綜合載荷環(huán)境下高超聲速飛行器結(jié)構(gòu)多場(chǎng)聯(lián)合強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)

鄒學(xué)鋒，郭定文，潘凱,,*，屈超，陶永強(qiáng)，張旭東

1. 航空工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065 2. 航空聲學(xué)與振動(dòng)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710065 3. 北京空天技術(shù)研究所，北京 100074

隨著航空航天技術(shù)的快速發(fā)展，飛行器越來(lái)越凸顯出功能先進(jìn)性和系統(tǒng)復(fù)雜性等特點(diǎn)，導(dǎo)致飛行器在研制中不可避免地將面臨多學(xué)科交叉、多因素干擾、多物理場(chǎng)耦合等問(wèn)題，對(duì)高超聲速飛行器而言尤其如此[1-3]。高超聲速飛行器表面要經(jīng)受極端嚴(yán)酷的耦合載荷作用，包括氣動(dòng)熱、氣動(dòng)力、機(jī)械振動(dòng)、強(qiáng)噪聲等多場(chǎng)載荷共同作用，多場(chǎng)載荷對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的影響比單一載荷更復(fù)雜[4-5]，嚴(yán)重威脅著飛行器結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。傳統(tǒng)的單載荷場(chǎng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)越來(lái)越表現(xiàn)出“欠試驗(yàn)”等缺陷[6]，國(guó)內(nèi)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)證試驗(yàn)不再局限于單一載荷環(huán)境，而是向著多場(chǎng)耦合載荷環(huán)境發(fā)展。當(dāng)前多項(xiàng)在研工程均對(duì)多場(chǎng)聯(lián)合強(qiáng)度試驗(yàn)提出了迫切需求。從國(guó)防發(fā)展趨勢(shì)和發(fā)展需求來(lái)看，未來(lái)多場(chǎng)載荷聯(lián)合試驗(yàn)將成為熱防護(hù)系統(tǒng)等典型結(jié)構(gòu)強(qiáng)度考核的主要手段[7]。

國(guó)外很早就將多場(chǎng)聯(lián)合下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)納入其軍標(biāo)及結(jié)構(gòu)完整性規(guī)范中[8-9]，以美國(guó)為例，借助于X-37、X-43、X-51等高超聲速飛行器的研制，美國(guó)較早就開(kāi)展了綜合考慮氣動(dòng)熱、氣動(dòng)力、氣動(dòng)噪聲、機(jī)械振動(dòng)等載荷的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析與地面試驗(yàn)?zāi)芰ㄔO(shè)工作[10-12]，積累了大量的技術(shù)能力與研究經(jīng)驗(yàn)。20世紀(jì)70年代起，洛克希德·馬丁、NASA Langley、美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室等研究機(jī)構(gòu)相繼開(kāi)展了薄壁結(jié)構(gòu)的熱-噪聲、熱-力、熱-振動(dòng)等聯(lián)合試驗(yàn)，考核對(duì)象多為C/C、C/SiC等復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，載荷噪聲量級(jí)高達(dá)170 dB，溫度載荷能達(dá)到上千攝氏度，振動(dòng)、靜力等載荷加載能力也完全能夠覆蓋結(jié)構(gòu)實(shí)際受載量級(jí)[13-16]。X-37在研制過(guò)程中綜合考慮了巡航、再入等不同階段下熱-結(jié)構(gòu)、熱-噪聲等聯(lián)合載荷影響[17-18]。俄羅斯西伯利亞恰普雷金國(guó)家航空研究院建立了一套高溫-噪聲-振動(dòng)聯(lián)合加載裝置，可實(shí)現(xiàn)熱-聲-振聯(lián)合加載，為暴風(fēng)雪號(hào)研發(fā)做出過(guò)貢獻(xiàn)。

