高溫環(huán)境下復(fù)合材料加筋壁板振動(dòng)/噪聲動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)破壞模式研究

孫玉昆，王和，2，陳國(guó)一，金龍，王明

（1.天津航天瑞萊科技有限公司沈陽(yáng)分部，沈陽(yáng) 110027；2.北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076）

引言

在航空航天技術(shù)飛速發(fā)展的21 世紀(jì)，各國(guó)的防空技術(shù)和反導(dǎo)技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)，攔截各類飛機(jī)和導(dǎo)彈的能力越來(lái)越強(qiáng)，高超音速飛行器逐漸成為目前公認(rèn)的最有效的新式裝備。高超音速飛行器在飛行過(guò)程中，翼舵結(jié)構(gòu)和防護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)處于嚴(yán)酷的熱噪/熱力環(huán)境中，極易發(fā)生失效破壞，對(duì)飛行器的安全造成嚴(yán)重威脅。為提升飛行器的可靠性，國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)針對(duì)耐高溫、耐噪聲、耐振動(dòng)的新式復(fù)合材料的研發(fā)開展了眾多研究。本文通過(guò)對(duì)一種復(fù)合材料加筋壁板進(jìn)行室溫振動(dòng)試驗(yàn)、高溫振動(dòng)試驗(yàn)、室溫噪聲試驗(yàn)、高溫噪聲試驗(yàn)，并在試驗(yàn)過(guò)程中采集高溫振動(dòng)及高溫噪聲下的加速度響應(yīng)，記錄了試驗(yàn)件的破壞形式以及復(fù)合材料加筋壁板動(dòng)態(tài)破壞時(shí)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(jì)和使用提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)技術(shù)方案

1.1 室溫/高溫振動(dòng)試驗(yàn)實(shí)施方案

室溫/高溫振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)包括振動(dòng)載荷加載系統(tǒng)、熱載荷施加系統(tǒng)及測(cè)量控制系統(tǒng)。振動(dòng)載荷加載系統(tǒng)：采用電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)，試驗(yàn)過(guò)程采用閉環(huán)控制；加熱系統(tǒng)：由石英燈加熱器組成，通過(guò)輻射加熱模擬熱載荷；測(cè)量控制系統(tǒng)包括加速度監(jiān)測(cè)/控制、溫度監(jiān)測(cè)控制、應(yīng)變信號(hào)實(shí)時(shí)采集：加速度監(jiān)測(cè)/控制-采用激光測(cè)振儀監(jiān)測(cè)試驗(yàn)件的振動(dòng)幅值響應(yīng)，實(shí)時(shí)記錄測(cè)量點(diǎn)時(shí)域、頻域數(shù)據(jù)和振動(dòng)響應(yīng)頻率降低的時(shí)間；溫度控制與監(jiān)測(cè)-在試驗(yàn)件上布置溫度傳感器，建立試驗(yàn)件整體溫度梯度，以便保持或驗(yàn)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(shí)時(shí)記錄測(cè)量點(diǎn)時(shí)域、頻域數(shù)據(jù)和振動(dòng)響應(yīng)頻率降低的時(shí)間。室溫/高溫振動(dòng)試驗(yàn)實(shí)施方案如圖1 所示。

圖1 室溫/高溫振動(dòng)試驗(yàn)實(shí)施方案

1.1.1 振動(dòng)載荷施加

振動(dòng)試驗(yàn)加載采用電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)，試驗(yàn)采用閉環(huán)4點(diǎn)平均控制，控制點(diǎn)位于試驗(yàn)工裝上靠近試驗(yàn)件的位置。試驗(yàn)中為防止試驗(yàn)過(guò)程中地回路干擾，控制傳感器螺接到絕緣塊上，再通過(guò)絕緣塊連接到控制點(diǎn)上。試驗(yàn)時(shí)將控制儀生成的驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)功率放大器逐級(jí)放大，然后驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)工作，同時(shí)控制點(diǎn)的響應(yīng)信號(hào)反饋回控制儀，將其與設(shè)定好的參考譜或量級(jí)進(jìn)行比較、修正，得出新的驅(qū)動(dòng)譜，如此反復(fù)，使控制譜達(dá)到并滿足試驗(yàn)控制精度要求。

