板狀結(jié)構(gòu)可變邊界熱振耦合試驗系統(tǒng)研制

彭富豪，吳乙萬，白鴻柏，李上洲

(1.福州大學(xué) 金屬橡膠工程研究中心，福州 350108; 2.福州大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院，福州 350108)

0 引言

板狀結(jié)構(gòu)在實際工程中被廣泛應(yīng)用，其工作環(huán)境溫度范圍較寬，如航空發(fā)動機設(shè)備安裝基座(多個平板組成)工作溫度可達(dá)上百度。設(shè)計此類板狀結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮溫度的影響，對板狀結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境下的熱模態(tài)設(shè)計對改善板狀結(jié)構(gòu)振動水平、提高板狀結(jié)構(gòu)使用壽命有重要意義[1-5]。

有限元技術(shù)對結(jié)構(gòu)在熱環(huán)境下模態(tài)分析提供了一種新的思路。Bevins[6]建立飛行器蒙皮結(jié)構(gòu)有限元模型，分析了熱環(huán)境下結(jié)構(gòu)受到聲載荷激勵產(chǎn)生的響應(yīng)。Lee[7]運用有限元方法對碳纖維環(huán)氧加筋板結(jié)構(gòu)在熱環(huán)境下的振動性能進(jìn)行研究。孫強[8]通過有限元技術(shù)對航空發(fā)動機葉片固有頻率與溫度的關(guān)系進(jìn)行研究。李躍明[9]建立高超聲速飛行器X-43A整機有限元模型，并對其在高溫環(huán)境以及165dB聲壓作用下的振動特性進(jìn)行分析。

有限元技術(shù)雖已得到了長足的發(fā)展，但針對某些特種材料的力學(xué)性能以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，有限元方法總會造成一定的誤差，試驗仍是一種可靠的手段。目前，板狀結(jié)構(gòu)熱模態(tài)試驗技術(shù)已較為成熟。吳大方等[10]基于石英燈陣加熱技術(shù)對高速飛行器的翼舵進(jìn)行熱模態(tài)試驗，獲得翼舵25～1200℃范圍內(nèi)的模態(tài)頻率參數(shù)，對于常溫區(qū)域測量高溫環(huán)境下結(jié)構(gòu)振動信號的研制提供了試驗支持。Jeon[11]使用非接觸式激光測振方法對矩形平板開展自由-自由邊界熱模態(tài)試驗，其單側(cè)實現(xiàn)溫度為500℃。McWithey等[12]針對X-15翼結(jié)構(gòu)展開熱模態(tài)試驗技術(shù)的研究，翼面結(jié)構(gòu)的主體溫度為347℃，在模擬空氣動力學(xué)加熱的過程中，測量了五種固有頻率模式發(fā)生改變，結(jié)果表明：高溫下第一、二、六階固有頻率隨溫度的上升而下降，一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率變化最大，下降幅度達(dá)5%，加熱后丟失第三、五階模態(tài)，四階固有頻率有所上升。

板狀結(jié)構(gòu)存在不同的邊界條件(單/雙/三/四邊固支)，已有的研究所用方法無法滿足不同邊界下板狀結(jié)構(gòu)的熱模態(tài)試驗需要，因此，在已有研究的基礎(chǔ)上研制一套低成本、可變邊界板狀結(jié)構(gòu)高溫振動耦合試驗系統(tǒng)。首先，通過石英燈陣輻射加熱以控制板狀結(jié)構(gòu)表面的溫度；然后，通過設(shè)置可變邊界板狀結(jié)構(gòu)測試工裝，對搭建的振動試驗平臺進(jìn)行振動測試；其次，使用細(xì)長陶瓷引伸棒將高溫區(qū)域的板狀結(jié)構(gòu)振動信號傳遞到常溫區(qū)域，使用耐高溫陶瓷棒對板狀結(jié)構(gòu)在高溫環(huán)境下進(jìn)行振動激勵，使用陶瓷引伸裝置配合常溫加速度傳感器對高溫環(huán)境下的板狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行加速度信號的拾??；最后，以45號鋼板為例，測量其在室溫下不同邊界(單/雙/三/四邊固支)約束的模態(tài)參數(shù)以及500℃單邊固支下45號鋼板的高溫模態(tài)參數(shù)。