相對(duì)而言，國(guó)內(nèi)在多場(chǎng)耦合分析方面的工作開(kāi)展較多，多場(chǎng)聯(lián)合環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)研究起步較晚，近年來(lái)，基于實(shí)際工程需求，多場(chǎng)聯(lián)合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)逐漸得到重視，進(jìn)入了一個(gè)高速發(fā)展的階段[19-20]。當(dāng)前的預(yù)先研究及工程研制雖然對(duì)綜合考慮高溫、振動(dòng)、噪聲、氣動(dòng)力的三場(chǎng)乃至四場(chǎng)聯(lián)合試驗(yàn)技術(shù)提出了明確需求，但由于缺乏足夠的設(shè)計(jì)、加載及測(cè)量手段，且工程研制數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)積累不夠，當(dāng)前三場(chǎng)、四場(chǎng)等聯(lián)合試驗(yàn)仍處于探索階段，無(wú)法滿足實(shí)際工程需求，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)證試驗(yàn)仍然以熱-力、熱-振動(dòng)等兩場(chǎng)聯(lián)合為主[21-22]。

本文以高聲強(qiáng)噪聲行波管為平臺(tái)，給出了氣動(dòng)力、氣動(dòng)噪聲、氣動(dòng)熱、振動(dòng)聯(lián)合強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，發(fā)展了復(fù)雜環(huán)境下的載荷獨(dú)立加載與閉環(huán)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)4種載荷的聯(lián)合精確加載與控制，并且給出載荷場(chǎng)之間的關(guān)鍵影響因素及解決方法，最后基于該平臺(tái)首次完成了某舵面構(gòu)件的氣動(dòng)力/噪聲/高溫/振動(dòng)聯(lián)合強(qiáng)度驗(yàn)證試驗(yàn)，得到了寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，該試驗(yàn)方法與平臺(tái)將在后續(xù)的工程研制與預(yù)先研究中發(fā)揮更大的作用。

1 多場(chǎng)聯(lián)合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

多場(chǎng)聯(lián)合試驗(yàn)平臺(tái)以某工程結(jié)構(gòu)地面試驗(yàn)驗(yàn)證需求為目標(biāo)，同時(shí)為多場(chǎng)作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)及疲勞特性的基礎(chǔ)研究提供平臺(tái)，多場(chǎng)聯(lián)合試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證對(duì)象為舵面、熱防護(hù)結(jié)構(gòu)(TPS)等典型結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示，平臺(tái)以高聲強(qiáng)行波管為基礎(chǔ)，行波管可為試驗(yàn)件提供單面/雙面掠入式噪聲載荷，行波管外部布置石英燈加熱器，透過(guò)行波管側(cè)壁石英玻璃對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行輻射加熱，試驗(yàn)對(duì)象通過(guò)專用夾具固定在底部振動(dòng)臺(tái)上，設(shè)計(jì)專用力加載裝置模擬氣動(dòng)力加載，試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)思路如圖1所示。行波管設(shè)計(jì)充分考慮加熱環(huán)境，采用石英燈輻射加熱的方式對(duì)行波管涂黑的金屬內(nèi)壁面進(jìn)行輻射加熱，再通過(guò)對(duì)流換熱的方式提高溫度加載效率，設(shè)計(jì)一套熱環(huán)境下的振動(dòng)夾具，通過(guò)水冷、物理隔熱等方式對(duì)夾具進(jìn)行熱防護(hù)，同時(shí)利用有限元分析方法對(duì)夾具剛度進(jìn)行分析及考核，保證夾具剛度不影響振動(dòng)傳遞特性；采用陣列式石英燈加熱手段實(shí)現(xiàn)不同溫度載荷條件的模擬；通過(guò)熱聲環(huán)境下的靜力加載裝置設(shè)計(jì)，采用水冷式剛性作動(dòng)筒實(shí)現(xiàn)高溫強(qiáng)噪聲環(huán)境下的分布式集中力模擬。具體的試驗(yàn)平臺(tái)模型如圖2所示。

表1 多場(chǎng)聯(lián)合試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)指標(biāo)Table 1 Design indexes of multi-load combined platform

圖1 多場(chǎng)聯(lián)合試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)思路Fig.1 Design of multi-load combined test platform

