鈦合金蜂窩平板聲載-靜載聯(lián)合加載設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

霍施宇， 屈 超， 徐 健， 鄧云華

(1.中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所, 航空聲學(xué)與振動(dòng)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710065; 2.中國(guó)航空制造技術(shù)研究院, 航空焊接與連接技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100024)

發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲是影響飛機(jī)安全性和舒適性的重要因素,對(duì)于大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)來說,風(fēng)扇噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要噪聲源,而在發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道內(nèi)壁面鋪設(shè)聲襯是抑制風(fēng)扇噪聲的主要措施。目前,在發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道包裹發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)艙罩上面通常采用常溫聲襯(鋁合金聲襯或復(fù)材聲襯)+隔熱毯的消聲設(shè)計(jì),但是這種組合式的聲襯設(shè)計(jì)不僅會(huì)增加制造工藝的難度還會(huì)降低可靠性[1-4]。耐溫的鈦合金蜂窩在較高溫度條件下具有比強(qiáng)度高、抗疲勞、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn),在免去隔熱處理的同時(shí)還增加了結(jié)構(gòu)的可靠性,是發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道高溫區(qū)域聲襯潛在的替代方案[5]。鈦合金蜂窩聲襯不僅需要具有良好的降噪效果,還應(yīng)該能在服役環(huán)境的高強(qiáng)噪聲和氣動(dòng)壓力聯(lián)合作用下長(zhǎng)時(shí)工作。目前針對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究主要集中在力學(xué)性能、彎曲疲勞等方面,較少涉及隨機(jī)振動(dòng)下的疲勞失效[6-7]。特別地,針對(duì)鈦合金蜂窩聲襯開展聲載-靜載疲勞試驗(yàn)的相關(guān)研究還鮮見報(bào)道。為了探究鈦合金蜂窩聲襯抗聲載-靜載疲勞性能,暴露其薄弱部位,有必要針對(duì)鈦合金聲襯開展聲載-靜載聯(lián)合試驗(yàn),為鈦合金蜂窩聲襯設(shè)計(jì)與制造提供指導(dǎo)[8-10]。

為此，分析了蜂窩聲襯的服役工況和結(jié)構(gòu)特征,設(shè)計(jì)了一種聲載-靜載聯(lián)合試驗(yàn)方法和試驗(yàn)裝置,并對(duì)鈦合金蜂窩平板件開展了聲載-靜載聯(lián)合試驗(yàn),考察鈦合金蜂窩結(jié)構(gòu)的聲疲勞耐久性,暴露焊接結(jié)構(gòu)的聲疲勞薄弱位置,研究鈦合金聲襯在聲載-靜載作用下的疲勞破壞模式,為鈦合金聲襯抗疲勞設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)對(duì)象為鈦合金蜂窩平板件,三維模型如圖1所示,尺寸參數(shù)如表1所示。

圖1 蜂窩聲襯三維模型示意圖Fig.1 3D model of honeycomb liner

表1 鈦合金蜂窩聲襯參數(shù)

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 載荷分析

鈦合金蜂窩聲襯是發(fā)動(dòng)機(jī)高溫聲襯的一種形式,主要應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道靠近核心機(jī)的內(nèi)環(huán)壁面,其工作環(huán)境處于高聲強(qiáng)噪聲與氣動(dòng)載荷聯(lián)合作用。實(shí)際作用在聲襯穿孔面的噪聲與氣動(dòng)載荷是高周脈動(dòng)壓力和低周氣動(dòng)壓力的疊加。

對(duì)于單側(cè)穿孔平板聲襯試件,穿孔板內(nèi)部與穿孔板外表面的壓力時(shí)刻相等。如圖2所示,穿孔板外表面受到的氣動(dòng)壓力會(huì)傳遞到無孔面板內(nèi)側(cè),實(shí)際承載的部位是無穿孔面,其內(nèi)側(cè)受疊加壓力:承受氣動(dòng)靜壓(p)和噪聲載荷(p′)。

