氣動熱環境下玻璃窗口熱應力試驗分析

吳東，陳德江，馬昊軍

(中國空氣動力研究與發展中心超高速空氣動力研究所，四川綿陽621000)

氣動熱環境下玻璃窗口熱應力試驗分析

吳東*，陳德江，馬昊軍

(中國空氣動力研究與發展中心超高速空氣動力研究所，四川綿陽621000)

飛行器在大氣層內高速飛行，氣動加熱會引起飛行器玻璃窗口損壞。為分析玻璃窗口在氣動熱環境下熱應力狀態，在高頻等離子體風洞中采用電阻應變計測量方法開展了試驗研究。本文針對玻璃窗口的特點，介紹了玻璃窗口模型的固定支架設計以及在玻璃上安裝應變計的方法和特點。針對試驗快速升溫的特點，對應變計標定了瞬時熱輸出，并與穩態熱輸出進行了對比。通過風洞試驗得到了氣動熱環境下玻璃窗口模型應變應力變化結果，并利用有限元計算驗證了該試驗結果。試驗結果表明，玻璃窗口模型在最高溫度300℃試驗狀態下應力狀態處于合理水平，熱應力不會對玻璃窗口造成損壞。

熱應力;玻璃;窗口;風洞試驗;應變計

0 引言

飛行器在大氣層內高速飛行，氣動加熱會給飛行器玻璃窗口結構帶來嚴重的挑戰，由于溫度梯度產生的熱應力會引起玻璃窗口光學畸變誤差，嚴重時會造成玻璃窗口損壞，熱應力問題非常突出。因此在氣動熱環境下對玻璃窗口開展熱應力分析是非常必要的［1-5］。

熱應力分析有試驗應變測量和有限元計算兩種方法，通常兩種方法結合開展。在飛行器地面模擬試驗中通常須對重點部位結構的熱應力進行應變測量，試驗結果與計算結果結合開展熱應力分析。在高溫條件下進行應變測量的方法有數字圖像相關法、條紋法、散斑干涉法以及電測法等，但是從測量精度、使用難易程度以及費用等方面衡量，目前最常用的還是利用各種高溫電阻應變計的電測技術。在高溫環境進行應變測量，國內外都開展了研究和實踐。在國內開展了一些應變計研制和應用方面的研究［6-12］，如在有機玻璃上制作的橋梁模型上安裝應變計測量了橋梁在載荷作用下的應力狀態;對飛機發動機渦輪轉子葉片采用動態高溫應變計進行了動應變測量，得到的動應力數據用于分析發動機葉片故障。在國外，美國研究了FeCrAl、PdCr等合金的絲式和薄膜式高溫電阻應變計和光纖應變計，可使用高溫陶瓷粘接和噴涂兩種安裝方式，高溫應變計的使用溫度達到1000℃，并在飛行器等結構試驗中開展了高溫應變測量［13-19］。國內與國外在高溫應變測量方面有一定的差距，在國內開展的熱結構試驗中高溫應變測量研究甚少，更鮮有在玻璃窗口上開展應變測量。為了分析氣動熱環境下玻璃窗口的熱應力狀態，針對玻璃窗口的特點，設計了專門的安裝支架固定玻璃窗口模型，選用了與玻璃模型線膨脹系數接近的溫度自補償應變計，在試驗中對應變計按實際溫升速率標定瞬時熱輸出，實現對玻璃窗口模型的應變測量。

1 模型試驗

1.1 試驗設備

試驗在中國空氣動力研究與發展中心的某高頻等離子體風洞中進行。該風洞采用高頻感應加熱方式對氣體進行加熱，可以產生純凈的高焓氣流。試驗配備的噴管為亞聲速噴管。

試驗采用自由射流試驗技術。通過對風洞運行參數、噴管參數的配置，模擬窗口周圍的繞流流場，并主要模擬氣流總焓、窗口表面的壓力和熱流分布及加熱時間，模型試驗時測量模型熱應變。

1.2 試驗模型與安裝支架

試驗模型采用直徑80 mm、厚度3 mm的玻璃平板，玻璃接觸氣流的一面有2mm的倒角，將玻璃固定在專門設計的夾持裝置內部，夾持裝置沿圓周等分為四部分，通過螺紋連接，從而保證夾持裝置對玻璃各部分夾持力比較均勻。