圖2 多場(chǎng)聯(lián)合試驗(yàn)平臺(tái)模型Fig.2 Model for multi-load combined test platform

試驗(yàn)平臺(tái)需設(shè)計(jì)專用支撐裝置來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐及載荷傳遞。多場(chǎng)環(huán)境下結(jié)構(gòu)的支撐裝置設(shè)計(jì)需滿足振動(dòng)推力限制和剛度限制，如式(1)和式(2) 所示。

PP≈(m1+m2+m3)grms≤Pr

(1)

fS>nfT

(2)

式中：PP為預(yù)估推力；m1、m2、m3分別為試驗(yàn)件、振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈以及支撐裝置的質(zhì)量；grms為重力加速度；Pr為額定推力；fS為支撐裝置基頻；fT為試驗(yàn)件主要共振頻率；結(jié)構(gòu)動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)中n一般要求至少大于8。

1.2 聯(lián)合加載控制方案

為實(shí)現(xiàn)各載荷之間的協(xié)調(diào)加載與控制，設(shè)計(jì)了一套多系統(tǒng)集成平臺(tái)，如圖3所示，該平臺(tái)采用多系統(tǒng)位置協(xié)調(diào)、加載裝置光路通道預(yù)留、光學(xué)圖像傳輸系統(tǒng)安裝等方式解決非接觸式測(cè)量系統(tǒng)的光路干擾問(wèn)題，能夠有效解決空間約束與系統(tǒng)干涉問(wèn)題，多系統(tǒng)聯(lián)合控制方案如圖4所示。

圖3 多系統(tǒng)集成平臺(tái)Fig.3 Platform for multi-system integration

圖4 多場(chǎng)載荷聯(lián)合控制方案Fig.4 Combined control strategy for multi-load system

1.3 關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量技術(shù)

根據(jù)多場(chǎng)聯(lián)合試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)指標(biāo)和實(shí)際載荷要求，建立了800 ℃溫度環(huán)境下的多場(chǎng)聯(lián)合試驗(yàn)測(cè)量技術(shù)體系，如圖5所示。具體包括噪聲、力、振動(dòng)、溫度等載荷參數(shù)測(cè)量和結(jié)構(gòu)應(yīng)變、加速度、位移等響應(yīng)測(cè)量2部分。靜力載荷通過(guò)遠(yuǎn)端冷區(qū)力傳感器測(cè)量策略實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和測(cè)量，噪聲載荷通過(guò)耐高溫水冷壓力傳感器來(lái)測(cè)量，溫度載荷采用K型熱電偶進(jìn)行測(cè)量，振動(dòng)載荷通過(guò)振動(dòng)臺(tái)上布置三軸向加速度計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，金屬結(jié)構(gòu)的應(yīng)變響應(yīng)采用接觸式高溫應(yīng)變傳感器測(cè)量得到，加速度及位移響應(yīng)分別通過(guò)基于多普勒效應(yīng)的激光測(cè)振儀和基于三角法的激光位移計(jì)測(cè)量得到。

圖5 多場(chǎng)聯(lián)合試驗(yàn)測(cè)量技術(shù)體系Fig.5 Measurement strategy of multi-load combined test

2 關(guān)鍵影響因素分析與解決途徑

2.1 振動(dòng)、噪聲條件下的靜載協(xié)調(diào)加載方法

對(duì)于氣動(dòng)力這種分布式準(zhǔn)靜態(tài)載荷，通常采用靜力等效原理將分布載荷等效成若干個(gè)集中載荷進(jìn)行模擬，每個(gè)集中載荷根據(jù)載荷大小通過(guò)相應(yīng)的橡皮繩或氣囊進(jìn)行加載。由于集中載荷數(shù)量越多對(duì)分布載荷的模擬就越真實(shí)，因此應(yīng)在可操作前提下取盡量多的集中力加載點(diǎn)。