試驗(yàn)過(guò)程中，信號(hào)采集和處理系統(tǒng)監(jiān)視控制點(diǎn)及測(cè)點(diǎn)響應(yīng)，具體振動(dòng)控制及測(cè)量過(guò)程見圖2。

圖2 振動(dòng)試驗(yàn)控制及測(cè)量過(guò)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(chǎng)靈活等特點(diǎn)，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(yàn)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(yàn)件為加筋壁板結(jié)構(gòu)且為單面加熱，將石英燈設(shè)計(jì)一個(gè)平板型，加熱器加熱區(qū)域700 mm*700 mm，遠(yuǎn)大于試驗(yàn)件的尺寸，保證試驗(yàn)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(jì)算機(jī)進(jìn)行比較、運(yùn)算和校正調(diào)節(jié)后的控制信號(hào)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(dòng)聯(lián)合加載情況下，溫度傳感器極易損壞，高溫振動(dòng)聯(lián)合試驗(yàn)采用開環(huán)電壓控制石英燈系統(tǒng)，即當(dāng)試驗(yàn)件上溫度測(cè)點(diǎn)達(dá)到溫度要求時(shí)，采用記錄的電壓值維持試驗(yàn)件溫度穩(wěn)定，以便防止溫度傳感器在振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中掉落或損壞，導(dǎo)致溫度控制系統(tǒng)異常。

1.1.3 振動(dòng)試驗(yàn)載荷及約束條件

振動(dòng)試驗(yàn)分別在室溫和高溫（700±20）℃（蒙皮溫度）條件下進(jìn)行，試驗(yàn)載荷譜為寬帶隨機(jī)振動(dòng)載荷，隨機(jī)振動(dòng)載荷有效值為30.96 GRMS。

試驗(yàn)件通過(guò)夾具固定在振動(dòng)臺(tái)上，試驗(yàn)件通過(guò)兩端邊的螺栓孔與夾具連接；試驗(yàn)件安裝時(shí)，通過(guò)力矩扳手保持?jǐn)Q緊力矩一致，使試驗(yàn)件固有振動(dòng)頻率保持一致。

1.2 室溫/高溫噪聲試驗(yàn)實(shí)施方案

噪聲試驗(yàn)采用單通道熱噪聲行波管進(jìn)行噪聲、溫度加載，試驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量采集系統(tǒng)等。試驗(yàn)件通過(guò)特定工裝與行波管進(jìn)行連接，試驗(yàn)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(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖3 所示。

圖3 室溫/高溫噪聲試驗(yàn)實(shí)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(jìn)行加載。聲源為1 個(gè)12 kw 電動(dòng)氣流揚(yáng)聲器。電動(dòng)氣流揚(yáng)聲器（簡(jiǎn)稱揚(yáng)聲器）由換能器（音頭）與專門設(shè)計(jì)的指數(shù)號(hào)筒組成。揚(yáng)聲器由空壓機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的低壓壓縮空氣驅(qū)動(dòng)發(fā)聲而產(chǎn)生行波聲場(chǎng)。聲譜通過(guò)輸入給換能器內(nèi)動(dòng)圈的控制信號(hào)進(jìn)行控制。

在行波管試驗(yàn)段上選擇兩點(diǎn)安裝傳聲器，取平均信號(hào)作為控制信號(hào)，設(shè)定（控制）譜為試驗(yàn)要求的聲譜。通過(guò)控制每個(gè)揚(yáng)聲器的輸入功率譜，調(diào)整行波聲場(chǎng)的聲譜，使每一路測(cè)量的聲信號(hào)與試驗(yàn)條件（聲譜）逼近，并最終達(dá)到一致（即滿足容差要求），具體噪聲試驗(yàn)控制及測(cè)量過(guò)程見圖4。

