某風(fēng)洞噴管段大型柔板結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測試驗研究

朱文杰, 秦建華, 顧海濤, 李 平

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 高速空氣動力研究所,四川 綿陽 621000)

噴管段是風(fēng)洞最重要的核心部段之一,其安全性、可靠性、準(zhǔn)確成型直接影響風(fēng)洞試驗的流場品質(zhì),是獲得高性能流場的關(guān)鍵[1]。某工程大型風(fēng)洞采用半撓性壁噴管,其具有結(jié)構(gòu)尺寸大、成型精度要求高、執(zhí)行機構(gòu)多等特征。噴管柔板成型需通過多組執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動型面組件實現(xiàn),如何確保成型過程的安全性和可靠性至關(guān)重要,其中柔板變形是最為重要的環(huán)節(jié)。

在柔板成型過程中需要承受執(zhí)行機構(gòu)推(拉)力、機械結(jié)構(gòu)的自重和氣動載荷等共同作用,局部容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,尤其是執(zhí)行機構(gòu)發(fā)生故障(如別卡、出力不均[2]等異常)時,可能會對柔板產(chǎn)生損傷,甚至帶來破壞性的影響[3]。因此,實現(xiàn)柔板結(jié)構(gòu)應(yīng)力信息的動態(tài)、實時監(jiān)測,并結(jié)合柔板材料性能、許用應(yīng)力等信息對故障進(jìn)行預(yù)警,對于噴管調(diào)試、安全可靠運行具有重要意義。

為保障某風(fēng)洞噴管段大型柔板結(jié)構(gòu)調(diào)試、運行過程中的安全可靠,首先根據(jù)其結(jié)構(gòu)、尺寸和材料屬性等進(jìn)行幾何建模,通過有限元方法分析計算,得到柔板在全行程變形過程中應(yīng)力集中的區(qū)域;然后根據(jù)理論計算結(jié)果,布設(shè)必要的電阻應(yīng)變計監(jiān)測點,建立了多通道實時應(yīng)變、應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng);最后,對柔板典型使用工況下運行過程中同步實時采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。實測數(shù)據(jù)與有限元方法計算結(jié)果的一致性較好,驗證了理論計算方法與所建立的監(jiān)測系統(tǒng)的正確性和有效性,確保了該大型柔板結(jié)構(gòu)變形過程中的安全可靠,為風(fēng)洞柔板結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)的計算分析、設(shè)計和實現(xiàn)積累了經(jīng)驗。本文所采用的分析、設(shè)計方法及建立的系統(tǒng)也可為其他類似結(jié)構(gòu)的應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和實施提供借鑒。

1 監(jiān)測對象結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

某風(fēng)洞大型柔性板長7 860 mm、寬4 790 mm、厚40 mm,為結(jié)構(gòu)鋼材料。柔板材料的關(guān)鍵設(shè)計指標(biāo)如下:楊氏彈性模量2.03×105MPa,設(shè)計許用應(yīng)力400 MPa[4]。柔板共上/下2塊,相對于風(fēng)洞軸線呈對稱分布,如圖1所示。柔板正面為氣流型面,需保持表面光滑,不布設(shè)傳感器,傳感器網(wǎng)絡(luò)只布設(shè)在柔板背面。背面安裝6組鉸鏈座,用于連接執(zhí)行機構(gòu)和柔板。柔板中間配置有6組執(zhí)行機構(gòu),如圖2所示,每組執(zhí)行機構(gòu)通過2個伺服油缸同步驅(qū)動,使柔板發(fā)生變形,從而形成所需的型面。

圖1 柔板結(jié)構(gòu)及其安裝示意圖

圖2 執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

柔板在噴管段出口端通過螺栓與安裝框架固定連接,另一端為自由隨動結(jié)構(gòu),以確保柔板在彎曲變形過程中可沿風(fēng)洞軸線方向進(jìn)行一定距離的伸縮移動。連接柔板的6組鉸鏈座的位置參數(shù)如圖3所示。

圖3 各鉸鏈點的分布位置

1.2 使用工況

在聲速型面即Ma=1時,驅(qū)動油缸回縮,柔板整體向上下安裝框架方向彎曲,最大變形量約82 mm;在超聲速型面即Ma>1.0時,柔板整體向風(fēng)洞內(nèi)流道軸線方向彎曲,最大變形發(fā)生在Ma=1.6時,最大變形量約209 mm。Ma=1和Ma=1.6工況下對應(yīng)的6組執(zhí)行機構(gòu)的理論目標(biāo)位置如表1所示。

