孫玉昆,王和,2,陳國一,金龍,王明
(1.天津航天瑞萊科技有限公司沈陽分部,沈陽 110027;2.北京強度環(huán)境研究所,北京 100076)
在航空航天技術(shù)飛速發(fā)展的21 世紀,各國的防空技術(shù)和反導(dǎo)技術(shù)越來越先進,攔截各類飛機和導(dǎo)彈的能力越來越強,高超音速飛行器逐漸成為目前公認的最有效的新式裝備。高超音速飛行器在飛行過程中,翼舵結(jié)構(gòu)和防護結(jié)構(gòu)會處于嚴酷的熱噪/熱力環(huán)境中,極易發(fā)生失效破壞,對飛行器的安全造成嚴重威脅。為提升飛行器的可靠性,國內(nèi)科研機構(gòu)針對耐高溫、耐噪聲、耐振動的新式復(fù)合材料的研發(fā)開展了眾多研究。本文通過對一種復(fù)合材料加筋壁板進行室溫振動試驗、高溫振動試驗、室溫噪聲試驗、高溫噪聲試驗,并在試驗過程中采集高溫振動及高溫噪聲下的加速度響應(yīng),記錄了試驗件的破壞形式以及復(fù)合材料加筋壁板動態(tài)破壞時響應(yīng)變化規(guī)律,為復(fù)合材料加筋壁板的結(jié)構(gòu)設(shè)計和使用提供試驗依據(jù)。
室溫/高溫振動試驗系統(tǒng)包括振動載荷加載系統(tǒng)、熱載荷施加系統(tǒng)及測量控制系統(tǒng)。振動載荷加載系統(tǒng):采用電動式振動臺,試驗過程采用閉環(huán)控制;加熱系統(tǒng):由石英燈加熱器組成,通過輻射加熱模擬熱載荷;測量控制系統(tǒng)包括加速度監(jiān)測/控制、溫度監(jiān)測控制、應(yīng)變信號實時采集:加速度監(jiān)測/控制-采用激光測振儀監(jiān)測試驗件的振動幅值響應(yīng),實時記錄測量點時域、頻域數(shù)據(jù)和振動響應(yīng)頻率降低的時間;溫度控制與監(jiān)測-在試驗件上布置溫度傳感器,建立試驗件整體溫度梯度,以便保持或驗證溫度符合容差要求;應(yīng)變采集-采用常溫應(yīng)變和高溫應(yīng)變片實時記錄測量點時域、頻域數(shù)據(jù)和振動響應(yīng)頻率降低的時間。室溫/高溫振動試驗實施方案如圖1 所示。
圖1 室溫/高溫振動試驗實施方案
1.1.1 振動載荷施加
振動試驗加載采用電動式振動臺,試驗采用閉環(huán)4點平均控制,控制點位于試驗工裝上靠近試驗件的位置。試驗中為防止試驗過程中地回路干擾,控制傳感器螺接到絕緣塊上,再通過絕緣塊連接到控制點上。試驗時將控制儀生成的驅(qū)動信號通過功率放大器逐級放大,然后驅(qū)動振動臺工作,同時控制點的響應(yīng)信號反饋回控制儀,將其與設(shè)定好的參考譜或量級進行比較、修正,得出新的驅(qū)動譜,如此反復(fù),使控制譜達到并滿足試驗控制精度要求。
試驗過程中,信號采集和處理系統(tǒng)監(jiān)視控制點及測點響應(yīng),具體振動控制及測量過程見圖2。
圖2 振動試驗控制及測量過程框圖
1.1.2 高溫載荷施加
典型結(jié)構(gòu)件的熱載荷加載采用成熟的高功率紅外石英燈加熱技術(shù),石英燈具有加熱溫度高,控制性能好,熱場靈活等特點,適合不同規(guī)模下不同外形結(jié)構(gòu)的各類材料的熱載荷模擬。
