本发明专利技术公开了一种以激光为热源的活塞热负荷试验装置及方法，该装置包括：支架、控制装置、加热装置、测温装置、监视装置和冷却装置；加热装置由一激光器和一光束整形器组成，光束整形器将激光器发出的一束激光变换成为一束具有多个同心环形光斑的激光并垂直照射到活塞表面。该方法包括：根据活塞在实际工况下温度场的分布，优化活塞表面各区域的激光能量分配比例，然后根据能量分配比例设计光学转换片，将入射光束转换为满足各区域激光能量分配比例的圆环光束，将此光束加载在活塞上，来模拟活塞在实际工作中温度场分布规律。本发明专利技术具有能够模拟实际工况下活塞表面的温度场分布、实验周期短、可靠性高、可控性好的优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种热疲劳实验装置，特别是涉及一种根据活塞实际工况下温度场特 征设计光学转换片，以激光为热源的活塞热疲劳实验装置。
技术介绍
目前，对于活塞热疲劳的测试装置的已知技术，如浙江大学等许多研究机构，已经 相继建立起以电磁感应线圈、石英灯、电阻加热器或燃气火焰喷射器等为加热方式的热疲 劳模拟实验平台。一般来说，这类测试装置的不足在于实验周期比较长，加热区域不可控。已知的技术中，有采用激光进行材料试样的热疲劳试验装置，如文献1， M. Kutsuna, S. Fujita, Y. Sugita, et al. Thermal fatiguetest for turbine housing by a pulse YAG laser . SPIE，1999，3888，该文献中公开了采用1. 2kW的脉冲式YAG激光 器作为加热源的热疲劳测试装置，实验平台为一紫铜热沉，其下通以冷水，作为测试装置 的冷却装置，待测试件放于紫铜上，采用热电偶监测试件的温度。文献2，Schaus, Mand Pohl, M. Nd-YAG-Iaser simulated thermal shockand thermal fatigue behavior of railroadsteel. Metal 1,1998，52 (7-8)，该文献中公开了采用脉冲式YAG激光器作为加热 源、压缩空气或冷水作为冷却介质、红外测温仪作为测温手段的热疲劳测试系统。但是它们 共有的缺点在于不能对活塞整体进行激光诱发热疲劳测试，只能进行局部的疲劳测试，并 且温度场控制不精确。因此，现有技术的不足就需要提供一种改进的活塞热疲劳实验装置。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服上述现有技术的实验周期长、加热区域不可控、温度控制不 精确的缺点，从而提供一种实验周期短、加热区域可控、控制温度更精确、对活塞整体测试 的激光诱发活塞热疲劳实验装置。为此，本专利技术提供了一种激光诱发活塞热疲劳的实验装置，包括支架，用于支撑 待测活塞(100)；加热装置(2)，用于对活塞(100)的不同区域分别进行加热，以模拟活塞真实工况 下的受热状况；冷却装置(5)，用于对活塞(100)进行冷却；测温装置(3)，用于测量活塞 (100)受热区域的温度；监视装置(4)，用于监视活塞(100)表面的变化；以及控制装置，该控制装置分别 与所述加热装置(2)、冷却装置(5)、测温装置(3)和监视装置(4)相连，用于分别执行加热 控制、冷却控制、测量的读数采集和采集活塞表面变化图像。本专利技术还提供了一种利用如上所述激光诱发活塞热疲劳的实验装置来执行激光 诱发活塞热疲劳实验的方法，包括时间控制模式和/或温度控制模式，对于时间控制模式，包括如下步骤1)通过控制装置⑴预设加热装置(2)的加热时间与冷却装置(5)冷却时间，以及循环次数；2)设定加热装置(2)的激光器(21)输出激光的波形；3)控制激光器(21)出光，以多个同心环形激光斑的形式照射到活塞(100)的上表 面上，以模拟活塞真实工况条件下的受热情况；4)判断出光时间，当大于等于设定的加热时间时，关闭激光器(21)，然后对活塞 (100)进行冷却；5)判断冷却时间，当大于等于设定的冷却时间时，关闭冷却装置；6)判断是否达到设定的循环次数；如果是，则结束实验；如果否，则返回步骤3)；对于温度控制模式，包括如下步骤a)设定活塞(100)上某一观测点或某些观测点为控制参考点，并设定该点的温度 变化范围的上限温度与下限温度，设定循环次数；b)控制装置⑴控制加热装置(2)的激光器(21)出光；c)判断控制参考点的温度；当从测温装置(3)中观测到参考点温度低于下限温度 时，关闭冷却装置(5)，激光器(21)光闸打开，激光束作用于活塞(100)上，活塞(100)表 面温度上升；当该点温度高于上限温度时，激光器(21)光闸关闭，冷却装置(5)打开，活塞 (100)表面温度下降；d)判断是否达到设定的循环次数；如果是，则结束操作；如果否，返回步骤b)。