1 高溫模態(tài)試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

圖1為板狀結(jié)構(gòu)高溫模態(tài)試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)可分為硬件、軟件兩部分。試驗系統(tǒng)各部分的功能如表1所示。

圖1 高溫模態(tài)試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

表1 高溫振動試驗系統(tǒng)各部分功能表

組成功能硬件部分機械部分加熱模塊對板狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行輻射加熱懸掛工裝使板狀結(jié)構(gòu)預(yù)壓力一致變邊界工裝營造板狀結(jié)構(gòu)不同約束環(huán)境控制部分溫度控制模塊對板狀結(jié)構(gòu)溫度環(huán)境模擬動態(tài)信號采集與分析系統(tǒng)對試驗進(jìn)行測試、數(shù)據(jù)分析控制計算機對板狀結(jié)構(gòu)信號進(jìn)行監(jiān)測激勵部分激振器產(chǎn)生振動功率放大器放大電壓信號傳感部分動態(tài)力傳感器測量激振力加速度傳感器測量響應(yīng)點的加速度信號溫度傳感器測量板狀結(jié)構(gòu)表面的溫度軟件部分LabVIEW溫控程序采集并控制環(huán)境溫度數(shù)據(jù)采集控制軟件采集板狀結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)信號機械模態(tài)分析軟件進(jìn)行板狀結(jié)構(gòu)熱模態(tài)分析

系統(tǒng)原理如下：根據(jù)高溫模態(tài)試驗系統(tǒng)搭建試驗測試平臺，首先，通過LabVIEW溫控程序控制溫度控制模塊和加熱模塊對板狀結(jié)構(gòu)高溫環(huán)境進(jìn)行模擬；然后，通過激振器和功率放大器一起作用對板狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動激勵，對板狀結(jié)構(gòu)振動環(huán)境進(jìn)行模擬；其次，在數(shù)據(jù)采集控制軟件上采集板狀結(jié)構(gòu)表面上的振動響應(yīng)信號，在機械模態(tài)分析軟件上對板狀結(jié)構(gòu)采集的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行熱模態(tài)分析；最后，將試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和分析。

2 高溫振動耦合試驗系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件部分

2.1.1 機械部分

1)加熱模塊:加熱模塊采用石英燈陣模擬板狀結(jié)構(gòu)熱環(huán)境，每根石英燈長240 mm，功率500 W，石英燈安裝在安裝板上加以固定，燈間距離均為10 mm，使板狀結(jié)構(gòu)表面溫度場快速形成，保證表面溫度場的均勻性；石英燈與安裝板之間放置由硅酸鋁材料制成的隔熱板，對石英燈陣發(fā)出的強輻射熱進(jìn)行隔熱。

2)懸掛工裝:懸掛工裝由移動式龍門架、尼龍繩、伸縮掛鉤和彈性繩組成。通過調(diào)整移動式龍門架使激振器能夠激勵板狀結(jié)構(gòu)任一位置，將尼龍繩一端固定于移動式龍門架，另一端垂直向下連接伸縮掛鉤，伸縮掛鉤另一端連接彈性繩，彈性繩通過連接4個304不銹鋼制成的加長吊環(huán)螺栓對激振器進(jìn)行懸掛。通過調(diào)整伸縮掛鉤來調(diào)節(jié)激勵器頂桿對板狀結(jié)構(gòu)的預(yù)壓力，使每次試驗測試時激振器對板狀結(jié)構(gòu)的預(yù)壓力一致。

3)變邊界工裝:板狀結(jié)構(gòu)存在不同的邊界條件(單/雙/三/四邊固支)，如圖2所示。其四邊固支約束的實物配套使用支撐梁和約束梁對板狀結(jié)構(gòu)每條邊進(jìn)行約束，使用螺栓進(jìn)行固定，通過調(diào)整支撐梁與約束梁的數(shù)量實現(xiàn)板狀結(jié)構(gòu)的約束邊界，實現(xiàn)板狀結(jié)構(gòu)的單邊、雙邊、三邊、四邊固支安裝。