圖4 噪聲試驗(yàn)控制及測(cè)量過(guò)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(shí)施，熱載荷實(shí)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(jì)原則進(jìn)行聲場(chǎng)流道的設(shè)計(jì)，按照加熱功率及分區(qū)進(jìn)行加熱器的設(shè)計(jì)，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(chǎng)內(nèi)部，受到強(qiáng)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(jì)平面加熱器。整個(gè)加熱面分為1 個(gè)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(yàn)采用開環(huán)電壓控制加熱系統(tǒng)，即當(dāng)試驗(yàn)件上溫度測(cè)點(diǎn)達(dá)到溫度要求時(shí)，采用記錄的電壓值維持試驗(yàn)件溫度穩(wěn)定，以便防止溫度傳感器在噪聲試驗(yàn)過(guò)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(yàn)載荷及約束條件

試驗(yàn)載荷為寬帶隨機(jī)噪聲譜， 譜型按照GJB 150.17A-2009 中提供的標(biāo)準(zhǔn)譜執(zhí)行，總聲壓級(jí)為165.2 dB。

通過(guò)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)接夾具，將試驗(yàn)件通過(guò)兩側(cè)的安裝孔安裝在行波管試驗(yàn)段艙壁上，在安裝時(shí)，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(yàn)件的受試面（光面）作為行波管的一部分，暴露于聲激勵(lì)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)。

1.3 溫度、加速度及應(yīng)變測(cè)量方法

溫度測(cè)量方法：在高溫振動(dòng)及高溫噪聲試驗(yàn)前，需在試驗(yàn)件上布置溫度傳感器，以檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)溫度載荷下試驗(yàn)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(guò)程中選取5 點(diǎn)進(jìn)行，中心點(diǎn)K1 為溫度控制點(diǎn)，K2、K3、K4、K5 作為溫度測(cè)量點(diǎn)，以保證試驗(yàn)件各個(gè)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(jìn)行安裝，其引線采用膠接方式進(jìn)行固定。

圖5 溫度測(cè)點(diǎn)位置

加速度測(cè)量方法：振動(dòng)試驗(yàn)及噪聲試驗(yàn)的加速度測(cè)量均采用非接觸式紅外激光測(cè)振儀，VibroFlex 高性能單點(diǎn)式激光測(cè)振儀具有以下特點(diǎn)：紅外激光測(cè)振儀，具有極高靈敏度，對(duì)高溫環(huán)境下的測(cè)試具有高可靠性，特別是測(cè)試試驗(yàn)件處于高溫環(huán)境，其極高靈敏度使測(cè)試增加了高可靠性；高靈敏度光學(xué)頭，配置長(zhǎng)距離鏡頭，可遠(yuǎn)距離非接觸測(cè)試物體的振動(dòng)。不受物體材料性質(zhì)、溫度等的影響；光學(xué)頭具有自動(dòng)聚焦功能；信號(hào)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(dòng)態(tài)范圍，可測(cè)量從亞原子級(jí)微弱振動(dòng)到上百萬(wàn)g 強(qiáng)沖擊振動(dòng)；采樣頻率：（0～100）kHz。

2 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

2.1 室溫/高溫振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程

室溫振動(dòng)試驗(yàn)中，試驗(yàn)件按實(shí)際工作狀態(tài)安裝在專用夾具上，夾具剛性固定在振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈上，試驗(yàn)采用四點(diǎn)平均方式控制。控制點(diǎn)均位于試驗(yàn)件與夾具的剛性連接處。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)激光測(cè)振儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)件#01 在室溫下有效振動(dòng)時(shí)長(zhǎng)2 h 40 min 時(shí)，加速度響應(yīng)及應(yīng)變監(jiān)測(cè)頻率突降，檢查發(fā)現(xiàn)壁板的外側(cè)筋板出現(xiàn)橫向擴(kuò)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(duì)比（#01）