与现有技术相比，本专利技术通过对激光束的空间变换能够实现对活塞整体进行疲劳 测试。利用激光光源使得试验周期短，而且可以使活塞表面预热到给定温度分布，温度控制 更准确，可选择加热区域，可控性好。实验过程中全部采用数字化装置进行控制、采集、参数 设定、记录等工作。附图说明图1为本专利技术激光诱发活塞热疲劳实验装置示意图；图2为活塞表面各区域温度分布；图3a、图3b为本专利技术激光诱发活塞热疲劳实验装置的部分连接示意图；图4为实施例中在活塞表面的激光光斑示意图；图5为激光诱发活塞热疲劳实验方法的流程图；图6为实施例的时间控制模式高周热疲劳典型实验结果；图7为实施例的时间控制模式随机疲劳典型实验结果；图8为实施例的温度控制模式低周热疲劳典型实验结果。具体实施例方式下面结合附图，以具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。应该理解的是，这些 实施例仅仅是用于说明本专利技术的基本原理，而不是对本专利技术进行限制。首先，参考图2，图2示例性地示出了了活塞剖面示意图示出了真实工况下不同区 域的温度分布。如
技术介绍
中所示，由于在真实工作条件下，活塞内部的温度并不一致，因 此，为了建立起能够模拟真实工作条件下的实验系统，本专利技术试图通过构建一套试验系统， 能够对活塞的整体进行热负荷试验。在本专利技术的一个实施例中，首先通过实验测量实际工况下活塞内部温度分布规律。例如，可以通过热电偶法测量活塞内部某些点上的温度值，这 些点尽量均勻而且尽可能能够代表整个活塞的温度场特征。根据测量的温度数据制作光学 转光片。制作光学转换片(或光束整形器)例如可以由专门制作光学镜片的公司来制作。 另外，由于该过程不属于本专利技术构思的内容，省略其说明。由于激光光束具有光束能量集 中、可进行空间分布变换等优点，因此，使用激光光学转光片可以使活塞表面预热到给定的 温度分布，可以模拟活塞在不同工况下的热负荷(高周疲劳、低周疲劳、随机热疲劳)。将这 些技术因用于热疲劳模拟实验平台，可大大提高系统的整体性能。因而，为了模拟真实工况 下活塞内部温度规律，期望的是，通过光束转换器能够产生如图4中所示出的激光发射区。 应该理解的是，图4中仅仅示例示出了 3个圆环照射区，但是4个、5个或多个照射区均是可 能的。如图1所示，本专利技术提供了一种制作本专利技术的激光诱发活塞热疲劳实验装置。激光诱发活塞热疲劳的实验装置，包括支架(图中未示出)，待测的活塞100通 过一个夹具或其它固定装置被固定在支架上；控制装置1，安置在所述支架上或设置在所 述支架附近，用于对整个实验装置的工作过程和状态的控制；加热装置2与所述控制装置1 连接，固定在所述支架上面位于所述活塞100的上方，用于对活塞100加热；测温装置3与 所述控制装置1连接，固定在所述支架上，位于所述活塞100受热表面的斜上方；监视装置 4，固定在所述支架上，位于所述活塞100受热表面的斜上方，用于监视活塞100上表面的变 化。其中，控制装置1，可以为PC机，微控制器，工控机以及其他具有数据处理功能的 设备。加热装置2，主要包括激光器21和光束整形器22。本实施例采用德国HAAS公司 的HL 3006D工业用Nd-YAG连续激光器，最大功率为3000W。自带的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种激光诱发活塞热疲劳的实验装置，包括：支架，用于支撑待测活塞（１００）；加热装置（２），用于对活塞（１００）的不同区域分别进行加热，以模拟活塞真实工况下的受热状况；冷却装置（５），用于对活塞（１００）进行冷却；测温装置（３），用于测量活塞（１００）受热区域的温度；监视装置（４），用于监视活塞（１００）表面的变化；以及控制装置，该控制装置分别与所述加热装置（２）、冷却装置（５）、测温装置（３）和监视装置（４）相连，用于分别执行加热控制、冷却控制、测量的读数采集和采集活塞表面变化图像。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：虞钢，张永杰，郑彩云，宁伟键，何秀丽，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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