热环境下加筋壁板压缩稳定性试验加载技术研究

吴彦增 李丽远 孙晓娜 王成亮 尹晓峰

热环境下加筋壁板压缩稳定性试验加载技术研究

吴彦增1李丽远2孙晓娜3王成亮2尹晓峰2

（1北京电子工程总体研究所，北京 100854；2北京强度环境研究所，北京 100076；3北京宇航系统工程研究所，北京 100076）

以试验机作为机械加载系统，采用石英灯辐射加热作为热载荷施加系统，进行了热环境下加筋壁板压缩稳定性试验加载技术研究，重点解决了加筋壁板端部加载夹具设计及热环境下加热器设计及加热等关键问题。力加载系统中设计了一套端部支持系数为常数的铰支形式加载夹具配合试验机对加筋壁板进行加载；热加载系统采用石英灯辐射加热的形式，设计了一种非水冷形式的平板加筋框架加热器，并采取措施提高了加筋壁板的加热均匀性。最后，应用此项加载技术开展了热环境下的加筋壁板压缩稳定性试验，验证了加载技术的可行性与有效性，为高温环境下的加筋壁板结构设计研究提供了支撑。

加筋壁板；压缩稳定性；石英灯加热；端部支持系数

0 引言

壁板结构在飞机上大量使用，壁板结构的热屈曲现象对于结构刚度具有重要的影响。目前关于热环境下壁板结构屈曲稳定性的研究主要集中在理论分析和数值仿真方面[1-5]，试验主要为室温下的加筋壁板屈曲试验，其试验方法趋于成熟[6-8]。而随着高超声速飞行器事业的发展，气动加热引起的壁板结构热屈曲问题凸显，壁板结构的热屈曲行为研究对于结构设计具有重要指导意义，而目前关于热环境下加筋壁板结构热屈曲行为开展的试验研究较少[9-11]，而高温环境相比室温环境，测试难度更大，研发热环境下加筋壁板结构热屈曲试验系统显得尤为必要。

本文基于加筋壁板在热环境下的压缩稳定性试验需求，基于石英灯辐射加热和试验机机械载荷加载，开展了热环境下加筋壁板压缩稳定性试验加载技术研究，重点解决了加筋壁板加载夹具设计、加热器设计、热防护及力热联合载荷施加、热环境下应变采集等技术难题，并应用此项加载技术完成了不同热环境下的加筋壁板压缩稳定性试验，验证了加载技术的适用性，为开展热环境下壁板结构的稳定性设计提供了试验验证方法。

1 试验系统设计

为实现在力热联合载荷作用下对加筋壁板压缩稳定性的试验验证，设计了热环境下加筋壁板压缩稳定性试验系统，主要由石英灯加热、试验机加载和控制测量三个系统组成。主要设备有试验机、加载工装、加热器、应变片、温度传感器（热电偶）及数据采集和控制设备等，试验系统搭建如图1所示。

图1 热环境下壁板压缩稳定性试验系统

1.1 力加载装置

在加筋壁板压缩稳定试验中，需要设计专门的试验夹具来对壁板试验件施加压缩载荷。不同类型的试验夹具对应的端部支持系数是不同的，根据其端部边界支持条件不同分为铰支、简支和固支，其对应的端部支持系数为1、1～4之间和4，以满足不同的边界模拟要求。

在壁板压缩试验中，常要求端部支持系数小于2，简支夹具虽然支持系数可变，但其每次试验前均需开展模拟件的端部支持系数测试，极大的增加了试验成本。同时，屈曲试验对于壁板试验件的对中性具有较高的要求，现有的夹具主要为固定凹槽式的夹具，试验件对中性不可调，对试验件和试验夹具的加工精度同时提出了较高的要求，一旦加工出现误差，易造成试验件与夹具的不匹配，增加了试验成本和试验周期。