表1 Ma=1和Ma=1.6工況下執(zhí)行機構(gòu)理論目標(biāo)位置

表1的數(shù)值以柔板結(jié)構(gòu)零位(即柔板不變形時的平直自由狀態(tài))為參考,油缸伸出數(shù)值為正,油缸縮回數(shù)值為負(fù),10#節(jié)點對應(yīng)柔板出口。

1.3 預(yù)期目標(biāo)

開展本項研究旨在積累試驗數(shù)據(jù),掌握柔板變形過程中最大應(yīng)力范圍和應(yīng)力集中區(qū)域,驗證有限元計算分析方法的準(zhǔn)確性,為開展此類大型柔板結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選型和應(yīng)用提供參考和指導(dǎo);同時,為柔板的安全可靠運行提供在線實時監(jiān)測和預(yù)警,以確保設(shè)備運行安全可靠。

主要技術(shù)指標(biāo)包括:材料設(shè)計許用應(yīng)力不小于400 MPa;應(yīng)變柵尺寸≤(4±2) mm×(4±2) mm;應(yīng)力監(jiān)測范圍-600～600 MPa;應(yīng)力監(jiān)測精度優(yōu)于±8 MPa;應(yīng)變采集系統(tǒng)精度優(yōu)于1‰。

2 應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 監(jiān)測點選取

為確定合理的應(yīng)力監(jiān)測點的布設(shè)位置,盡可能準(zhǔn)確地反映柔板的變形和受力情況,需要了解柔板結(jié)構(gòu)在整個變形過程中的應(yīng)力集中區(qū)域,為此根據(jù)第1節(jié)所述的柔板結(jié)構(gòu)的幾何尺寸和材料屬性,建立圖4所示的仿真計算模型[5-6]。因為該風(fēng)洞柔板為上下對稱結(jié)構(gòu),所以只對單側(cè)面進(jìn)行建模分析。

圖4 邊界條件及施加約束圖示

對圖4所示的模型施加邊界和約束條件:在G位置(即柔板的右側(cè)端面)施加固定約束,模擬噴管段出口的柔板固定連接工況;根據(jù)圖3所示的幾何尺寸,在圖4中的A～F點位置按照表1中的數(shù)值分別施加對應(yīng)的位移約束。

Ma=1.6工況下對應(yīng)的柔板法向應(yīng)力值計算結(jié)果如圖5所示?？梢钥吹?應(yīng)力集中區(qū)分散在各個連接鉸鏈的位置,并且在6#節(jié)點附近位置(對應(yīng)圖4中的C處)為整個柔板成型彎曲過程中法向應(yīng)力最大的位置,約為79.41 MPa。由于柔板上下面一面伸展,應(yīng)力值為正,另一面則壓縮,應(yīng)力值為負(fù),故圖5中云圖顯示的±79.41 MPa實際為柔板同一個縱向截面的正反兩面應(yīng)力值。

圖5 Ma=1.6工況下型面對應(yīng)各節(jié)點柔板受力計算結(jié)果

圖6給出了Ma=1工況下對應(yīng)的柔板型面法向應(yīng)力值計算結(jié)果。可以得到與圖5類似的結(jié)論,只是此時6組執(zhí)行機構(gòu)對應(yīng)的目標(biāo)位移值均為負(fù)值,故柔板整體變形方向與圖5相反。從圖6中可以看出,Ma=1時柔板局部應(yīng)力集中區(qū)也為6#節(jié)點附近位置,應(yīng)力最大值約為59 MPa。

圖6 Ma=1工況下型面對應(yīng)各節(jié)點柔板受力計算結(jié)果

根據(jù)上述有限元分析計算結(jié)果,柔板成型過程中應(yīng)力集中的區(qū)域主要分布在6組執(zhí)行結(jié)構(gòu)與柔板的連接鉸鏈位置,因此應(yīng)變片應(yīng)盡可能布設(shè)在靠近6組鉸鏈座附近的位置。同時考慮到被測型面尺寸較大,為防止圖5和圖6中y軸同一條直線方向上的局部應(yīng)力集中,靠近每一列鉸鏈的同一個y方向上均勻布設(shè)上中下3組應(yīng)變片,并在柔板的兩端加設(shè)2列應(yīng)變片,以監(jiān)測局部別卡的情況,應(yīng)變片布置位置如圖7所示。上、下柔板各布置8組、每組3個應(yīng)力測點,測點主要布設(shè)在柔板鉸鏈和柔板出口連接等區(qū)域。上、下柔板的布設(shè)位置和數(shù)量完全相同,共計48個測點,各測點采用單向箔式電阻應(yīng)變計,測量柔板沿風(fēng)洞軸線方向的應(yīng)力。