由于振動(dòng)產(chǎn)生的位移會(huì)使得加載用彈性元件伸長(zhǎng)量(橡皮繩)或壓縮量(氣囊)發(fā)生變化，從而必然導(dǎo)致靜載產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差。為此，首先必須對(duì)試驗(yàn)件在做振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)的瞬時(shí)位移進(jìn)行分析。

以橡皮繩為例，根據(jù)橡皮繩的力學(xué)特性，其所承受的張力不僅與伸長(zhǎng)量成正比，而且與其橫截面積成正比。為了一般性，考慮振動(dòng)載荷最嚴(yán)酷的情況，得出最嚴(yán)酷時(shí)的均方根位移Drms，于是可以得到瞬態(tài)最大位移為δDrms(δ為振動(dòng)峰值因子，一般振動(dòng)試驗(yàn)取3)，則有

(3)

ESδDrms/l≤PtU

(4)

式中：Pt為靜力加載總載荷值；P0為初始張量；E、S、l、Δl分別為橡皮繩的彈性模量、橫截面積、原始有效長(zhǎng)度及拉伸長(zhǎng)度。從式(4)可以看出，通過(guò)增大l或減小E、S的方法，使得振動(dòng)引起的位移對(duì)加載精度的影響滿足加載精度(U)要求。

2.2 結(jié)構(gòu)變形、流場(chǎng)對(duì)聲場(chǎng)的影響分析

首先考慮結(jié)構(gòu)變形對(duì)聲場(chǎng)的影響，行波管內(nèi)聲壓級(jí)的計(jì)算公式為

(5)

式中：W為揚(yáng)聲器的聲功率，W；S為行波管試驗(yàn)段的橫截面積(寬為a，高為b)，m2，則有

S=ab

(6)

試驗(yàn)件受靜力變形的最大撓度為d，則截面變化的面積ΔS滿足：

ΔS

(7)

結(jié)構(gòu)變形前后聲場(chǎng)的聲壓級(jí)變化為

(8)

可以看出，相對(duì)而言，結(jié)構(gòu)小變形對(duì)聲場(chǎng)的影響不大。

考慮多場(chǎng)環(huán)境下流場(chǎng)對(duì)行波管聲場(chǎng)的影響，測(cè)得試驗(yàn)段入口空氣流量為40 m3/h，入口速度約為67.2 m/s，行波管內(nèi)流場(chǎng)速度云圖如圖6所示。噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別選取行波管試驗(yàn)段頂面中點(diǎn)(編號(hào)為1#)和側(cè)面中點(diǎn)(編號(hào)為2#)，如圖7所示，由FLUENT計(jì)算得到兩點(diǎn)在流場(chǎng)環(huán)境下的噪聲變化特性如圖8和圖9所示，可以看出，實(shí)驗(yàn)室流場(chǎng)條件對(duì)行波管試驗(yàn)段的聲場(chǎng)特性影響較小。

圖6 行波管內(nèi)流場(chǎng)速度云圖Fig.6 Flow velocity contour inside progressive wave tube

圖7 行波管試驗(yàn)段噪聲測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.7 Position of noise measurement points on test section of progressive wave tabe

圖8 流場(chǎng)對(duì)1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)噪聲特性的影響Fig.8 Effect of flow on noise characteristics of measurment point 1#

圖9 流場(chǎng)對(duì)2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)噪聲特性的影響Fig.9 Effect of flow on noise characteristics of measurment point 2#

2.3 彈性加載系統(tǒng)的振動(dòng)耦合效應(yīng)

在振動(dòng)條件下，靜力載荷必須通過(guò)彈性加載元件進(jìn)行模擬，并盡量減小加載系統(tǒng)對(duì)部件的附加質(zhì)量、剛度和阻尼。