2.2 靜壓加載系統(tǒng)

根據(jù)載荷分析,為了實(shí)現(xiàn)平板聲襯噪聲載荷與靜壓載荷聯(lián)合加載,在行波管側(cè)壁設(shè)計(jì)一套靜壓加載試驗(yàn)系統(tǒng):將平板聲襯試件安裝于靜壓加載裝置的夾具上,在試件無孔面通過靜壓加載裝置來實(shí)現(xiàn)有孔受聲面的等效靜壓加載,試件穿孔側(cè)面暴露于行波管內(nèi),最終實(shí)現(xiàn)平板聲襯試件的噪聲與靜壓載荷的聯(lián)合加載。

靜壓加載試驗(yàn)系統(tǒng)由靜壓加載裝置、真空計(jì)、真空泵、控制系統(tǒng)及配套管路等設(shè)備共同組成。如圖3所示,靜壓加載裝置是靜壓加載試驗(yàn)系統(tǒng)的主要組件,主要包括:試件、試件夾具、負(fù)壓腔、真空泵接口、真空蓋板、壓板、橡膠墊、減重板等主要部件,除減重板采用尼龍或其他輕質(zhì)材料以外,其余部件均采用Q235材料加工。為保證靜壓組件氣密性,試件與試件夾具之間設(shè)計(jì)密封槽,通過O型密封圈密封,真空蓋板與試件夾具之間設(shè)計(jì)了橡膠墊。

如圖4所示,靜壓加載裝置安裝在行波管試驗(yàn)段側(cè)壁上,真空計(jì)安裝在靜壓試驗(yàn)裝置外蓋板上,與控制系統(tǒng)相連用于測(cè)量真空度,即非穿孔面一側(cè)的氣壓,并將測(cè)量參數(shù)反饋給控制系統(tǒng),由控制系統(tǒng)可編程控制器(programmable logic controller，PLC)確定實(shí)際加載壓力值并控制真空泵的啟停,從而閉環(huán)控制負(fù)壓腔內(nèi)的氣壓,實(shí)現(xiàn)試件靜壓加載。

圖2 聲襯載荷特征Fig.2 Loading characteristics of acoustic liner

圖3 靜壓加載裝置Fig.3 Static pressureloading device

3 試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)載荷

試驗(yàn)在高聲強(qiáng)行波管內(nèi)進(jìn)行,試件通過靜壓試驗(yàn)裝置安裝在行波管試驗(yàn)段側(cè)壁上,試驗(yàn)原理如圖5所示。

噪聲載荷由電動(dòng)氣流揚(yáng)聲器產(chǎn)生,并采用噪聲控制系統(tǒng)根據(jù)高聲強(qiáng)傳聲器的測(cè)量結(jié)果對(duì)試驗(yàn)聲場(chǎng)進(jìn)行閉環(huán)控制。如圖6所示,噪聲載荷譜為寬帶隨機(jī)噪聲譜,采用掠入射加載方式,試驗(yàn)噪聲總聲壓級(jí)(overall sound pressure level,OASPL)為152 dB。

圖4 靜壓加載試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4 Static pressure loading system

圖5 聲載-靜載聯(lián)合試驗(yàn)示意圖Fig.5 Schematic diagram of acoustic-static test

圖6 噪聲加載頻譜Fig.6 Acoustic loading spectrum

氣動(dòng)壓力載荷由靜壓加載試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),試件無孔面安裝于負(fù)壓腔內(nèi),實(shí)驗(yàn)室當(dāng)?shù)卮髿鈮毫κ?6.9 kPa,通過靜壓加載系統(tǒng)控制負(fù)壓腔內(nèi)部的真空度達(dá)到28 kPa,加載控制精度為±1 kPa,即實(shí)際加載到試件的靜壓為67.9～69.9 kPa。