圖2 板狀結(jié)構(gòu)的邊界約束方式示意圖

支撐底座起支撐作用，放置在T型槽鑄鐵平臺上；支撐圈梁起轉(zhuǎn)接作用，使支撐梁能夠根據(jù)不同的約束位置在支撐圈梁上進(jìn)行調(diào)整。

2.1.2 控制部分

1)溫度控制模塊：溫度控制模塊如圖3所示，包括溫度信號拾取子模塊和加熱控制子模塊兩部分。提供了一種低成本、精確測量溫度的方法，可測溫度范圍為-200～1250 ℃。由于測試溫度較高，為防止鋁合金箱體內(nèi)電器元件發(fā)熱嚴(yán)重，安裝進(jìn)排氣風(fēng)扇。

圖3 溫度控制模塊示意圖

圖4 LabVIEW溫控程序

多功能數(shù)據(jù)采集器利用NI-USB-6002采集卡完成溫度傳感器信號采集與驅(qū)動信號輸出工作，實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)采集與驅(qū)動加熱控制，使用K型熱電偶溫度傳感器對板狀結(jié)構(gòu)溫度信號進(jìn)行采集，溫度變送器對采集的板狀結(jié)構(gòu)表面的溫度信號進(jìn)行放大。固態(tài)繼電器可以將低壓直流電信號用于控制220 V交流電，為實現(xiàn)固態(tài)繼電器的控制，設(shè)計有功率放大電路子模塊。

2)動態(tài)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng):動態(tài)信號采集與分析系統(tǒng)采用武漢優(yōu)泰電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的uT8916FRS-DY同步采集系統(tǒng)，其有2路函數(shù)輸出信號和16位DA輸出信號源，可輸出電壓、電荷、ICP和應(yīng)變信號。

3)控制計算機:使用控制計算機對實驗全過程進(jìn)行監(jiān)測與控制。控制計算機與動態(tài)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)、溫度控制模塊通過TCP/IP通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2.1.3 激勵部分

1)激振器:激振器的作用是使用狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動，采用揚州一軒電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的電動式激振器JZQ-50，其最大激振力為500 N，頻率范圍為10～2 000 Hz。

2)功率放大器:功率放大器的作用是將信號發(fā)生器輸出的相當(dāng)弱小的電壓信號進(jìn)行放大，供給激振器一定的電流，推動激振器工作，采用杭州億恒科技有限公司生產(chǎn)的E5878功率放大器，其最大輸出功率為1500 VA,信噪比大于90 dB。

2.1.4 傳感部分

1)動態(tài)力傳感器:動態(tài)力傳感器用于測量激振力，選用揚州一軒電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的YD-303壓電型石英力傳感器，其測量范圍為±2 KN,電荷靈敏度為3.08 pC/N,工作溫度范圍為-40～150 ℃。

2)加速度傳感器:加速度傳感器用于測量板狀結(jié)構(gòu)表面的振動響應(yīng)信號，選用江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的IEPE壓電式加速度傳感器，其抗干擾性好，可與長導(dǎo)線使用，靈敏度為10.36 mV/g,測量范圍為±500 g,工作溫度范圍為-40～+120 ℃。

3)溫度傳感器:溫度傳感器用于測量板狀結(jié)構(gòu)表面的溫度，選用由鎳鉻-鎳硅材料制成的K型熱電偶溫度傳感器，其溫度測量范圍為-200～1 250 ℃。溫度傳感器為直徑6 mm的圓絲，適用于板狀結(jié)構(gòu)在寬溫域下熱振耦合試驗。

2.2 軟件部分

系統(tǒng)軟件設(shè)計部分包括LabVIEW溫控程序、數(shù)據(jù)采集控制軟件、機械模態(tài)分析軟件三部分。

2.2.1 LabVIEW溫控程序

LabVIEW溫控程序如圖4所示，包括加熱控制循環(huán)程序和恒溫控制循環(huán)程序。為保證板狀結(jié)構(gòu)在可調(diào)的溫度環(huán)境下進(jìn)行振動試驗，采用模糊控制的方法進(jìn)行控制。首先通過設(shè)置溫度上限值對板狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行加熱；然后通過溫度下限值一起將溫度調(diào)整在一個較小范圍內(nèi)來對板狀結(jié)構(gòu)表面溫度進(jìn)行溫度范圍調(diào)節(jié)，試驗溫度誤差在3%左右；最后使溫度信號拾取系統(tǒng)的溫度與多功能數(shù)據(jù)采集器數(shù)字輸出通道的溫度對比進(jìn)行恒溫控制。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集控制軟件