高溫振動(dòng)試驗(yàn)中，石英燈系統(tǒng)以1℃/s 的升溫速率開始加溫，待試驗(yàn)件溫度穩(wěn)定后，開始高溫振動(dòng)試驗(yàn)，各點(diǎn)溫度均符合（700±20）℃的容差要求，溫度控制/監(jiān)測(cè)曲線如圖7 所示。試驗(yàn)件#02、#03 分別在在高溫下有效振動(dòng)時(shí)長(zhǎng)第42 min、38 min 時(shí)，加速度響應(yīng)監(jiān)測(cè)頻率出現(xiàn)突降現(xiàn)象，檢查發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展裂紋均分布在壁板的外側(cè)筋板上。室溫振動(dòng)后通過(guò)與仿真計(jì)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(dòng)試驗(yàn)溫度控制/監(jiān)測(cè)曲線

2.2 室溫/高溫噪聲試驗(yàn)過(guò)程

室溫噪聲試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)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(yàn)段上，使得試驗(yàn)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(yàn)件的表面上。在行波管試驗(yàn)段上選擇兩點(diǎn)安裝傳聲器，分別位于試驗(yàn)件長(zhǎng)度1/4、3/4 位置處，取平均信號(hào)作為控制信號(hào)，設(shè)定（控制）譜為試驗(yàn)要求的聲譜，通過(guò)控制每個(gè)揚(yáng)聲器的輸入功率譜，調(diào)整行波聲場(chǎng)的聲譜，使每一路測(cè)量的聲信號(hào)與試驗(yàn)條件（聲譜）逼近，并最終達(dá)到一致（即滿足容差要求）。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)激光測(cè)振儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)件#04 在室溫下有效噪聲時(shí)長(zhǎng)5 h 32 min 時(shí)，加速度響應(yīng)監(jiān)測(cè)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(yàn)中，石英燈系統(tǒng)以1 ℃/s 的升溫速率開始加溫，待試驗(yàn)件溫度穩(wěn)定后，開始高溫振動(dòng)試驗(yàn)，各點(diǎn)溫度均符合（450±15）℃的容差要求，溫度控制/監(jiān)測(cè)曲線如圖8 所示。試驗(yàn)件#05、#06 分別在在高溫有效噪聲時(shí)長(zhǎng)第2 h 55 min、2 h 37 min 時(shí)，加速度響應(yīng)監(jiān)測(cè)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(guò)與仿真計(jì)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(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖8 高溫噪聲試驗(yàn)溫度控制/監(jiān)測(cè)曲線

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)某復(fù)合材料加筋壁板進(jìn)行室溫/高溫下的振動(dòng)試驗(yàn)、噪聲試驗(yàn)，得到該試驗(yàn)件的破壞位置、響應(yīng)變化結(jié)果及破壞時(shí)間，振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 室溫/高溫振動(dòng)、噪聲試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)復(fù)合材料加筋壁板的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)破壞模式問題，分別設(shè)計(jì)了室溫和高溫環(huán)境下的振動(dòng)/噪聲試驗(yàn)實(shí)施技術(shù)方案，同時(shí)選用非接觸式測(cè)試方法測(cè)試加速度響應(yīng)信號(hào)，全時(shí)段采集高溫下的試件響應(yīng)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)件破壞時(shí)間。將室溫下振動(dòng)/噪聲試驗(yàn)的結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比，試驗(yàn)件響應(yīng)頻率、破壞位置與仿真結(jié)果一致，表明了試驗(yàn)方法的有效性。

通過(guò)實(shí)際的試驗(yàn)實(shí)施，驗(yàn)證了高溫振動(dòng)及高溫噪聲試驗(yàn)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(dòng)和噪聲分別影響下的破壞時(shí)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(duì)于改進(jìn)工藝及結(jié)構(gòu)有參考意義。