为准确获取平板或加筋板的压缩屈曲特性，便于和理论计算解进行对比，本文设计了一种端部支持系数为常数的铰支夹具，且该夹具具备夹持端对中性可调功能，如图2所示。该铰支夹具包括半圆形铰块，铰块平面一侧加工一个矩形槽，矩形槽两侧开螺纹孔，试验件端部放入矩形槽内，两侧设置有调位垫块（板），两侧通过调位螺栓位置来实现对试验件两端对中性的微调，保证试验机压心、夹具形心以及试验件压心同轴。半圆形铰块设置在截面为半圆形的滑槽座内，滑槽座与半圆型铰块之间装有滚棒实现铰接连接。铰支夹具的滑槽座底部设计有转接工装与试验机加压装置连接。

图2 壁板压缩试验铰支夹具

1.2 热加载装置

辐射加热是结构热试验广泛采用的加热方式[12]，相比高温炉和环境温箱，石英灯的热惯性小，便于电控；同时体积小，功率大，可以拼装成不同尺寸和形状的加热器。在本试验系统，采用石英灯辐射加热的方式，加热器根据加筋壁板的形状设计为平板型加热器，如图3所示，为提高加热效率，在壁板两侧采用双面加热的形式。

考虑到不同加热温度环境的需求，加热器可设计为水冷加热器和非水冷加热器。本试验系统所需加热温度不高于500℃，采用经过加筋结构强化设计的非水冷加热器，该加热器反射板采用加筋框架结构强化处理，可保证反射板在长时间高温环境下，不发生大面积热屈曲变形，从而保证了石英灯在加热过程中的安全，同时，其不需要试验场地额外提供冷却水循环系统支持，避免了试验过程中漏水引起的安全风险。

图3 壁板压缩试验加热器

常规试验机设计工作温度为室温环境，在高温环境下易导致试验机工作异常，故需对试验机采取热防护措施[13]。由于加热器设计仅对加筋壁板段进行加热，试验机所用夹头属于大热沉结构，故本试验再在试验机上下夹头、加载立柱、液压油管等处分别用隔热毡包裹进行隔热处理，并在外部使用铝箔纸包裹（起到防尘功能），经过热防护处理后，可保证试验机满足高温环境下压缩屈曲试验要求。

1.3 力热联合控制测量系统

力热联合试验控制测量系统主要包括计算机加载控制系统和测量数据采集系统两部分。

计算机加载控制系统主要负责对试验加载参量进行控制，包含力载荷、位移及温度热载荷三个参量，其中力载荷和位移参量的控制通过试验机控制系统进行闭环控制，热载荷通过热试验控制系统进行闭环或开环控制，其控制参量可为温度参量或热流密度参量。在本试验中，选择加筋壁板压心位置力载荷参量作为力载荷的控制参量，蒙皮中心位置温度参量作为热载荷的控制参量。数据采集系统主要负责对试验加载过程中的相关参量进行测量，包含试验机反馈的力载荷、位移信号，加热器反馈的电压、电流信号，以及加筋壁板上温度传感器和应变传感器实时测量的温度和应变信号。为便于对各个测量参量的实时监测，将试验机反馈的力载荷、位移参量同加筋壁板上安装的传感器测量的温度、应变参量统一接入IMC数据采集系统进行同步实时连续采集。考虑到热试验中，加筋壁板试验件上的传感器直接暴露于热辐射环境中存在强电干扰及长时间易损坏等问题，对传感器外表面采用铝箔纸进行了防辐射遮挡，测试导线进行了热防护及静电屏蔽等措施，来保证测量数据获取得稳定可靠。

2 端部支持系数测试

2.1 试验件设计

为验证加筋壁板力加载夹具的端部支持系数，设计等厚平板试件对该铰接工装进行端部支持系数的测量。等厚平板形式与壁板压缩正式试验件具有相同的长度、宽度和截面惯性矩。根据平面等厚平板惯性矩计算公式=3/12，可计算获得等厚平板的厚度。平面等厚平板上应变片布点位置如图4所示，在试验件长度方向的1/6，1/3和1/2处两面粘贴应变单片。

