專利名稱：一種在金屬翼形結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生可控溫度梯度場(chǎng)的加熱裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航空航天地面剛度實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種在金屬翼形結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生可控溫度梯度場(chǎng)的點(diǎn)陣加熱裝置和方法，特別涉及到利用逐點(diǎn)可控的多載荷點(diǎn)陣加熱點(diǎn)對(duì)金屬翼形結(jié)構(gòu)的加熱裝置和方法。
背景技術(shù)：
高速飛行器在實(shí)際飛行中由于其表面與大氣劇烈摩擦，產(chǎn)生高溫，而表面各處摩擦程度不同，造成溫度不同，從而在飛行器表面形成溫度梯度場(chǎng)。這種溫度梯度場(chǎng)會(huì)對(duì)飛行器材料性能產(chǎn)生重要影響，甚至使材料性能急劇惡化，因此必須進(jìn)行加熱測(cè)試實(shí)驗(yàn)。在正常飛行狀況下，對(duì)高速飛行器部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)或力學(xué)響應(yīng)檢測(cè)困難大且成本高。本加熱裝置對(duì)翼型結(jié)構(gòu)加熱，加熱方法精確控制試驗(yàn)件的溫度梯度場(chǎng)，模擬正常飛行時(shí)高速飛行器部件的溫度梯度場(chǎng)，方便進(jìn)行各種測(cè)試。常用的加熱方法多為單一集中載荷，加載位置只在金屬翼形結(jié)構(gòu)的一端，這樣的加載不能達(dá)到精確溫度梯度場(chǎng)，又由于載荷集中加熱慣性大等原因，造成加熱可控性差，溫度場(chǎng)達(dá)不到精確預(yù)期效果，并且加熱對(duì)環(huán)境影響小，易于試驗(yàn)測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種通過(guò)多載荷點(diǎn)陣加熱實(shí)現(xiàn)金屬翼形結(jié)構(gòu)達(dá)到所需溫度梯度場(chǎng)并且進(jìn)行精確加熱控制的裝置和方法。本方法所采用的技術(shù)方案是一種在金屬翼形結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生可控溫度梯度場(chǎng)的加熱方法，加熱點(diǎn)采用點(diǎn)陣形式在金屬翼形結(jié)構(gòu)表面布置，分為規(guī)則布置和非規(guī)則布置，規(guī)則布置為等間距布置加熱點(diǎn)，非規(guī)則布置為根據(jù)實(shí)際溫度梯度要求布置加熱點(diǎn)；加熱部分與點(diǎn)陣加熱點(diǎn)連接，提供加熱點(diǎn)需要的熱載荷，并選用易控、小面積加熱源，如小面積感應(yīng)加熱線圈或激光束，并獨(dú)立控制各加熱點(diǎn)的載荷輸入；風(fēng)冷卻部分吹風(fēng)調(diào)節(jié)金屬結(jié)構(gòu)的對(duì)流換熱，均衡熱載荷在翼型金屬結(jié)構(gòu)上的熱效應(yīng)；通過(guò)金屬翼形結(jié)構(gòu)上的溫度測(cè)量元件獲得溫度信號(hào)，并將溫度信號(hào)輸入控制系統(tǒng)，控制將溫度信號(hào)與金屬翼型結(jié)構(gòu)預(yù)期溫度梯度場(chǎng)比較計(jì)算，獲得各個(gè)點(diǎn)陣加熱點(diǎn)和風(fēng)冷卻部分的最佳輸出功率，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，輸入到加熱部分和風(fēng)冷卻部分，控制熱載荷和風(fēng)冷載荷，從而控制加熱點(diǎn)鄰近區(qū)域輸入的熱量，使各加熱點(diǎn)鄰近區(qū)域熱量輸入與散熱導(dǎo)熱的熱量損失達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，形成閉環(huán)控制，從而控制各區(qū)域輸入的熱量，即控制各區(qū)域達(dá)到預(yù)期溫度，從而使被加熱金屬翼形結(jié)構(gòu)整體達(dá)到并保持在期望得到的溫度梯度場(chǎng)。