加載過(guò)程中，為了施加靜載，在試驗(yàn)件上附加多組橡皮繩；同時(shí)為施加反向平衡載荷以保證振動(dòng)臺(tái)不受外載，在夾具上也需附加多組橡皮繩，高溫條件下,橡皮繩不能直接連接在試驗(yàn)件或夾具上,需通過(guò)帶熱防護(hù)套的小直徑鋼絲繩將力引出高溫區(qū)后再與之連接。橡皮繩在拉伸時(shí)相當(dāng)于彈簧，這些附加的橡皮繩與試驗(yàn)件、夾具和動(dòng)圈組合體(可視做一個(gè)質(zhì)量塊)組成了一個(gè)“彈簧-質(zhì)量”系統(tǒng)，因此，在振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，可能會(huì)引起振動(dòng)耦合問(wèn)題。

為了不引起振動(dòng)耦合問(wèn)題，必須使該“彈簧-質(zhì)量”系統(tǒng)的固有頻率f遠(yuǎn)小于試驗(yàn)的最低頻率(振動(dòng)試驗(yàn)最低頻率一般為10 Hz)，即f遠(yuǎn)小于10 Hz即可。該“彈簧-質(zhì)量”系統(tǒng)的固有頻率f可根據(jù)式(9)估算。

(9)

式中：K1為加載橡皮繩的總體抗拉剛度；K2為反向平衡橡皮繩的總體抗拉剛度；Ps為靜載的總載荷值；Δl1、Δl2分別為加載橡皮繩與平衡橡皮繩的拉伸長(zhǎng)度；M為試驗(yàn)件、夾具和動(dòng)圈組合體的總質(zhì)量。需要注意的是，由于K1、K2比實(shí)際值估計(jì)得高，因而估算的f也較高，即式(9)偏保守。

2.4 多場(chǎng)聯(lián)合試驗(yàn)振動(dòng)臺(tái)的外力平衡策略

靜力/振動(dòng)聯(lián)合加載條件下，需要對(duì)振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行外力平衡處理，具體有2種策略：即內(nèi)力加載平衡法和外力加載平衡法，可根據(jù)試驗(yàn)條件對(duì)平衡策略進(jìn)行取舍。

內(nèi)力加載平衡法(見(jiàn)圖10)需要將試驗(yàn)件及夾具固定在一個(gè)較大的加載剛架上；然后在剛架與試驗(yàn)件之間用彈性繩連接，并施加相應(yīng)的靜載；最后將剛架安裝到振動(dòng)臺(tái)上，使加載系統(tǒng)與試驗(yàn)件一起振動(dòng)。顯然，這種方法使試驗(yàn)件與加載系統(tǒng)為一整體，其優(yōu)點(diǎn)是所施加靜力載荷能自身平衡，從而實(shí)施起來(lái)較簡(jiǎn)單，也不需要其他輔助設(shè)施；其缺點(diǎn)是由于加載剛架要足夠大和足夠剛硬，因而附加質(zhì)量增大，推力損耗必然加大。

外力加載平衡法(見(jiàn)圖11)則將試驗(yàn)件及夾具固定在振動(dòng)臺(tái)上，加載的承力部件固定在與地面固連的剛架上；試驗(yàn)件與加載承力部件之間用彈性加載元件連接；試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)件及夾具振動(dòng)，而加載承力部件不動(dòng)。該方法優(yōu)缺點(diǎn)與內(nèi)力加載法相反。

圖10 內(nèi)力法平衡策略Fig.10 Strategy of internal force balance

圖11 外力法平衡策略Fig.11 Strategy of external force balance

靜載作為外力作用在試驗(yàn)件上對(duì)振動(dòng)臺(tái)水平滑臺(tái)產(chǎn)生了力和力矩，為使其不超過(guò)振動(dòng)臺(tái)所能承受的彎矩和靜載，必須在夾具上施加反向平衡載荷來(lái)平衡振動(dòng)臺(tái)受到的力和力矩。反向平衡載荷也必須通過(guò)彈性元件進(jìn)行加載，避免剛性連接限制振動(dòng)位移。