图4 等厚平板应变片布点位置

2.2 测试过程

试验前，对试验件进行30 kN范围内加载调试，验证应变片测试是否正常；通过左右对称位置应变片的变化，验证加载均匀性；调试无误后，从零载荷开始分级加载压缩载荷，载荷级差为10 kN，跟踪测量载荷-应变，加载至500 kN卸载。在逐级加载时注意同步观测逐级测量的载荷-应变曲线，确定载荷-应变曲线上对应失稳的载荷值测试。

2.3 测试结果分析

试验测得的载荷-应变曲线如图5所示，在压缩载荷较小时，试验件正反两面的应变变化规律保持一致，在逐级加载过程中，试验件开始逐渐失稳，其正反两面应变值变化趋势开始出现分叉，对失稳前后应变曲线采用割线法对临界失稳载荷进行确定，可获得测试临界载荷值，测试= 300 kN。

图5 端部支持系数测试试验件的载荷-应变曲线

根据有限元板屈曲失稳理论公式，可计算出平面等厚板试验件屈曲临界载荷

cr=π2/2（2）

式中，为端部支持系数，为试件长度，为试件有效长度，cr为临界载荷；为材料弹性模量；为调试件惯性矩。

在本试验中，试验件采用LY12铝合金制成，弹性模量= 70 GPa，试验件长度为= 570 mm，宽度= 600 mm，厚度= 16.5 mm，截面惯性矩= 224606.25 mm4，带入计算公式可求得理论屈曲临界载荷cr=275.86kN。

结合试验测得的临界失稳载荷值，可计算出端部支持系数，=测试/cr= 1.09，理论上铰支的端部支持系数为1，但在实际工装选材设计、加工及实际应用过程中，考虑到加工精度、表面接触产生的摩擦等因素，实际系数难以完全等于理论计算值，但通过试验测试验证，其值超过理论计算值约10%范围，且多次试验结果表明其为常数，满足实际试验需求。

3 热环境下的壁板压缩稳定性试验验证

为验证上述加载技术的适用性，选取钛合金T型加筋壁板作为试验件，进行了高温热环境下的压缩稳定性试验。温度传感器选取K型热电偶，分别焊接于加筋壁板的T型材筋条的腹板和蒙皮表面；应变传感器布置位置与热电偶位置相似，具体位置如图6所示。

图6 传感器位置与编号

3.1 热载荷加热验证

研究表明[14]，加热器灯阵与试验件之间距离的增大，可有效消除加热器灯头盲区对试验件表面加热效率降低的影响。在本试验中石英灯阵与加筋壁板试验件蒙皮表面距离设置为150mm。在相同加热条件下，加筋壁板各部位的温度分布可见表1。

可以看出，沿试验件对称位置的蒙皮或筋条间的温度接近，说明加热器石英灯阵左右加热均匀性较好；而在筋条表面未涂黑处理情况下，蒙皮与筋条表面的温度差可达50℃以上，而经过涂黑处理，温度差可控制在40℃以下。可见，对加筋壁板试验件进行筋条表面涂黑处理，可以有效提高试验件表面的吸热效率，降低筋条与蒙皮间的温度差。

表1 涂黑前后加筋壁板不同部位温度对比

3.2 加筋壁板压缩稳定性试验验证

a）室温环境下试验分析

室温环境下加筋壁板压缩稳定性试验测得的应变随载荷变化曲线如图7所示，其变化规律与室温环境下加筋壁板的轴压稳定性试验中典型的载荷-应变曲线[15]规律一致，进一步验证了本试验系统力加载方式的有效性。

