一种结冰过程的冰层与固体材料间剪切强度测量装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种结冰过程的冰层与固体材料间剪切强度测量装置，包括设置在风洞的上洞壁和下洞壁的连接板，两块连接板之间设置有实验内模型，实验内模型的表面套有一个实验外模型，实验内模型的两端均为凸台结构，凸出的部分穿过连接板上的通孔于连接板外部的设施固定连接，所述实验外模型表面上面向风洞实验段的吹风方向设置有一个窗口；本实用新型专利技术利用结冰风洞实验平台和实验段的结冰气象环境，结合固体力学、断裂力学等实验方法和相关技术，可以实现不同结冰气象输入条件对冰层与和材料特性对冰层与固壁表面粘附特性的影响规律。

【技术实现步骤摘要】
一种结冰过程的冰层与固体材料间剪切强度测量装置
本专利技术涉及结冰风洞测力试验领域，又涉及到固体力学试验领域，尤其是涉及一种用于结冰风洞实验段的剪切强度测量方法和装置。
技术介绍
飞机结冰是飞行实践中广泛存在的一种物理现象，是造成飞行安全事故的主要隐患之一。当飞机在环境温度低于冰点或在冰点附近的结冰气象条件下飞行时，大气中的过冷水滴撞击到飞机表面，结冰现象就很容易在机翼、尾翼、旋翼、进气道、风挡玻璃、天线罩、仪表传感器等部件表面发生。飞机结冰不仅增加了飞机的重量，而且破坏了飞机表面的气动外形，改变了绕流流场，破坏了气动性能，造成飞机最大升力下降、飞行阻力上升、操作性能下降、稳定性能降低，对飞行安全造成了很大的威胁，因结冰而引发的飞行事故屡见不鲜，严重的结冰甚至可以导致机毁人亡。美国国家运输安全局的统计表明，从1982年到2000年的19年间，飞机结冰事故共发生583起，平均每年要发生约20～30起。从2003年到2008年的6年间，又新增380起与结冰相关的飞行事故。我国近年来也发生多起严重的飞机结冰事故，其中2004年在包头和2006年在安徽分别发生的民机和军机空难，损失和伤亡均十分惨重。为了防止或减少结冰对飞机造成的危害，美国联邦航空局和欧洲联合航空局均对飞机在结冰条件下的适航许可制定了严格的规范，规定必须在诸如挡风玻璃、机翼、尾翼、螺旋桨、发动机前缘等易结冰部位安装有效的防除冰系统。美国空军甚至在无人侦察机上也装配有除冰装置，由此可见，发达国家对飞机的冰防护问题相当的重视。机械除冰方法就是采用机械的方法使蒙皮表面产生挠曲，通过形变将表面冰破碎并除去的方法。一般采用膨胀收缩或小幅振动的方法达到破碎冰的效果，这种方法的优点是节省能量，缺点是膨胀或振动幅度过大时，将破坏飞机的气动外形，从而影响气动特性和飞行安全，另一个关键问题就是除冰不彻底。所以机械除冰方法目前在机翼上很少用，但在尾翼上仍然还在使用。利用机械除冰方法必须采用力学的方式破坏冰层与固体材料之间的粘附冰层，主要是破坏冰层与固体材料之间的剪切强度和法向抗拉/压强度，国外大量的研究表明，冰层与固体材料之间的剪切强度要远远小于法向抗拉/压强度。所以，研究人员把主要精力都放在了冰层与固体材料之间的剪切强度研究上面，这是飞机机械式除冰方法和系统的前提和基础数据。结冰风洞是飞机结冰研究的关键实验设备。目前，国外已有数十座结冰风洞，对飞机结冰进行了几十年的研究，取得了大量研究成果，以美国为例，NASA、AEDC、波音等机构都建有结冰风洞，其中仅波音公司就有3座。直接在结冰风洞中探索飞机部件材料与冰层之间的粘附强度特性，这方面的研究工作很少公开报道。冰层与飞机部件材料之间的粘附特性实验通常是在冷库中开展，利用在冷库中搭建的固体力学实验装置，对冰层与固体材料之间的粘附强度，包括法向抗拉/压强度和切向剪切强度。国外研究人员专利技术了冰层与固体材料之间剪切强度的测量装置，对水滴撞击结冰的力学特性进行了研究，发现霜冰的粘附强度小于明冰，撞击结冰的粘附强度要远远小于静态结冰的强度。但其装置最大的问题，就是必须将结冰后的实验模型从结冰风洞实验段内移出到类似的冷库等冷冻环境中，利用该低温环境的固体力学拉伸装置对其进行剪切强度的测量实验，首先，类似的冷库环境并不是结冰实验的结冰气象环境，其中的环境温度、湿度等等环境参数都会有差异，这种实验环境参数的差异将极大的影响冰层与固体材料之间的剪切强度测量结果；其次，从结冰风洞的实验段内将结冰实验模型移出，有可能在移动实验模型的过程中发生破坏冰层的现象，这也会极大的影响冰层与固体材料间剪切强度的数据。另外，国外研究人员还专利技术了旋转剪切强度测量装置，也是将该装置放在冷库等低温环境下，通过将叶片模型放入结冰风洞中进行结冰实验，然后从实验段内将结冰后的叶片模型取出，安装于旋转剪切强度装置内进行旋转脱冰实验，从而根据离心力计算出冰层与固体叶片材料之间的剪切强度，这种方法和装置也必须将叶片模型移出结冰风洞实验段。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种结冰过程的冰层与固体材料间剪切强度测量装置，在结冰风洞的低温高湿环境下进行冰层与固体材料间的剪切强度测量实验，实现实验模型边结冰、边测剪切强度的装置。