b)所示)，安装时保证两个涡旋状感应加热线圈同心，且靠近压缩空气进口的涡旋状感应加热线圈匝数多，装配情况如图8所示，其中2、3、4、5、7(a)、7(b)、C、D分别代表空心圆管试件、带气流通道的夹头、转接、气嘴、线圈(3匝)、线圈(2匝)、试件考核段入口和考核段出口。通过调整所述线圈匝数和半径大小，使得空心圆管试件考核段入口处线圈加热能力增强，平衡冷却气流从考核段入口到考核段出口逐渐降低的对流换热能力，从而保证试件考核段外壁面温度场的均匀性。

[0051] 第四步，在零应力状态下，进行温度循环，将热电偶和皮托管(如图9所示，其中其中E为总压进气口，F为静压进气口，G为压差计，H为静压出气口，I为总压出气口)通过试件下方气流通道深入试件考核段入口C和考核段出口D，分别测量考核段进、出口处的气流温度、总压和静压，热电偶和皮托管都是现成设备，直接可以读数，在完成考核段进出口气流温度和压力的获取后，可进行下夹具装配，如图2、图3、图4、图5，其过程如下：首先将转接4旋入空心圆管试件2，然后将带气流通道的夹头3旋入转接4，通过调节转接4和夹头3的旋入深度保证空心圆管试件2和夹头3顶端接触，最后将气嘴5旋入夹头3。安装总图如图10所示，其中2、3、4、5、7(a)、7(b)、C、D分别代表空心圆管试件、带气流通道的夹头、转接、气嘴、线圈(3匝)、线圈(2匝)、试件考核段入口和考核段出口。完成下夹具装配后，可开展空心圆管试件温度梯度热机械疲劳试验。

[0052] 第四步，以考核段外壁面温度、内部进口处和出口处的气流温度和压力作为输入条件，采用有限元软件进行流固耦合计算，获取考核段壁厚方向温度梯度，其步骤如下：

[0053] (1)采用Unigraphics NX(UG)或Solidworks等软件建立空心圆管试件考核段模型(如图11所示)，其形状为等径圆筒。

[0054] (2)打开ANSYS WORKBENCH，在GEOMETRY模块中导入空心圆管试件考核段模型(如图11所示)，空心圆管试件考核段模型圆筒部分作为固体区域，对空心圆管试件考核段模型中间部分创建封闭面、填充后作为流体区域，用于后续流固耦合计算，赋予固体区域和流体区域材料属性，结果如图12所示，其中J为固体区域，K为流体区域。

[0055] (3)在MESH模块中完成对固体与流体区域的网格划分，设置网格类型，并为流体区域插入流体边界层，结果如图13所示，其中L、M、N分别为固体区域、流体区域以及流体边界层。

[0056] (4)以考核段外壁面温度、内壁面进口处和出口处的气流温度和压力作为输入条件，采用FLUENT模块进行流固耦合计算，可以得到空心圆管试件考核段以及内部冷却气流的温度云图，选择固体区域，可以查看空心圆管试件考核段外壁面到内壁面的沿壁厚方向的温度梯度，计算结果如图14所示，其中O为考核段气流进口处壁厚方向温度梯度云图，P为考核段气流出口处壁厚方向温度梯度云图。

[0057] 从上述具体实施过程可以发现，本发明通过调整涡旋状感应加热线圈的匝数和半径大小，使得考核段入口处线圈加热能力增强，平衡冷却气流从考核段入口到考核段出口逐渐降低的对流换热能力，从而保证了试件考核段外壁面温度场的均匀性；同时，在准确获取考核段进口处和出口处的气流温度、总压和静压的情况下，以考核段外壁面温度、内壁面进口处和出口处的气流温度和压力作为输入条件，结合有限元软件进行流固耦合计算，得到考核段壁厚方向温度梯度，克服了考核段内表面测温困难、整个考核段内表面温度情况难以准确反映的难题。

[0058] 本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

[0059] 本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。