图7 室温环境下的载荷-应变曲线

b）热环境下试验分析

选取加筋壁板蒙皮表面350℃热环境下加筋壁板压缩稳定性试验结果（如图8所示）进行分析，热环境下应变变化规律整体上与室温环境趋势相似，但蒙皮临界屈曲失稳载荷值仅为40 kN，约为室温下的一半，压缩破坏载荷值210 kN也低于室温下的280 kN。由于蒙皮表面与长桁筋条间存在一定的温度差，在轴压载荷加载过程中，试验件蒙皮与长桁筋条间的应力会进行协调匹配的动态自平衡，在后屈曲阶段，蒙皮与长桁筋条出现不同程度的应变测量抖动现象，这是室温环境下加筋壁板压缩稳定性试验中不曾出现的。

图8 热环境下的载荷-应变曲线

热环境下加筋壁板的压缩稳定性试验结果表明，高温热环境对于加筋壁板的压缩稳定性能具有重要影响。在加筋壁板力热联合试验过程中，石英灯辐射加热器与铰支夹具加载工作正常，可有效获取试验所需关键数据，表明该加载技术能够高效地完成热环境下加筋壁板压缩稳定性试验。

4 结论

本文开展了热环境下加筋壁板压缩稳定性试验加载技术研究，解决了加筋壁板端部加载夹具设计及热环境下加热器设计及加热等技术难题。设计了一种端部支持系数为常数且对中性可调的加载夹具，并进行了端部支持系数的测试验证。基于石英灯辐射加热技术，完成了典型加筋壁板热环境下的压缩稳定性试验测试，验证了本试验系统力热联合加载技术的有效性，为壁板结构热屈曲性能研究提供了有力的技术支撑。

[1] 高金海, 刘书国, 冯笑男, 等.高温环境下板壳结构局部屈曲理论研究[J].推进技术, 2015, 36(2): 285-291.[Gao Jinhai, Liu Shuguo, Feng Xiaonan, et al.Theoretical investigation of local buckling of plate-shell structures at elevated temperatures[J].Chinese Journal of Propulsion Technology, 2015, 36(2): 285-291.]

[2] 刘志民.热环境中加筋壁板数值仿真[J].工程与试验, 2017, 57(3): 22-26.[Liu Zhimin.Numerical simulation of stiffened panel in thermal environment [J].Engineering & Test, 2017, 57(3): 22-26.]

[3] 任青梅.热/力联合作用下壁板结构相似准则研究[J].航空科学技术, 2019, 30(8): 41-48.[Ren Qingmei.Study on the similarity criterion of panel under the combined effect of temperature and static load [J].Aeronautical Science & Technology, 2019, 30(8): 41-48.]

[4] 邓文亮, 成竹, 吴敬涛, 等.约束方式对温度环境下复材/金属混合结构壁板稳定性的影响[J].应用力学学报, 2020, 37(4): 1798-1804.[Deng Wenliang, Cheng Zhu, Wu Jingtao, et al.Effect of constraint method on stability of hybrid composite/metal structural walls in temperature environment[J].Chinese Journal of Applied Mechanics, 2020, 37(4): 1798-1804.]

[5] 马良, 马玉娥, 秦强.热力耦合下不同加筋壁板稳定性分析[J].西北工业大学学报, 2020, 38(1): 40-47.[Ma Liang, Ma Yu’e, Qin Qiang.Stability analysis of different stiffened plates in thermal-mechanical coupling environments [J].Journal of Northwestern Polytechnical University, 2020, 38(1): 40-47.]

[6] 高志刚, 冯宇, 马斌麟, 等.航空复合材料加筋板压缩屈曲及后屈曲力学性能[J].航空材料学报, 2020, 40(1): 53-61.[Gao Zhigang, Feng Yu, Ma Binlin, et al.Compressive bucking and post-bucking mechanical properties of aeronautic composite stiffened panel [J].Journal of Aeronautical Materials, 2020, 40(1): 53-61.]

[7] 李真, 王俊, 邓凡臣, 等.复合材料机身壁板的强度分析、试验及验证[J] .航空学报, 2020, 41(9): 118-130.[Li Zhen, Wang Jun, Deng Fanchen, et al.Strength analysis, test and verification of composite fuselage panels[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2020, 41(9): 118-130.]