2.5 高溫環(huán)境下的噪聲測(cè)量修正方法

500 ℃溫度條件下，熱區(qū)探管傳聲器作為控制傳聲器使用，當(dāng)溫度條件大于500 ℃時(shí)，探管傳聲器不能使用，應(yīng)采用水冷壓力傳感器。使用探管傳聲器需要進(jìn)行溫度修正和位置修正，即在試驗(yàn)段上(冷區(qū))、中(熱區(qū))、下游(冷區(qū))布置傳感器，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)得到冷區(qū)和熱區(qū)的修正關(guān)系，典型傳感器布置方法如圖12所示。為了作溫度修正，在行波管內(nèi)壁探管頭附近布置熱電偶。每個(gè)探管傳聲器需要在行波管壁上開(kāi)兩孔，一個(gè)用于測(cè)聲，另一個(gè)用于平衡靜壓，傳感器安裝方式如圖13 所示。

圖12 傳聲器布置方式Fig.12 Sensor layout

圖13 傳聲器安裝方式Fig.13 Sensor installation

此外，由于熱區(qū)溫度較高，空氣密度也較小，熱區(qū)聲壓級(jí)比冷區(qū)聲壓級(jí)小，假設(shè)其差值為ΔLP，通過(guò)不同溫度、聲壓級(jí)測(cè)試試驗(yàn)，可以確定ΔLP隨溫度和聲壓級(jí)變化的曲線，即位置修正。

2.6 多場(chǎng)載荷環(huán)境下的熱加載控制策略

由于熱流計(jì)較難耐受行波管內(nèi)高溫強(qiáng)噪聲環(huán)境，而且熱流計(jì)安裝在行波管內(nèi)部會(huì)阻礙試驗(yàn)件加熱，可以采用行波管外部標(biāo)定的方法進(jìn)行熱流控制。

試驗(yàn)前需進(jìn)行熱流密度靜態(tài)熱標(biāo)定，標(biāo)定時(shí)在試驗(yàn)件受熱面表面和加熱器外側(cè)(相對(duì)安全位置)各安裝一個(gè)熱流密度計(jì)，按照試驗(yàn)采用的典型熱流條件(如熱壁熱流)對(duì)試驗(yàn)件受熱面施加熱流，得出兩熱流密度計(jì)的位置轉(zhuǎn)換系數(shù)K和高溫條件下加熱器的熱損失ql。

試驗(yàn)過(guò)程中的控制熱流計(jì)算方程為

(10)

3 某典型舵面構(gòu)件多場(chǎng)聯(lián)合試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)對(duì)象與載荷條件

基于多場(chǎng)聯(lián)合試驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展了某舵面模擬構(gòu)件的靜力/高溫/噪聲/振動(dòng)多場(chǎng)聯(lián)合試驗(yàn)，試驗(yàn)件材料為GH4169，由薄壁面、筋條組成，筋條上留有4個(gè)加載孔，用于靜力加載，試驗(yàn)件通過(guò)兩端螺栓孔與支持裝置固定連接，試驗(yàn)件具體結(jié)構(gòu)形式如圖14所示。該試驗(yàn)件所受噪聲、振動(dòng)、溫度及靜力聯(lián)合載荷條件如表2所示。

多場(chǎng)耦合試驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)計(jì)專門(mén)的振動(dòng)夾具，滿足剛度及質(zhì)量限制條件。將試驗(yàn)件安裝在振動(dòng)臺(tái)水平滑臺(tái)上，夾具與振動(dòng)臺(tái)采用矩形陣列螺栓進(jìn)行固定，夾具的設(shè)計(jì)形式如圖15所示，夾具的基頻為試驗(yàn)件基頻(80 Hz)的10倍，滿足剛度要求。按照靜力加載要求，在試驗(yàn)件筋條的4個(gè)孔上安裝拉環(huán)，通過(guò)連接在拉環(huán)上的彈性加載裝置進(jìn)行靜力加載。靜力加載裝置由鋼絲繩、軸承滑輪、橡皮繩、手動(dòng)葫蘆、力傳感器等元件構(gòu)成，靜力加載如圖16所示。