3.2 測(cè)量?jī)?nèi)容

試驗(yàn)中對(duì)試件的應(yīng)變、加速度進(jìn)行測(cè)試。傳感器粘貼位置如圖7所示,應(yīng)變片采用三線式,1/4橋線路接法,粘貼在試件穿孔面四邊中點(diǎn)距夾具邊 5 mm 處。加速度傳感器粘貼在試件穿孔面(紅點(diǎn)位置),其中1#測(cè)點(diǎn)位于試件中心，2#測(cè)點(diǎn)位于垂直對(duì)稱線1/4處，3#測(cè)點(diǎn)位于水平對(duì)稱線1/4處。

試驗(yàn)采用東華電測(cè)H9512動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)全程持續(xù)采集應(yīng)變數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)采樣率設(shè)為5 kHz。試驗(yàn)采用B & K 3660D測(cè)量系統(tǒng)對(duì)試件的加速度響應(yīng)進(jìn)行全程測(cè)試、分析,采樣頻率設(shè)為8 192 Hz。試驗(yàn)全程監(jiān)測(cè)試件應(yīng)變、加速度響應(yīng)峰值頻率。當(dāng)試件動(dòng)態(tài)響應(yīng)峰值頻率出現(xiàn)大于2%的變化時(shí),暫停試驗(yàn)并檢查試件。

試驗(yàn)前后對(duì)全部試件采用聲-超聲檢測(cè)來檢查蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)釬焊脫開情況,利用聲波在釬焊結(jié)構(gòu)件內(nèi)的傳播規(guī)律檢測(cè)焊接是否出現(xiàn)不連續(xù)。

1#～4#為測(cè)點(diǎn)圖7 動(dòng)應(yīng)變和加速度測(cè)點(diǎn)布置Fig.7 Strain and acceleration measuring points layout

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)6件鈦合金蜂窩平板試件分別開展聲載-靜載聯(lián)合試驗(yàn),試驗(yàn)過程中監(jiān)控響應(yīng)頻譜,未發(fā)現(xiàn)響應(yīng)共振峰有2%的偏移。

試驗(yàn)后目視6件試件,未見肉眼可見破壞。將6個(gè)試件試驗(yàn)前后無損檢測(cè)獲得的焊接情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì),分別記錄每個(gè)脫焊區(qū)域面積,結(jié)果如表2所示。根據(jù)無損檢測(cè)結(jié)果,6件鈦合金蜂窩試件經(jīng)過10 h的聲載-靜載聯(lián)合試驗(yàn)后,A型試件沒有出現(xiàn)局部脫焊,B型試件中有2件出現(xiàn)了局部脫焊。

B-2、B-3試件產(chǎn)生了新的釬焊脫開區(qū)域如圖8、圖9所示,其中紅圈為試驗(yàn)前檢測(cè)出的脫焊區(qū),白圈為試驗(yàn)后檢測(cè)出的脫焊區(qū)。

表2 無損檢測(cè)結(jié)果

圖8 B-2試件無損檢測(cè)結(jié)果Fig.8 Non-destructive inspection results of B-2

圖9 B-3試件無損檢測(cè)結(jié)果Fig.9 Non-destructive inspection results of B-3

B型試件的蜂窩高度為21 mm,相比于A型試件蜂窩高度15 mm增加了40%,說明在聲載-靜載聯(lián)合作用下,蜂窩芯體的高度增加使得蜂窩結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)脫焊。

4.2 結(jié)果分析

為了探究B-2和B-3試件在10 h的聲載-靜載聯(lián)合試驗(yàn)過程中出現(xiàn)局部脫焊的時(shí)間,展開分析其應(yīng)變和加速度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

首先提取B-2試件在試驗(yàn)初期和試驗(yàn)?zāi)┢诘?#應(yīng)變和加速度頻譜分別如圖10、圖11所示。

如圖10所示,可以發(fā)現(xiàn)B-2試件應(yīng)變一階峰值頻率由795 Hz下降到794 Hz；如圖11所示,加速度一階峰值頻率由794 Hz下降到791 Hz。從B-2試件的響應(yīng)頻譜可以發(fā)現(xiàn)其一階共振頻率在試驗(yàn)前后未發(fā)生明顯改變,即B-2試件的剛度在試驗(yàn)前后沒有發(fā)生明顯變化。