[8] 郭文婧, 孙金云, 巴晓蕾, 等.复合材料薄壁加筋结构轴压稳定性测试分析[J].强度与环境, 2020, 47(6): 15-21.[Guo Wenjing, Sun Jinyun, Ba Xiaolei, et al.Testing and analysis on the stability of composite structure stiffened with thin wall ribs under axial compression [J].Structure & Environment Engineering, 2020, 47(6): 15-21.]

[9] 任青梅, 刘宁夫, 王孟孟, 等.热环境下壁板结构稳定性试验方法初探[J].工程与试验, 2018, 58(1): 66-70.[Ren Qingmei, Liu Ningfu, Wang Mengmeng, et al.Preliminary study on test method for panel stability in thermal environment[J].Engineering & Test, 2018, 58(1): 66-70.]

[10] 宫文然, 王淑玉, 刘函, 等.基于温度/变形场耦合测试的热屈曲行为研究[J].强度与环境, 2019, 46(4): 1-10.[Gong Wenran, Wang Shuyu, Liu Han, et al.Investigation on coupled thermo-mechanical response measurement of the thermal buckling behavior[J].Structure & Environment Engineering, 2019, 46(4): 1-10.]

[11] 刘宁夫, 蒋军亮, 田敏.数字图像相关法在平板热屈曲试验中的应用研究[J].航空科学技术, 2019, 30(9): 108-113.[Liu Ningfu, Jiang Junliang, Tian Min.Applicatial of digital image correlation method in plate thermal buckling test[J].Aeronautical Science & Technology, 2019, 30(9): 108-113.]

[12] 张珏, 张伯良.结构热试验技术[M].北京: 中国宇航出版社, 1993.

[13] 吴彦增, 孙晓娜, 王成亮, 等.基于石英灯辐射加热的型材压损试验系统研制及应用[J].工程与试验, 2020, 60(4): 75-77.[Wu Yanzeng, Sun Xiaona, Wang Chengliang, et al.Development and application of crippling failure test system based on quartz radiation heating[J].Engineering & Test, 2020, 60(4): 75-77.]

[14] 丛琳华, 刘宁夫.加筋壁板热屈曲试验方法研究[J].工程与试验, 2017, 57(4): 33-36.[Cong Linhua, Liu Ningfu.Study on test method for thermal buckling of stiffened panel [J].Engineering & Test, 2017, 57(4): 33-36.]

[15] 强宝平.飞机结构强度地面试验[M].北京: 航空工业出版社, 2014.

Research on Loading Technology of Compression Stability Test for Stiffened Panel in Thermal Environment

WU Yan-zeng1LI Li-yuan2SUN Xiao-na3WANG Cheng-liang2YIN Xiao-feng2

（1 Beijing Institute of Electronic System Engineering, Beijing 100854, China;2 Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076, China;3 Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing 100076, China）

The loading technology of compression stability test for stiffened panel in thermal environment is studied in this paper, which mainly consists of the testing machine as the mechanical loading system and the quartz radiation heating as the thermal loading system.It solves especially the key problems such as the structural design of the loading clamp for the end of stiffened panel and the heater for simulating the high temperature environment.A hinged form of loading clamp is designed to apply mechanical load in conjunction with the testing machine, where the end support factor for this loading clamp is one constant.A non-water cooling type of stiffened frame-structured heater is designed to apply thermal load by the radiant heating of quartz lamp, and some measures are taken to improve the heating uniformity for the stiffened panel.Lastly, a series of compression stability tests for stiffened panel in thermal environment were conducted, which verifies the feasibility and validity of this loading technology, it will provide technical support for the structural design of stiffened panel in the high temperature environment.

Stiffened panel; Compression stability; Quartz heating; End support factor

V216

A

1006-3919(2021)06-0059-06

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2021.06.009

2021-05-23；

2021-08-18

国家自然科学基金青年科学基金(12002055)

吴彦增(1987—)，男，博士，研究方向：飞行器结构设计与强度分析；（100854）北京142信箱30分箱.