試驗根據窗口模型特點專門設計了安裝支架。窗口安裝支架設計為軸對稱形，圓形平板玻璃窗口安裝于圓柱形夾層水冷結構的前端。為了防止傳感器及其接線被高溫氣流燒壞，水冷支架各個面均采用夾層水冷結構。平板窗口安裝支架示意圖如圖1所示。整個窗口安裝支架整體固定在試驗段內部的送進支架上。

1.3 模型應變計安裝

試驗模型材料為玻璃，采用粘貼式的應變計。由于該玻璃的線膨脹系數小，在5.3×10-6/℃～5.8× 10-6/℃之間，沒有專門針對如此小線膨脹系數的溫度自補償應變計，只有選用了中航電測儀器股份有限公司生產的型號為BAB120-3AA250(9)中溫應變計。該型應變計是針對線膨脹系數9×10-6/℃試件材料的溫度自補償應變計。采用H-600高溫計粘膠劑對應變片進行粘貼。H-600膠是一種高性能雙組份環氧樹脂膠粘劑。該膠的長期使用溫度范圍為:－269～288℃，短期使用溫度范圍為:－269～370℃。

玻璃平板中心布置了一個應變測點，在0°、45°和90°方向上分別粘貼應變計，組成三軸應變花。由于玻璃表面粗糙度很小，在定制玻璃時要求對粘貼應變計的背面進行了毛化處理，提高了玻璃表面粗糙度。貼片時，盡量保證應變計的位置準確、刷膠均勻性、膠量控制適量等。

在粘貼好的應變計上及時覆上硅橡膠、金屬壓板，加壓0.1MPa～0.3MPa并保持恒定，并放進烘箱固化。在150℃時保溫2h，在180℃時保溫2h。最后利用AZ-709膠涂敷保護層來進行應變計防護。粘貼應變計的玻璃窗口見圖2。

由于導線受熱會產生熱輸出，從而對測量結果產生影響，采用三線連接法來消除其熱輸出的影響。在高溫影響的區域采用高溫導線，導體材料為鎳絲，額定溫度為350℃。高溫區外到應變儀調理器采用常溫導線。預計模型背面溫度不超過350℃，采用高溫膠帶固定導線。在高溫應變計旁粘貼了熱電偶，測量應變的同時測量溫度，以便在熱輸出修正和靈敏系數修正時提供溫度數據。

高溫應變計采用三線連接法后，測量儀器采用半橋連接法。測量儀器采用東華測試技術公司的DH5920動態應變數據采集系統，如圖3所示。

試驗前檢查高溫應變計時，須記錄每個應變計的電阻以及其高溫導線和常溫導線的電阻，以便進行導線電阻修正。同時檢查高溫應變計的絕緣電阻，通常室溫絕緣電阻需大于100MΩ。

圖3 動態應變數據采集系統Fig.3 Dynam ic strain data collection system

1.4 應變計熱輸出標定

由于實際試驗時升溫速率超過了10℃/s，穩態標定的熱輸出數據與實際溫升速率標定的瞬時熱輸出數據會存在差異。利用與正式試驗相同的試驗狀態、試驗時間和同一試驗模型安裝支架進行應變計的瞬時熱輸出試驗。具體做法是:將窗口夾持裝置的螺釘松開，保證玻璃具有自由擴展的空間，在這種情況下認為玻璃受熱過程中沒有熱應力產生，應變片輸出的值為溫度導致的，即獲得應變計的瞬時熱輸出。玻璃窗口模型的穩態熱輸出與瞬時熱輸出數據見圖4。

1.5 模型試驗過程

在完成來流總壓總焓狀態調試后，利用相同尺寸的校測模型進行了模型表面的熱流分布和壓力分布測量。當參數滿足要求后，再進行模型試驗。在模型試驗中將窗口夾持裝置的螺釘緊固，保證玻璃受熱情況下無法自由擴展，則玻璃試驗過程中將產生熱應變。試驗后，將窗口夾持裝置的螺釘松開，保證玻璃具有自由擴展的空間，再重復試驗狀態進行試驗，獲得應變計在該溫升速率下的瞬時熱輸出。試驗時，應變計的供橋電壓為2V，快速升溫情況下的應變測量采樣頻率設置為100Hz，濾波截止頻率設置為100Hz。模型安裝在送進裝置上，待試驗流場建立并穩定后，模型被送進流場，模型在流場中的試驗時間為12 s，而后模型被送出流場。試驗中的窗口模型見圖5。