—種在金屬翼形結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生可控溫度梯度場(chǎng)的加熱裝置，由點(diǎn)陣加熱點(diǎn)，加熱部分，金屬翼形結(jié)構(gòu)，風(fēng)冷卻部分，溫度測(cè)量部分，人機(jī)接口部分，控制部分組成；點(diǎn)陣加熱點(diǎn)布置在金屬翼形結(jié)構(gòu)表面，加熱部分對(duì)加熱點(diǎn)提供熱載荷；風(fēng)冷卻部分安裝在機(jī)翼的上緣，其出風(fēng)口與金屬翼形結(jié)構(gòu)平行，即其所吹風(fēng)與金屬翼形結(jié)構(gòu)表面平行；溫度測(cè)量部分的溫度傳感器分散安裝在金屬翼形結(jié)構(gòu)表面，并與溫度測(cè)量部分的信號(hào)調(diào)理器連接；控制部分與信號(hào)調(diào)理器相連，接收信號(hào)；人機(jī)接口與控制部分相連，設(shè)定需要溫度值；控制部分與加熱部分和風(fēng)冷卻部分連接，根據(jù)人機(jī)接口部分設(shè)定溫度值，與接收溫度信號(hào)，對(duì)點(diǎn)陣加熱部分和風(fēng)冷卻部分進(jìn)行控制；控制部分接收調(diào)理器傳出的代表被加熱金屬翼形結(jié)構(gòu)溫度信息的電壓或電流信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理，將其轉(zhuǎn)換為被加熱金屬翼形結(jié)構(gòu)的溫度梯度場(chǎng)信息，根據(jù)與人機(jī)接口設(shè)定的溫度梯度場(chǎng)進(jìn)行比較計(jì)算，得到各個(gè)加熱點(diǎn)的最佳輸出功率，并轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)，輸出控制信號(hào)，控制點(diǎn)陣加熱部分各加熱點(diǎn)的輸出功率和風(fēng)冷卻部分的輸出，形成閉環(huán)控制。更具體地，加熱部分為感應(yīng)加熱線圈或激光發(fā)生器，能夠產(chǎn)生點(diǎn)載荷，輸入到點(diǎn)陣加熱點(diǎn)。更具體地，各個(gè)點(diǎn)陣加熱點(diǎn)的形狀由所選加熱部分決定可以為圓形或正方形。更具體地，溫度測(cè)量部分，包括有，能夠測(cè)量翼形結(jié)構(gòu)溫度的多個(gè)接觸或非接觸式溫度傳感器，以及溫度信號(hào)調(diào)理部分，接受所述溫度傳感器的測(cè)量信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓或電流信號(hào)，傳遞給加熱裝置的控制部分，用于被加熱結(jié)構(gòu)的溫度梯度場(chǎng)計(jì)算。更具體地，風(fēng)冷卻部分產(chǎn)生與翼形結(jié)構(gòu)平行的穩(wěn)定氣流，并能一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)氣流溫度，對(duì)被加熱翼形結(jié)構(gòu)進(jìn)行吹風(fēng)冷卻，協(xié)調(diào)加熱效果。更具體地，人機(jī)接口部分可接收操作人員設(shè)定的參數(shù)和要求，并將加熱裝置及被加熱結(jié)構(gòu)的狀態(tài)輸出顯示給操作人員。本發(fā)明的效果和益處是通過(guò)點(diǎn)陣加熱使加熱金屬翼形結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件達(dá)到更精確的溫度梯度場(chǎng)，并能夠有效的控制溫度梯度場(chǎng)，并減小對(duì)環(huán)境溫度的影響。


附圖是一種在金屬翼形結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生可控溫度梯度場(chǎng)的加熱裝置示意圖。圖中1金屬翼形結(jié)構(gòu)；2點(diǎn)陣加熱點(diǎn)；3控制部分；4溫度測(cè)量部分；5風(fēng)冷卻部分；6加熱部分；7人機(jī)接口部分；8點(diǎn)陣加熱裝置控制信號(hào)傳輸線路。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。點(diǎn)陣加熱點(diǎn)的布置主要考慮所選加熱源的實(shí)際情況，加熱功率需求，以及經(jīng)濟(jì)情況來(lái)布置。本發(fā)明采用加熱點(diǎn)逐點(diǎn)可控的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)所需溫度梯度場(chǎng)。