數(shù)據(jù)采集控制流程如圖5所示，為了采集板狀結(jié)構(gòu)表面上的振動響應(yīng)信號，首先，創(chuàng)建一個工程文件，在數(shù)據(jù)采集控制軟件上對信號發(fā)生器進(jìn)行輸出通道和信號類型進(jìn)行選擇，對信號的頻率、幅值、時間周期進(jìn)行參數(shù)設(shè)置；然后，對采集參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，將采樣頻率、觸發(fā)參數(shù)、傳感器的數(shù)值和單位進(jìn)行標(biāo)定；最后，對板狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行示波，待信號穩(wěn)定后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖5 數(shù)據(jù)采集控制流程圖

2.2.3 機械模態(tài)分析軟件

圖6 模態(tài)分析流程圖

機械模態(tài)分析流程如圖6所示，為了對數(shù)據(jù)采集到的板狀結(jié)構(gòu)信號進(jìn)行模態(tài)分析，首先，建立模態(tài)工程文件，對板狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行工程模型編輯；然后，將數(shù)據(jù)采集到的板狀結(jié)構(gòu)信號導(dǎo)入到機械模態(tài)分析軟件中進(jìn)行模態(tài)計算；其次，選擇模態(tài)計算方法，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行初始估計與整體數(shù)據(jù)擬合，并對模態(tài)陣型進(jìn)行測量方向和約束方程進(jìn)行處理，使模態(tài)振型歸一；最后，對模態(tài)工程數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)識別和模態(tài)驗證，得到板狀結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，輸出試驗數(shù)據(jù)報告并進(jìn)行存儲。

3 變邊界振動試驗?zāi)B(tài)系統(tǒng)性能試驗

以45鋼作為測試樣件進(jìn)行試驗，板結(jié)構(gòu)的參數(shù)如表2所示。

表2 45鋼參數(shù)

對45鋼試件在室溫下進(jìn)行不同邊界振動試驗，以單邊固支為例對45鋼試件進(jìn)行500 ℃高溫振動耦合試驗。

圖7為所測試45鋼板前三階模態(tài)頻率曲線，由圖可知，單邊約束下500℃的模態(tài)頻率比室溫均低，雙邊、三邊和四邊約束下前三階模態(tài)頻率相差不大。

圖7 45鋼板前三階模態(tài)頻率曲線

表3為所測試45鋼板前三階模態(tài)陣型，由圖可知，不同約束邊界模態(tài)陣型不一樣，單邊約束室溫和500 ℃前三階模態(tài)陣型一致。

4 結(jié)論

1)通過研制陶瓷引伸裝置將高溫環(huán)境下板狀結(jié)構(gòu)的振動信號引導(dǎo)出熱場之外，實現(xiàn)在高達(dá)500 ℃的溫度下進(jìn)行板狀結(jié)構(gòu)高溫模態(tài)參數(shù)的測量。

2)通過支撐梁與約束梁配套使用，研制了一套低成本、可變邊界的板狀結(jié)構(gòu)測試工裝。

3)對45號鋼板進(jìn)行不同邊界進(jìn)行測試，不同邊界的模態(tài)陣型不一樣，此外，45號鋼板雙邊、三邊和四邊約束的模態(tài)頻率相差不大。

表3 45鋼板前三階模態(tài)振型

4)對45鋼板在單邊約束下室溫和500℃高溫下進(jìn)行振動測試，說明溫度升高，45鋼板的模態(tài)頻率降低，而模態(tài)陣型基本一致。

經(jīng)實際應(yīng)用研制了一套低成本、可變邊界板狀結(jié)構(gòu)高溫振動耦合試驗系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)可為板狀結(jié)構(gòu)在變邊界高溫振動耦合環(huán)境下的安全設(shè)計提供參考依據(jù)。