圖5 試驗中的窗口模型Fig.5 W indow model during experiment

2 試驗結果分析

2.1 應變數據處理

在取得應變測量的原始試驗數據后進行數據處理工作。數據處理分三個步驟進行:原始測量應變值首先進行導線電阻修正，而后進行熱輸出修正，最后進行靈敏系數修正。應變計的靈敏系數隨溫度變化，須按照測點的實際溫度查找靈敏系數的溫度系數曲線中對應溫度下的靈敏系數進行修正。該型應變計的靈敏系數溫度系數曲線見圖6。

圖6 靈敏系數的溫度系數Fig.6 Tem perature coefficient of sensitive coefficient

2.2 模型試驗結果與分析

先利用無應變計的玻璃窗口模型在3個狀態下進行了背面溫度測量，玻璃窗口模型3個狀態背面溫度曲線見圖7。由于所用應變計額定最高溫度為250℃，選用了狀態1進行應變測量試驗，玻璃窗口模型的典型應變應力測量結果見圖8、圖9，玻璃應變測點最高溫度300℃。從應變和應力曲線來看，測點處受到是壓應變和壓應力，試驗過程中壓應變壓應力逐步變大，試驗后應變應力逐步回零;應變1的最大壓應變值約為970 μm/m，應變3的最大壓應變值約為1300μm/m;應力1的最大壓應力值約為100MPa，應力2的最大壓應力值約為125MPa。

3次重復性試驗得到:風洞運行參數重復性誤差為2%，測量的應變應力重復性誤差小于3%。從玻璃窗口模型典型應變應力測量結果來看，玻璃窗口受到的是雙向壓應變壓應力，分析認為主要是窗口受熱被約束和窗口夾持裝置受熱膨脹約束玻璃窗口共同導致的。具體為玻璃窗口受到壓縮應力和拉伸應力的共同影響。壓縮應力分為兩部分:一是玻璃窗口受熱膨脹受到窗口夾持裝置結構的約束產生的;二是窗口夾持裝置也受熱膨脹，其外部卻受到窗口水冷安裝支架的約束只能向內膨脹從而擠壓玻璃窗口使其產生壓縮應力。拉伸應力是窗口外表面溫度大于窗口內表面溫度而在窗口內表面測點處產生的。玻璃窗口表現為壓應力，分析認為是窗口測點處主要受到兩部分壓縮應力影響，特別是窗口夾持裝置材料為鋼，窗口夾持裝置向內膨脹較大從而擠壓玻璃窗口使其產生壓縮應力也較大，而根據溫度測量結果分析窗口內外表面溫差較小，由窗口內外表面溫差產生的拉伸應力也較小;因此壓縮應力遠大于窗口內外表面溫差產生的拉伸應力，窗口測點處表現為壓縮應力影響。由于玻璃窗口及窗口夾持裝置為對稱結構，玻璃窗口表現為雙向壓應力，雙向應變應力應一致，而測量結果顯示應變1和應力1都略小，分析認為是窗口夾持裝置在固緊玻璃窗口時周向約束不一致導致的。

圖7 窗口模型3個狀態背面溫度曲線Fig.7 Three states back temperature histories of w indow model

圖8 窗口模型的修正后應變曲線Fig.8 M odified strain histories of w indow model

圖9 窗口模型的應力曲線Fig.9 Stress histories of w indow model

2.3 有限元計算驗證

利用有限元軟件對玻璃窗口模型進行了熱應力計算。用三維數值方法計算玻璃窗口隨試驗時間的溫度場分布和應力場分布。計算模型為玻璃窗口及窗口夾持裝置(見圖10);工況為來流總焓12MJ/kg，駐點壓力8 kPa;邊界條件為迎風面為對流加熱邊界，其它部分為絕熱邊界。熱應力場計算假定結構的材料為均質的，張量形式的熱彈性力學控制方程組由彈性力學的變分原理將其化為經典的有限元求解方程;并且對物體受熱產生的應力問題，物體由于熱膨脹只產生線應變，而剪切應變為零。玻璃窗口模型測量值、計算值對比曲線見圖11，從圖中可見兩者之間的誤差約15%，計算結果印證了試驗測量結果。