圖7 柔板應(yīng)力測點布置示意圖

2.2 應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測原理

由于該風(fēng)洞噴管段結(jié)構(gòu)尺寸較大,最大高度和長度約20 m,需要敷設(shè)的應(yīng)變計測量導(dǎo)線較長,而應(yīng)變計測得的為微應(yīng)變,微小量容易受到干擾。為盡量減小長導(dǎo)線帶來的附加影響,同時兼顧施工現(xiàn)場的惡劣環(huán)境,選用三線制且具有導(dǎo)線溫度自補償功能的金屬箔式電阻應(yīng)變計,采用1/4橋惠斯通電橋連接方式[7],電橋原理及連接如圖8所示。

圖8 三線制電阻應(yīng)變計電路連接原理

圖8中r1、r2、r3代表3根等長導(dǎo)線的電阻值,3根導(dǎo)線處于相同的工作環(huán)境中,受環(huán)境影響的電阻值變化量基本相同。Rg為電阻應(yīng)變片電阻值,R2、R3、R4為等值的橋臂電阻。導(dǎo)線電阻r1串聯(lián)到應(yīng)變片Rg,導(dǎo)線電阻r2串聯(lián)到R2,導(dǎo)線電阻r3成為電橋的外側(cè)。UE為施加于橋路的標(biāo)準(zhǔn)電壓,Uo為橋路輸出電壓,則有:

(1)

式中:ΔUr3為導(dǎo)線r3上的壓降;Ui為等效電橋激勵電壓。

假設(shè)r1=r2=r3=r,Rg=R2=R3=R4=R,Rg有一個微小變化ΔR,r1和r2有一微小變化Δr,則式(1)可寫為

(2)

r+Δr、ΔR相比R為微小量,可略去,則有:

(3)

由式(1)和式(2)可知,通過采用三線制電阻應(yīng)變計將2根等長導(dǎo)線接入電橋相鄰的2個橋臂,可使由環(huán)境等因素引起的長導(dǎo)線電阻值干擾誤差同步變化,在相鄰2個橋臂輸出電壓相減過程中抵消,從而可消除長導(dǎo)線電阻變化引起的誤差。

將電橋輸出電壓信號值Uo接入應(yīng)變放大器,則有:

UF=KFUo

(4)

式中:KF為放大器放大倍數(shù)。

從而得到:

(5)

材料的應(yīng)力計算公式為

σ=Eε

(6)

式中:E為材料的楊氏彈性模量,本文所用材料的楊氏模量為2.03×105MPa。由此,便可由電阻應(yīng)變計的應(yīng)變得到材料所受的應(yīng)力值。

2.3 應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)應(yīng)用工況需求,所選用的應(yīng)變片型號為SAK120-3-C型箔式應(yīng)變片,如圖9所示。該應(yīng)變片主要技術(shù)參數(shù):標(biāo)稱阻值120 Ω,敏感柵尺寸2.8 mm×2 mm,基底尺寸6.4 mm×3.5 mm,精度±1%FS。改型應(yīng)變片滿足1.3節(jié)所列預(yù)期技術(shù)指標(biāo)要求。

圖9 應(yīng)變片實物圖

應(yīng)力采集系統(tǒng)選用DH3815N型便攜式應(yīng)變測試系統(tǒng),該應(yīng)變采集系統(tǒng)內(nèi)置120 Ω 標(biāo)準(zhǔn)橋路電阻,測量應(yīng)變范圍可達(dá)±20 000 με,最高分辨率1 με,每個采集箱可采測16個通道,不同機箱之間可通過RS485總線進(jìn)行串聯(lián)擴展。由式(3)計算可得,上述應(yīng)變采集系統(tǒng)參數(shù)均滿足并優(yōu)于1.3節(jié)所列預(yù)期技術(shù)指標(biāo)。采集系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 應(yīng)變采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 應(yīng)力監(jiān)測試驗與分析

在調(diào)試運行現(xiàn)場,通過對多組油缸的同步、協(xié)調(diào)驅(qū)動控制,帶動柔板彎曲成型。上柔板應(yīng)變片整體布設(shè)完成后如圖11所示。

圖11 單個柔板型面應(yīng)變片布設(shè)完成實物

型面驅(qū)動機構(gòu)操控軟件和狀態(tài)監(jiān)視軟件運行過程中的截圖如圖12和圖13所示。圖12顯示的為Ma=1.6目標(biāo)位置上下型面聯(lián)動成型工況。

圖12 驅(qū)動控制軟件運行界面

圖13 狀態(tài)監(jiān)控軟件運行界面

從圖13的狀態(tài)監(jiān)控界面中可以看到,雖然同一個節(jié)點處的2個驅(qū)動油缸的實時位移、速度能夠?qū)崿F(xiàn)同步,但某些節(jié)點處2個油缸出力大小并不完全一致,經(jīng)對機械結(jié)構(gòu)排查,這是由實際裝配間隙、局部摩擦、別卡等因素導(dǎo)致的。故在柔板成型過程中需要時刻關(guān)注其受力情況,防止局部應(yīng)力過大,此時需及時停機,檢查并消除故障后再運行,以防止設(shè)備或機構(gòu)損壞。