根據(jù)試驗件的形狀尺寸大小和加熱最高溫度要求(700 ℃),采用石英燈管作為加熱元器件,因試驗件為加筋壁板結(jié)構(gòu)且為單面加熱,將石英燈設(shè)計一個平板型,加熱器加熱區(qū)域700 mm*700 mm,遠大于試驗件的尺寸,保證試驗件受熱均勻。
石英燈加熱主要原理為加熱器控制系統(tǒng)中加熱元件由電功率調(diào)節(jié)裝置供電,其所發(fā)出的輻射熱由溫度傳感器接受,經(jīng)放大后輸入計算機進行比較、運算和校正調(diào)節(jié)后的控制信號輸出給電功率調(diào)節(jié)裝置,改變加熱石英燈的兩端電壓值,從而控制輻射熱流密度的大小。
由于在高溫及振動聯(lián)合加載情況下,溫度傳感器極易損壞,高溫振動聯(lián)合試驗采用開環(huán)電壓控制石英燈系統(tǒng),即當試驗件上溫度測點達到溫度要求時,采用記錄的電壓值維持試驗件溫度穩(wěn)定,以便防止溫度傳感器在振動試驗過程中掉落或損壞,導(dǎo)致溫度控制系統(tǒng)異常。
1.1.3 振動試驗載荷及約束條件
振動試驗分別在室溫和高溫(700±20)℃(蒙皮溫度)條件下進行,試驗載荷譜為寬帶隨機振動載荷,隨機振動載荷有效值為30.96 GRMS。
試驗件通過夾具固定在振動臺上,試驗件通過兩端邊的螺栓孔與夾具連接;試驗件安裝時,通過力矩扳手保持擰緊力矩一致,使試驗件固有振動頻率保持一致。
噪聲試驗采用單通道熱噪聲行波管進行噪聲、溫度加載,試驗系統(tǒng)包括行波管及配套工裝裝置、溫度控制加載系統(tǒng)、噪聲控制加載系統(tǒng)、試驗數(shù)據(jù)測量采集系統(tǒng)等。試驗件通過特定工裝與行波管進行連接,試驗件安裝在行波管壁板中間位置,與行波管兩側(cè)的壁板距離保持一致。試驗系統(tǒng)示意圖如圖3 所示。
圖3 室溫/高溫噪聲試驗實施方案
1.2.1 噪聲載荷施加
噪聲采用熱與噪聲復(fù)合式行波管進行加載。聲源為1 個12 kw 電動氣流揚聲器。電動氣流揚聲器(簡稱揚聲器)由換能器(音頭)與專門設(shè)計的指數(shù)號筒組成。揚聲器由空壓機系統(tǒng)產(chǎn)生的低壓壓縮空氣驅(qū)動發(fā)聲而產(chǎn)生行波聲場。聲譜通過輸入給換能器內(nèi)動圈的控制信號進行控制。
在行波管試驗段上選擇兩點安裝傳聲器,取平均信號作為控制信號,設(shè)定(控制)譜為試驗要求的聲譜。通過控制每個揚聲器的輸入功率譜,調(diào)整行波聲場的聲譜,使每一路測量的聲信號與試驗條件(聲譜)逼近,并最終達到一致(即滿足容差要求),具體噪聲試驗控制及測量過程見圖4。
圖4 噪聲試驗控制及測量過程框圖
1.2.2 高溫載荷施加
噪聲熱載荷以輻射加熱方式實施,熱載荷實施的主體為輻射加熱器,加熱器與行波管組合在一起即構(gòu)成了熱復(fù)合式形波管。
熱復(fù)合式行波管按照行波管的設(shè)計原則進行聲場流道的設(shè)計,按照加熱功率及分區(qū)進行加熱器的設(shè)計,加熱器的反射板既作為加熱元件的安裝基礎(chǔ)、反射平面,又構(gòu)成行波管的主體。加熱元件于噪聲場內(nèi)部,受到強噪聲作用,因此,要求加熱元件及其安裝結(jié)構(gòu)具有耐噪聲性能。目前,耐噪聲加熱器具有500 ℃、165 dB 的加熱及耐噪聲能力。