高溫強(qiáng)振動(dòng)聯(lián)合載荷環(huán)境下，采用水冷式探管傳聲器進(jìn)行噪聲控制，控點(diǎn)位置為行波管試驗(yàn)段上壁面中心，采用加速度傳感器進(jìn)行振動(dòng)控制，控點(diǎn)為滑臺(tái)臺(tái)面。噪聲載荷譜及振動(dòng)載荷譜控制曲線分別如圖17和圖18所示，試驗(yàn)過(guò)程中溫度及靜力控制誤差小于5%，整個(gè)加載與控制過(guò)程穩(wěn)定。

圖14 某舵面構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式Fig.14 Component structure on rudder surface

表2 聯(lián)合載荷條件Table 2 Combined load conditions

載荷噪聲(N)振動(dòng)(V)溫度(T)靜力(S)條件平直譜OSPAL=163 dB450～650 Hz加速度總均方根為Arms=13.16g100～1 000 Hz均勻溫度場(chǎng)T=450 ℃分布式集中力F=4×750 N=3 000 N

圖15 振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)Fig.15 Design of vibration fixture

圖16 靜力加載示意圖Fig.16 Schematic diagram of static exertion

圖17 噪聲載荷譜控制曲線Fig.17 Control curves of sound pressure spectrum

圖18 振動(dòng)載荷譜控制曲線Fig.18 Control curves of vibration acceleration spectrum

采用B型鉑銠30-鉑銠6熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量，測(cè)點(diǎn)為舵面中點(diǎn)。采用全橋型測(cè)力傳感器進(jìn)行靜力載荷測(cè)量，測(cè)量位置為松緊螺套的末端。應(yīng)變采用三線制1/4橋法測(cè)量，應(yīng)變片選用高溫應(yīng)變片，采用線性譜平均方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣率為10 kHz，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)位置及編號(hào)如圖19所示。高溫條件下布置加速度測(cè)點(diǎn)共2個(gè)，位移測(cè)點(diǎn)1個(gè)， 具體位置及編號(hào)如圖20所示。其中：A、B為加速度測(cè)點(diǎn)；C為位移測(cè)點(diǎn)。

圖19 應(yīng)變測(cè)量位置及編號(hào)Fig.19 Positions and numbers of strain measurement

圖20 加速度與位移測(cè)量位置及編號(hào)Fig.20 Positions and numbers of acceleration and displacement measurement

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

按照單靜力(S)、靜力/噪聲聯(lián)合(S+N)、靜力/噪聲/振動(dòng)聯(lián)合(S+N+V)、靜力/噪聲/振動(dòng)/熱(S+N+V+T)聯(lián)合的加載順序完成了覆蓋性聯(lián)合載荷強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖21所示。

取應(yīng)變較大的1#、16#、18#、19#、21#測(cè)點(diǎn)，研究不同聯(lián)合載荷環(huán)境下試驗(yàn)件應(yīng)變時(shí)域響應(yīng)特性變化，其均值和均方根值隨時(shí)間變化曲線分別如圖22和圖23所示。

圖21 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.21 Test site photos

圖22 不同載荷條件下各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變響應(yīng)均值Fig.22 Mean strain response at different measurement points under different loading conditions

圖23 不同載荷條件下各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變響應(yīng)均方根值Fig.23 Strain RMS at different measurement points under different loading conditions

從圖22中可以看出，在S、S+N、S+N+V加載階段，各測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變均值沒(méi)有發(fā)生明顯改變，3個(gè)階段所產(chǎn)生的靜應(yīng)變主要由靜力載荷貢獻(xiàn)，在S+N+V+T聯(lián)合加載階段，由于熱載荷作用，試驗(yàn)件內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，各測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變平均值發(fā)生了劇烈變化，熱應(yīng)力由固支邊界引起的熱變形約束產(chǎn)生的應(yīng)力和溫度梯度產(chǎn)生的應(yīng)力2部分組成。