在通過圖12所示的操控界面驅(qū)動型面變形過程中,應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件同步運行,以2 Hz采樣速率采集應(yīng)變數(shù)據(jù)并實時顯示和保存。在應(yīng)力采集軟件中設(shè)置了應(yīng)力報警閾值,運行過程中當(dāng)某一采集通道局部應(yīng)力異常偏高時會及時高亮顯示,提示監(jiān)測人員及時采取應(yīng)急保護(hù)措施。

圖14為Ma=1.6工況下6#節(jié)點(即圖4中靠近C處一列鉸鏈)粘貼的3處應(yīng)變片的應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果。圖14反應(yīng)了對應(yīng)型面從零位到目標(biāo)位置而后又回到零位的整個變化過程測得的應(yīng)力數(shù)據(jù),運行過程中采用階梯逼近目標(biāo)位置成型模式。從圖14可以得到如下結(jié)論:

圖14 Ma=1.6工況下同一列6#節(jié)點3個應(yīng)力測點曲線

① 正常運行無故障時,柔板成型過程中y軸方向上同一列的3處監(jiān)測位置的受力大小基本一致,且同步變化。

② 同一列3處應(yīng)變片采集到的應(yīng)力值存在一定差異,這是由于應(yīng)變片粘貼狀況,如角度、平整度存在差異,或是柔板安裝水平度、裝配間隙等存在一定差異,亦或是同一列的2個驅(qū)動油缸運動特性存在一定差異引起的。這一結(jié)論也與圖13中兩個油缸出力存在一定差異的結(jié)論互相印證。

③ 柔板從零位運行到目標(biāo)位置,再回到零位之后,應(yīng)變片采集到的應(yīng)力數(shù)據(jù)并不能立刻回到0值,而是仍存在25～35 MPa左右的殘余應(yīng)力,需要一定的時間才能緩慢回到0值附近,這是由于粘貼應(yīng)變片本身變形后并不能立刻恢復(fù),應(yīng)力不能立刻釋放。

④ 圖14中6#位置最大應(yīng)力值86.07 MPa,與圖5有限元計算的最大值79.41 MPa較為接近,且均小于材料的設(shè)計許用應(yīng)力,有較大的安全裕度,驗證了理論計算方法的正確性和有效性。

Ma=1.6下工況成型過程中全部8個位置應(yīng)力監(jiān)測點采集到的數(shù)據(jù)如圖15所示。從圖15中可以看出在柔板成型過程中,各處應(yīng)力變化趨勢基本相同,6#位置附近為應(yīng)力最為集中區(qū)域,這一結(jié)論也與圖5有限元計算得到的應(yīng)力集中區(qū)域結(jié)論一致。

圖15 Ma=1.6工況下型面成型過程中所有測點曲線

Ma=1.0工況下型面成型過程中6#節(jié)點和所有測點應(yīng)力曲線如圖16和圖17所示,由此可以得出和圖14、圖15類似的結(jié)論,此處不再贅述。從圖17中可以看出,最大應(yīng)力值為-64.55 MPa,與圖6有限元計算的-59.00 MPa也較為接近。

圖16 Ma=1工況下型面成型過程中6#節(jié)點3個測點應(yīng)力曲線

圖17 Ma=1工況下型面成型過程中所有測點應(yīng)力曲線

4 結(jié)束語

本文對某風(fēng)洞噴管段大型柔板結(jié)構(gòu)運行過程中的應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計、實施及試驗驗證進(jìn)行了研究。通過理論計算為應(yīng)力監(jiān)測點的設(shè)置提供了指導(dǎo),建立了完整的應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng),實測值與理論計算值一致性較好,驗證了理論計算和實際系統(tǒng)的正確性和方法的有效性,達(dá)到了研究的預(yù)期目標(biāo),有效地保障了某風(fēng)洞大型柔板系統(tǒng)關(guān)鍵部件調(diào)試運行的安全可靠,并為其他風(fēng)洞類似機構(gòu)的應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)的計算分析、設(shè)計和實施積累了經(jīng)驗。但同時在試驗過程中也發(fā)現(xiàn),粘貼式電阻應(yīng)變片測得的應(yīng)力值在柔板從變形狀態(tài)回到零位后并不能很快回0,重復(fù)性和響應(yīng)的快速性有待進(jìn)一步驗證,后續(xù)工作中將在改進(jìn)布設(shè)工藝、優(yōu)化控制和測試流程等方面進(jìn)行完善。