加熱器主體、加熱元件供電電極均為水冷卻結(jié)構(gòu)。
加熱區(qū)為平面,設(shè)計平面加熱器。整個加熱面分為1 個加熱區(qū)。有效加熱區(qū)域約為550 mm×550 mm,滿足加熱要求。
由于在高溫及噪聲聯(lián)合加載情況下,溫度傳感器極易損壞,高溫噪聲聯(lián)合試驗采用開環(huán)電壓控制加熱系統(tǒng),即當試驗件上溫度測點達到溫度要求時,采用記錄的電壓值維持試驗件溫度穩(wěn)定,以便防止溫度傳感器在噪聲試驗過程中掉落或損壞,導(dǎo)致溫度控制系統(tǒng)異常。
1.2.3 噪聲試驗載荷及約束條件
試驗載荷為寬帶隨機噪聲譜, 譜型按照GJB 150.17A-2009 中提供的標準譜執(zhí)行,總聲壓級為165.2 dB。
通過設(shè)計轉(zhuǎn)接夾具,將試驗件通過兩側(cè)的安裝孔安裝在行波管試驗段艙壁上,在安裝時,在試件和固定夾具間增加耐高溫柔性材料防止應(yīng)力集中,試驗件的受試面(光面)作為行波管的一部分,暴露于聲激勵中。使該面與管道的內(nèi)表面齊平,以防止引入空腔共鳴或局部紊流效應(yīng)。
溫度測量方法:在高溫振動及高溫噪聲試驗前,需在試驗件上布置溫度傳感器,以檢驗?zāi)繕藴囟容d荷下試驗件溫度情況,溫度傳感器布置如圖5 所示,溫度傳感器在調(diào)試過程中選取5 點進行,中心點K1 為溫度控制點,K2、K3、K4、K5 作為溫度測量點,以保證試驗件各個位置的溫度均符合(700±20)℃的容差要求。溫度傳感器采用膠接方式進行安裝,其引線采用膠接方式進行固定。
圖5 溫度測點位置
加速度測量方法:振動試驗及噪聲試驗的加速度測量均采用非接觸式紅外激光測振儀,VibroFlex 高性能單點式激光測振儀具有以下特點:紅外激光測振儀,具有極高靈敏度,對高溫環(huán)境下的測試具有高可靠性,特別是測試試驗件處于高溫環(huán)境,其極高靈敏度使測試增加了高可靠性;高靈敏度光學(xué)頭,配置長距離鏡頭,可遠距離非接觸測試物體的振動。不受物體材料性質(zhì)、溫度等的影響;光學(xué)頭具有自動聚焦功能;信號處理器采用模塊式結(jié)構(gòu),以適應(yīng)不同應(yīng)用的要求,具有極大的動態(tài)范圍,可測量從亞原子級微弱振動到上百萬g 強沖擊振動;采樣頻率:(0~100)kHz。
室溫振動試驗中,試驗件按實際工作狀態(tài)安裝在專用夾具上,夾具剛性固定在振動臺動圈上,試驗采用四點平均方式控制??刂泣c均位于試驗件與夾具的剛性連接處。試驗過程中通過激光測振儀實時監(jiān)測加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)。
試驗件#01 在室溫下有效振動時長2 h 40 min 時,加速度響應(yīng)及應(yīng)變監(jiān)測頻率突降,檢查發(fā)現(xiàn)壁板的外側(cè)筋板出現(xiàn)橫向擴展裂紋,加速度一階響應(yīng)變化曲線如圖6所示。
圖6 加速度響應(yīng)變化曲線對比(#01)