從圖23可以看出，在S加載階段，各測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變均方根值接近0，在S+N加載階段，各測(cè)點(diǎn)處產(chǎn)生了量級(jí)較小的應(yīng)變均方值，此時(shí)噪聲載荷引起了量級(jí)不大的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在S+N+V加載階段，各測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變均方根值明顯升高，此時(shí)由于振動(dòng)載荷作用，試驗(yàn)件產(chǎn)生了較大的動(dòng)態(tài)應(yīng)變響應(yīng)，在S+N+V+T加載階段，由于熱載荷引起材料特性的改變、結(jié)構(gòu)剛度分布以及支撐剛度的變化，試驗(yàn)件的動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)將經(jīng)歷先上升后下降的過(guò)程。聯(lián)合載荷作用下試驗(yàn)件的頻率特性也發(fā)生了明顯變化，圖24給出了不同載荷階段的1#測(cè)點(diǎn)應(yīng)變功率譜密度曲線，提取其中一種工況進(jìn)行頻響對(duì)比分析，圖25給出了V、S+V加載階段試驗(yàn)件A測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)共振頻率對(duì)比圖，可以看出，靜力載荷作用下由于剛度硬化效應(yīng)，試驗(yàn)件1階共振頻率升高，該結(jié)果與計(jì)算分析結(jié)果接近。

多場(chǎng)聯(lián)合載荷作用下，靜力載荷和熱載荷導(dǎo)致試驗(yàn)件產(chǎn)生較大的靜態(tài)應(yīng)變，熱載荷同時(shí)還會(huì)影響試驗(yàn)件的動(dòng)態(tài)應(yīng)變響應(yīng)，噪聲和振動(dòng)載荷會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生具有一定頻譜特性的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。靜力、噪聲、振動(dòng)、熱載荷同時(shí)作用下，試驗(yàn)件所受的靜態(tài)響應(yīng)水平和動(dòng)態(tài)應(yīng)變響應(yīng)水平均有明顯的提高，此時(shí)，結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生破壞。通過(guò)舵面構(gòu)件的多場(chǎng)聯(lián)合試驗(yàn)，驗(yàn)證了多場(chǎng)聯(lián)合試驗(yàn)平臺(tái)的可行性及有效性，得到了可靠的多場(chǎng)載荷聯(lián)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，揭示了多場(chǎng)聯(lián)合載荷下結(jié)構(gòu)的靜/動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征。

圖24 不同載荷階段1#測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變功率譜密度曲線Fig.24 Power spectral density curves of strain at measurement point #1 in different load stages

圖25 V和S+V加載條件下加速度響應(yīng) 共振頻率對(duì)比圖Fig.25 Comparison of resonance frequencies of acceleration response under V and S+V conditions

4 結(jié) 論

1) 針對(duì)高超聲速飛行器結(jié)構(gòu)面臨的氣動(dòng)熱、力、噪聲及振動(dòng)復(fù)雜載荷環(huán)境，提出了多場(chǎng)聯(lián)合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度地面試驗(yàn)方法，給出了具體的設(shè)計(jì)方案。

2) 對(duì)多場(chǎng)聯(lián)合環(huán)境下的試驗(yàn)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)及影響因素進(jìn)行了分析，提出了具體的解決方法，基于行波管建立了能夠模擬高超聲速飛行器結(jié)構(gòu)所承受的靜力、振動(dòng)、噪聲及高溫等聯(lián)合載荷環(huán)境的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)平臺(tái)。

3) 基于多場(chǎng)聯(lián)合試驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展了某舵面構(gòu)件的靜力、振動(dòng)、噪聲、高溫聯(lián)合載荷試驗(yàn)，得到了不同聯(lián)合載荷作用下構(gòu)件應(yīng)變、加速度及位移的時(shí)域及頻域響應(yīng)特征，驗(yàn)證了試驗(yàn)平臺(tái)的可行性及有效性，未來(lái)將借助更加深入的耦合計(jì)算方法[23-24]，實(shí)現(xiàn)仿真與試驗(yàn)的相互指導(dǎo)和驗(yàn)證。

本文建立的多場(chǎng)聯(lián)合試驗(yàn)技術(shù)可用于高超聲速飛行器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度地面試驗(yàn)考核驗(yàn)證。