位实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案:一种结冰过程的冰层与固体材料间剪切强度测量装置,包括以下步骤：步骤一：将实验装置固定设置在结冰风洞实验段内，进行不喷雾条件下的低温环境调试和标定，以充分考虑低温环境对测力传感器的影响，并考虑实验模型中内、外模型之间的摩擦力，并在标定的力学曲线中扣除；步骤二:开启结冰风洞的风机，建立结冰风洞的流场，并开启结冰风洞的制冷系统，对结冰风洞洞体和空气气流进行制冷，经历足够的稳定时间后，建立结冰风洞实验段内稳定的流场，并使实验模型表面温度和环境温度达到一致；步骤三:调节结冰风洞喷雾系统的压缩空气和液态水压力、温度等喷雾参数至实验要求，开启结冰风洞喷雾系统，正式进行喷雾和结冰实验，在结冰风洞实验段内建立实验所需要的结冰云雾参数，建立均匀稳定的云雾场;步骤四：等喷雾时间达到结冰实验的要求时间，关闭结冰风洞的喷雾系统，关闭结冰风洞的风机，维持结冰风洞的制冷系统运转，启动剪切强度测量的加载机构，利用测力传感器对冰层与固体材料之间的剪切力进行测量，同时启动数据采集系统记录力载荷加载的时间历程，直至内模型与外模型之间的粘附冰层发生断裂，停止记载和数据采集，记录最大加载的力载荷，用于冰层与固体材料间剪切强度的分析和计算；步骤五：结束该状态的冰层与固体材料之间剪切强度的测量实验，对实验模型表面和间隙所结的冰进行去除，启动加载机构和数据采集系统，采用测力传感器对内模型与外模型之间的摩擦力进行测量，如果该摩擦力与实验前标定的值接近，则确定实验模型表面的冰层已经清除，如果该摩擦力与实验前标定的值相差较大，则对实验模型进行拆卸清除，直至内、外模型之间的摩擦力与实验前标定的值接近或相等；步骤六：待实验模型表面的冰合水膜全部去除后，重复步骤一到步骤六，进行不同结冰气象条件下的冰层与固体材料之间剪切强度的实验数据采集。在上述技术方案中，在步骤三的结冰过程中、步骤四的冰层与固体材料间剪切强度的测量过程中，采用影像设备对实验模型表面冰层的形状变化进行拍摄记录。在上述技术方案中，所述实验装置包括设置在风洞实验段内的两块连接板，一块连接板设置在风洞的上洞壁、另一块设置在风洞的下洞壁，两块连接板之间设置有实验内模型，实验内模型的表面套有一个实验外模型，实验内模型的两端均为凸台结构，凸出的部分穿过连接板上的通孔于连接板外部的设施固定连接，所述实验外模型表面上面向风洞实验段的吹风方向设置有一个窗口；所述两块连接板和实验外模型紧密接触使得实验外模型均不能沿着风洞实验段的轴向或径向移动，所述实验内模型与实验外模型之间紧密接触使得实验内模型不能沿着风洞实验段轴向移动、但是能沿着风洞实验段径向移动；所述实验内模型的凸出部分穿过上洞壁连接板与连接测量装置进行连接。在上述技术方案中，所述实验内模型两端的凸台结构具有凸出部分和平面部分，所述平面部分与连接板之间具有滑动空间。在上述技术方案中，所述实验内模型和实验外模型之间设置有间隙，所述间隙设置在靠近在下洞壁连接板的一端。在上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种结冰过程的冰层与固体材料间剪切强度测量装置，其特征在于包括设置在风洞实验段内的两块连接板，一块连接板设置在风洞的上洞壁、另一块设置在风洞的下洞壁，两块连接板之间设置有实验内模型，实验内模型的表面套有一个实验外模型，实验内模型的两端均为凸台结构，凸出的部分穿过连接板上的通孔于连接板外部的设施固定连接，所述实验外模型表面上面向风洞实验段的吹风方向设置有一个窗口；所述两块连接板和实验外模型紧密接触使得实验外模型均不能沿着风洞实验段的轴向或径向移动，所述实验内模型与实验外模型之间紧密接触使得实验内模型不能沿着风洞实验段轴向移动、但是能沿着风洞实验段径向移动；所述实验内模型的凸出部分穿过上洞壁连接板与连接测量装置进行连接。

【技术特征摘要】
1.一种结冰过程的冰层与固体材料间剪切强度测量装置，其特征在于包括设置在风洞实验段内的两块连接板，一块连接板设置在风洞的上洞壁、另一块设置在风洞的下洞壁，两块连接板之间设置有实验内模型，实验内模型的表面套有一个实验外模型，实验内模型的两端均为凸台结构，凸出的部分穿过连接板上的通孔于连接板外部的设施固定连接，所述实验外模型表面上面向风洞实验段的吹风方向设置有一个窗口；所述两块连接板和实验外模型紧密接触使得实验外模型均不能沿着风洞实验段的轴向或径向移动，所述实验内模型与实验外模型之间紧密接触使得实验内模型不能沿着风洞实验段轴向移动、但是能沿着风洞实验段径向移动；所述实验内模型的凸出部分穿过上洞壁连接板与连接测量装置进行连接。2.根据权利要求1所述的一种结冰过程的冰层与固体材料间剪切强度测量装置，其特征在于所述实验内模型两端的凸台结构具有凸出部分和平面部分，所述平面部分与连接板之间具有滑动空间。3.根据权利要求2所述的一种结冰过程的冰层与固体材料间剪切强度测量装置，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖春华，梁鉴，王茂，林伟，秦三春，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所，
类型：新型
国别省市：四川,51