高溫振動試驗中,石英燈系統(tǒng)以1℃/s 的升溫速率開始加溫,待試驗件溫度穩(wěn)定后,開始高溫振動試驗,各點溫度均符合(700±20)℃的容差要求,溫度控制/監(jiān)測曲線如圖7 所示。試驗件#02、#03 分別在在高溫下有效振動時長第42 min、38 min 時,加速度響應(yīng)監(jiān)測頻率出現(xiàn)突降現(xiàn)象,檢查發(fā)現(xiàn)擴展裂紋均分布在壁板的外側(cè)筋板上。室溫振動后通過與仿真計算結(jié)果相比(表1),破壞模式及加速度1 階響應(yīng)峰值與仿真結(jié)果較一致。
圖7 高溫振動試驗溫度控制/監(jiān)測曲線
室溫噪聲試驗時,試驗件按要求狀態(tài)安裝在專用夾具上,夾具剛性固定在行波管試驗段上,使得試驗件表面和行波管側(cè)壁處于同一平面,噪聲沿管道傳播,并以掠入射方式施加在試驗件的表面上。在行波管試驗段上選擇兩點安裝傳聲器,分別位于試驗件長度1/4、3/4 位置處,取平均信號作為控制信號,設(shè)定(控制)譜為試驗要求的聲譜,通過控制每個揚聲器的輸入功率譜,調(diào)整行波聲場的聲譜,使每一路測量的聲信號與試驗條件(聲譜)逼近,并最終達到一致(即滿足容差要求)。試驗過程中通過激光測振儀實時監(jiān)測加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)。
試驗件#04 在室溫下有效噪聲時長5 h 32 min 時,加速度響應(yīng)監(jiān)測頻率突降,檢查發(fā)現(xiàn)壁板的外側(cè)筋板與蒙皮連接的鉚釘?shù)袈洹?/p>
高溫噪聲試驗中,石英燈系統(tǒng)以1 ℃/s 的升溫速率開始加溫,待試驗件溫度穩(wěn)定后,開始高溫振動試驗,各點溫度均符合(450±15)℃的容差要求,溫度控制/監(jiān)測曲線如圖8 所示。試驗件#05、#06 分別在在高溫有效噪聲時長第2 h 55 min、2 h 37 min 時,加速度響應(yīng)監(jiān)測頻率出現(xiàn)突降現(xiàn)象,檢查發(fā)現(xiàn)壁板的外側(cè)筋板與蒙皮連接的鉚釘?shù)袈?。室溫噪聲后通過與仿真計算結(jié)果相比(表2),破壞位置及加速度1 階響應(yīng)峰值與仿真結(jié)果較一致。
表2 室溫噪聲試驗結(jié)果與仿真計算結(jié)果對比
圖8 高溫噪聲試驗溫度控制/監(jiān)測曲線
通過對某復(fù)合材料加筋壁板進行室溫/高溫下的振動試驗、噪聲試驗,得到該試驗件的破壞位置、響應(yīng)變化結(jié)果及破壞時間,振動試驗結(jié)果如表3 所示。
表3 室溫/高溫振動、噪聲試驗結(jié)果
本文針對復(fù)合材料加筋壁板的動態(tài)結(jié)構(gòu)破壞模式問題,分別設(shè)計了室溫和高溫環(huán)境下的振動/噪聲試驗實施技術(shù)方案,同時選用非接觸式測試方法測試加速度響應(yīng)信號,全時段采集高溫下的試件響應(yīng),能及時發(fā)現(xiàn)試驗件破壞時間。將室溫下振動/噪聲試驗的結(jié)果與仿真結(jié)果對比,試驗件響應(yīng)頻率、破壞位置與仿真結(jié)果一致,表明了試驗方法的有效性。
通過實際的試驗實施,驗證了高溫振動及高溫噪聲試驗方案的合理性,并給出了復(fù)合材料加筋壁板在室溫/高溫下振動和噪聲分別影響下的破壞時間及破壞模式。復(fù)合材料加筋壁板的工作區(qū)域溫度一般較高,高溫下的破壞失效模式對于改進工藝及結(jié)構(gòu)有參考意義。