加熱部分由感應(yīng)加熱線圈或激光發(fā)生器或等離子束發(fā)生器等構(gòu)成。根據(jù)金屬翼形結(jié)構(gòu)I的目標(biāo)溫度梯度場(chǎng)，預(yù)先計(jì)算并設(shè)置加熱部分6的初始載荷，加熱部分6通過(guò)點(diǎn)陣加熱裝置控制信號(hào)傳輸線路8 對(duì)點(diǎn)陣加熱點(diǎn)2輸入熱載荷；對(duì)風(fēng)冷卻部分5設(shè)置初值，進(jìn)行加載。金屬翼形結(jié)構(gòu)I上布置的溫度測(cè)量部分4的多個(gè)接觸或非接觸式溫度傳感器測(cè)量翼形結(jié)構(gòu)溫度梯度場(chǎng)，然后通過(guò)溫度測(cè)量部分4的信號(hào)調(diào)理器將測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓或電流信號(hào)?？刂撇糠?的模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換部分接受溫度測(cè)量部分4傳遞的代表各測(cè)量點(diǎn)溫度信息的電壓或電流信號(hào)，并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；計(jì)算分析部分接收數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行計(jì)算處理，根據(jù)計(jì)算處理的結(jié)果，與人機(jī)接口部分7傳遞來(lái)的預(yù)期設(shè)定結(jié)果進(jìn)行比較，計(jì)算得到控制信號(hào)；信號(hào)輸出部分將代表被加熱結(jié)構(gòu)的溫度信息傳遞給人機(jī)接口部分7，實(shí)時(shí)傳輸給點(diǎn)陣加熱部分6和風(fēng)冷卻部分5，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，使點(diǎn)陣加熱點(diǎn)2的各臨近區(qū)域輸入的熱量與散熱及導(dǎo)熱達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，從而點(diǎn)陣加熱點(diǎn)2達(dá)到預(yù)期溫度，實(shí)現(xiàn)金屬翼型結(jié)構(gòu)I的溫度梯度場(chǎng)。
權(quán)利要求
1.一種在金屬翼形結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生可控溫度梯度場(chǎng)的加熱裝置，包括金屬翼形結(jié)構(gòu)，點(diǎn)陣加熱點(diǎn)，加熱部分，風(fēng)冷卻部分，溫度測(cè)量部分，人機(jī)接口部分，控制部分；其特征在于，點(diǎn)陣加熱點(diǎn)布置在金屬翼形結(jié)構(gòu)表面，加熱部分與加熱點(diǎn)連接并輸入熱載荷；風(fēng)冷卻部分安裝在機(jī)翼的上緣，其出風(fēng)口與金屬翼形結(jié)構(gòu)平行；溫度測(cè)量部分與金屬翼形結(jié)構(gòu)連接；控制部分與溫度測(cè)量部分連接，接收代表被加熱金屬翼形結(jié)構(gòu)溫度信息的電壓或電流信號(hào)；人機(jī)接口部分與控制部分相連，設(shè)定所需溫度梯度場(chǎng)；控制部分與加熱部分和風(fēng)冷卻部分連接，根據(jù)溫度信號(hào)和人機(jī)接口部分設(shè)定溫度值，對(duì)點(diǎn)陣加熱部分和風(fēng)冷卻部分輸入反饋信號(hào)。
2.一種在金屬翼形結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生可控溫度梯度場(chǎng)的加熱方法，其特征在于加熱點(diǎn)采用點(diǎn)陣法在金屬結(jié)構(gòu)表面布置，加熱部分與點(diǎn)陣加熱點(diǎn)連接，提供加熱點(diǎn)需要的熱載荷，并獨(dú)立輸入各加熱點(diǎn)的熱載荷；風(fēng)冷卻部分吹風(fēng)調(diào)節(jié)金屬結(jié)構(gòu)的對(duì)流換熱，均衡熱載荷在翼型金屬結(jié)構(gòu)上的熱效應(yīng)；翼型金屬結(jié)構(gòu)上的溫度測(cè)量元件獲得溫度信號(hào)，將溫度信號(hào)輸入控制部分，與金屬翼型結(jié