圖10 B-2試件2#應(yīng)變頻譜Fig.10 2# strain frequency spectrum of B-2

圖11 B-2試件2#加速度頻譜Fig.11 2# acceleration frequency spectrum of B-2

為了進(jìn)一步探究B-2試件在試驗(yàn)過程中有無異常,每隔1 h對(duì)B-2試件各個(gè)測(cè)點(diǎn)的均方根應(yīng)變和均方根加速度進(jìn)行處理,得到了B-2試件在10 h過程中均方根應(yīng)變與均方根加速度數(shù)據(jù)的變化曲線,分別如圖12(剔除了3#異常的應(yīng)變數(shù)據(jù))、圖13所示。如圖12所示,當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到第9小時(shí),均方根動(dòng)應(yīng)變數(shù)據(jù)發(fā)生了明顯的突變,推斷B-2試件在這個(gè)時(shí)間段發(fā)生了局部脫焊。如圖13所示,B-2試件整體的加速度響應(yīng)沒有發(fā)生明顯的變化,也證明了B-2試件的整體剛度沒有明顯變化。

接下來提取B-3試件2號(hào)應(yīng)變和2號(hào)加速度響應(yīng)在試驗(yàn)開始階段和試驗(yàn)結(jié)束階段的頻譜圖,如圖14、圖15所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)B-3試件的應(yīng)變和加速度一階共振頻率在試驗(yàn)初期和末期沒有發(fā)生變化。

為了進(jìn)一步探究B-3試件在試驗(yàn)過程中有無異常,提取B-3試件每隔1 h的均方根應(yīng)變和均方根加速度數(shù)據(jù),分別如圖16、圖17所示。從圖16可以明顯觀察到在前3 h,均方根動(dòng)應(yīng)變和加速度數(shù)據(jù)發(fā)生了一定的波動(dòng),推斷B-3試件可能在這個(gè)時(shí)間段發(fā)生了脫焊。

圖12 B-2試件均方根動(dòng)應(yīng)變變化Fig.12 RMS strain variations of B-2

圖13 B-2試件均方根加速度變化Fig.13 RMS acceleration variations of B-2

圖14 B-3試件2#應(yīng)變頻譜圖Fig.14 2# strain frequency spectrum of B-3

圖15 B-3試件2#加速度頻譜圖Fig.15 2# acceleration frequency spectrum of B-3

圖16 B-3試件均方根動(dòng)應(yīng)變變化Fig.16 RMS strain variations of B-3

圖17 B-3試件均方根加速度變化Fig.17 RMS acceleration variations of B-3

5 結(jié)論

為了研究鈦合金蜂窩聲襯在聲載-靜載聯(lián)合作用下的可靠性,提出并設(shè)計(jì)了一種聲載-靜載聯(lián)合試驗(yàn)方法及裝置,同時(shí)對(duì)蜂窩芯體高度不同的兩類聲襯進(jìn)行了10 h的耐久性試驗(yàn),得出如下結(jié)論。

(1)設(shè)計(jì)的靜壓加載試驗(yàn)系統(tǒng)可以有效模擬均布?xì)鈩?dòng)靜壓載荷,提出的聲載-靜載試驗(yàn)方法可以滿足聲襯平板件的強(qiáng)度試驗(yàn)需求。

(2)10 h的聲載-靜載聯(lián)合作用導(dǎo)致鈦合金蜂窩聲襯出現(xiàn)局部焊接失效,但未對(duì)試件整體剛度產(chǎn)生明顯影響。

(3)鈦合金蜂窩芯的高度是導(dǎo)致蜂窩結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部脫焊的因素之一,在聲載-靜載聯(lián)合作用下芯體高度的增加會(huì)導(dǎo)致蜂窩芯與面板更容易出現(xiàn)脫焊。