圖10 玻璃窗口及夾持裝置Fig.10 G lass w indow and clam p

圖11 窗口模型測量值計算值對比應力曲線Fig.11 Measured values and computed values com pared stress histories of w indow model

2.4 小結

通過本次試驗表明，玻璃窗口模型內腔最大壓應力值為125MPa，遠小于該玻璃的抗壓強度。在該試驗狀態下玻璃窗口模型應力狀態在材料許用應力的合理水平，熱應力不會對玻璃窗口造成損壞。

雖然飛行器實際飛行時的馬赫數約為4，風洞試驗時為亞聲速流場，但是在氣動熱環境模擬時主要模擬氣流總焓、氣流總壓等熱環境參數，氣流馬赫數不是模擬參數，主要考慮傳熱的影響。因此，針對實際飛行時的來流總焓約15MJ/kg，玻璃窗口表面壓力約10 kPa，本試驗條件基本模擬了實際飛行時的氣動熱環境參數，所得的結論對真實飛行器玻璃窗熱應力分析有一定的參考價值。

3 結論

為分析玻璃窗口在氣動熱環境下熱應力狀態，本文在高頻等離子體風洞中采用電阻應變計測量方法開展了試驗研究。通過風洞試驗得到了氣動熱環境下玻璃窗口模型應變應力變化結果，并利用有限元計算驗證了該試驗結果。所得結論如下:

1)玻璃窗口測點處主要受到玻璃窗口受熱膨脹受到窗口夾持裝置結構的約束產生的壓縮應力和窗口夾持裝置向內膨脹從而擠壓玻璃窗口使其產生壓縮應力等兩部分壓縮應力影響;

2)玻璃窗口模型在最高溫度300℃試驗狀態下應力狀態在材料許用應力的合理水平，熱應力不會對玻璃窗口造成損壞。

本次試驗為下一步更高溫度的氣動熱環境下玻璃窗口熱應力分析打下基礎。

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Experimental thermal stress analysis of glass w indow in aerodynam ic thermal environment

Wu Dong*，Cheng Dejiang，Ma Haojun
(Hypervelocity Aerodynamics Institute of China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China)

Severe thermal stress will be generated on the window structure when the vehicle flies fast in the atmosphere because of heated air.The window structure may possibly be damaged or the optical error may be increased by thermal stress，accordingly.It is necessary to analyze thermal stress field of the window structure.Thermal stress of a glass window in aerodynamic thermal environment was analyzed，relative wind tunnel experiment was made to measure its thermal stress.A special brace was designed taking the character of the glass window into consideration.Thermal stress experiment for the glass window model was done in a high-frequency plasma wind tunnel.During the experiment，high temperature strain was measured using the resistance strain gages.The ways and characters of installing strain gages on glass window model were introduced.According to the feature of rapidly increasing temperature during the experiment，transient thermal output and steady thermal output of the strain gages was calibrated and compared.The stress and strain of glass window in aerodynamic thermal environment were obtained，the highest temperature reached up to 300℃.The thermal stress analysis of the window model was investigated numerically using a finite element software.The error between the measured values and the computed values of the window model’s thermal stress was about fifteen percent，and the experimental results were identified.The experiment shown that the glass window model was affected by compressed stress.Stress state of the glass window model under the experimental condition is normal and the glass window won’t be damaged by thermal stress.

thermal stress;glass;window;wind tunnel test;strain gage

V411.4

A

10.7638/kqdlxxb-2015.0129

0258-1825(2016)05-0592-06

2015-11-30;

2016-02-24

吳東*(1976-)，男，四川廣漢人，碩士，副研究員，主要從事高溫條件下應力應變與壓力測量研究.E-mail:dongdong504@163.com

吳東，陳德江，馬昊軍.氣動熱環境下玻璃窗口熱應力試驗分析［J］.空氣動力學學報，2016，34(5):592-597.

10.7638/kqdlxxb-2015.0129 Wu D，Cheng D J，Ma H J.Experimental thermal stress analysis of glass window in aerodynamic thermal environment［J］.Acta Aerodynamica Sinica，2016，34(5):592-597.