)構(gòu)預(yù)期溫度梯度場(chǎng)比較計(jì)算，獲得各個(gè)點(diǎn)陣加熱點(diǎn)和風(fēng)冷卻部分的最佳輸出功率，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，輸入到加熱部分和風(fēng)冷卻部分，控制熱載荷和風(fēng)冷載荷，使熱量輸入與散熱導(dǎo)熱的熱量損失達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，從而使被加熱金屬翼形結(jié)構(gòu)整體達(dá)到并保持在期望得到的溫度梯度場(chǎng)，形成閉環(huán)控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種在金屬翼形結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生可控溫度梯度場(chǎng)的裝置，其特征在于加熱部分為感應(yīng)加熱線圈或激光發(fā)生器。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種在金屬翼形結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生可控溫度梯度場(chǎng)的裝置，其特征在于溫度測(cè)量部分包括能夠測(cè)量翼形結(jié)構(gòu)溫度的多個(gè)接觸或非接觸式溫度傳感器，以及溫度信號(hào)調(diào)理部分，接受所述溫度傳感器的測(cè)量信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓或電流信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種在金屬翼形結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生可控溫度梯度場(chǎng)的裝置，其特征在于控制部分接收溫度測(cè)量部分的調(diào)理器傳出的代表被加熱金屬翼形結(jié)構(gòu)溫度信息的電壓或電流信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為被加熱金屬翼形結(jié)構(gòu)的溫度梯度場(chǎng)信息，根據(jù)與人機(jī)接口設(shè)定的溫度梯度場(chǎng)，得到各個(gè)加熱點(diǎn)和風(fēng)冷卻部分的最佳輸出功率，并轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)，輸入到加熱部分和風(fēng)冷卻部分。
全文摘要
一種在金屬翼形結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生可控溫度梯度場(chǎng)的加熱裝置和方法，屬于航空航天地面剛度試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域。其特征是采用點(diǎn)陣加熱方式，根據(jù)加熱件實(shí)際形狀，均勻布置加熱點(diǎn)，加熱源選用小尺寸感應(yīng)加熱線圈或激光發(fā)生器等。加熱系統(tǒng)獨(dú)立控制各個(gè)加熱點(diǎn)的功率輸出，風(fēng)冷卻部分吹風(fēng)調(diào)節(jié)金屬結(jié)構(gòu)的對(duì)流換熱，并通過(guò)金屬結(jié)構(gòu)上的溫度測(cè)量元件獲得溫度，將信號(hào)輸入控制部分，控制各加熱點(diǎn)載荷及風(fēng)冷卻部分，從而控制輸入的熱量，使一定區(qū)域內(nèi)熱量輸入與散熱及導(dǎo)熱的熱量損失達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，從而使被加熱翼形金屬結(jié)構(gòu)達(dá)到并保持在期望得到的溫度梯度場(chǎng)。本發(fā)明的效果和益處是精確可控加熱對(duì)環(huán)境影響小，易于試驗(yàn)測(cè)量。
文檔編號(hào)G05D23/30GK102609017SQ20121005209
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月1日
發(fā)明者任昊軼, 劉巍, 周亮, 楊睿, 褚偉光, 謝雅君 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)