火箭增壓管路多點(diǎn)隨機(jī)激勵(lì)試驗(yàn)技術(shù)研究

丁鎮(zhèn)軍，丁富海，王 喆，陳貴齡，史淑娟

（1. 北京強(qiáng)度環(huán)境研究所；2. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所：北京 100076）

火箭增壓管路多點(diǎn)隨機(jī)激勵(lì)試驗(yàn)技術(shù)研究

丁鎮(zhèn)軍1，丁富海1，王 喆1，陳貴齡1，史淑娟2

（1. 北京強(qiáng)度環(huán)境研究所；2. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所：北京 100076）

文章介紹了一種改進(jìn)的管路試驗(yàn)方法——多點(diǎn)隨機(jī)激勵(lì)試驗(yàn)技術(shù)。根據(jù)管路自身的特點(diǎn)，該方法可以更加真實(shí)地模擬管路的工作環(huán)境。通過試驗(yàn)獲得了在不同相干和相位條件下管路動(dòng)態(tài)響應(yīng)的變化規(guī)律。結(jié)果表明：相位和相干都可以改變管路動(dòng)態(tài)響應(yīng)，這可為管路多點(diǎn)振動(dòng)試驗(yàn)條件的設(shè)計(jì)或選取提供依據(jù)。

增壓管路；多點(diǎn)振動(dòng)；自譜；互譜

0 引言

管路系統(tǒng)是航天動(dòng)力系統(tǒng)的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)完整性的要求與整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)一致，按照功能可分為輸送、增壓、排焰等。由于功能不同，管路所承受力學(xué)綜合環(huán)境各有差異。為了考核多種載荷環(huán)境綜合作用下管路的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及密封性能，需要在地面對(duì)管路系統(tǒng)進(jìn)行力學(xué)環(huán)境的模擬試驗(yàn)[1-4]。

管路在發(fā)射段經(jīng)受的載荷環(huán)境包括由發(fā)動(dòng)機(jī)、噪聲等引起的振動(dòng)和由液體輸送、增壓管內(nèi)的氣體運(yùn)動(dòng)等帶來(lái)的振動(dòng)。管路采用支架-卡箍的形式固定，而支架-卡箍數(shù)量多、分布廣，每個(gè)支架-卡箍的固定點(diǎn)都應(yīng)視作振動(dòng)輸入點(diǎn)。管路系統(tǒng)復(fù)雜，很難用單個(gè)振動(dòng)臺(tái)模擬所有的振動(dòng)輸入源。

以往的試驗(yàn)方法，針對(duì)大跨度、空間管路，有的采用將管路截短后放置在一個(gè)振動(dòng)臺(tái)上，有的將試驗(yàn)條件作為自譜進(jìn)行多個(gè)振動(dòng)臺(tái)同步加載，由于它們未將相干、相位作為試驗(yàn)的條件因素，所以無(wú)法真實(shí)反映管路實(shí)際的振動(dòng)環(huán)境。管路作為細(xì)長(zhǎng)體結(jié)構(gòu)件，振動(dòng)激勵(lì)位置的分布和能量的控制非常重要，如果控制不當(dāng)則會(huì)導(dǎo)致過試驗(yàn)或欠試驗(yàn)。最新美軍標(biāo)明確指出，多點(diǎn)振動(dòng)試驗(yàn)方法應(yīng)用于細(xì)長(zhǎng)體產(chǎn)品的振動(dòng)試驗(yàn)，其優(yōu)點(diǎn)在于可通過控制的方式將激勵(lì)能量有效地分布并加載到試驗(yàn)產(chǎn)品上[5]。

為了更好地模擬管路的力學(xué)振動(dòng)環(huán)境，本文介紹了一種管路多點(diǎn)激勵(lì)試驗(yàn)方法，通過試驗(yàn)獲得了不同狀態(tài)下的響應(yīng)規(guī)律，為管路多點(diǎn)激勵(lì)試驗(yàn)條件的模擬與表征提供依據(jù)[6]。

1 管路兩點(diǎn)激勵(lì)響應(yīng)計(jì)算方法

本文選取直管作為研究對(duì)象，并采用兩點(diǎn)對(duì)稱激勵(lì)進(jìn)行加載，模型如圖1所示。兩個(gè)激勵(lì)點(diǎn)位置代表管路在艙壁上的兩個(gè)固定點(diǎn)。F表示輸入激勵(lì)力，V1、V2表示兩點(diǎn)輸入的加速度響應(yīng)，V0表示管路上任意一點(diǎn)的響應(yīng)。

圖1 兩點(diǎn)激勵(lì)輸入Fig. 1 Dual inputs of motion excitation

在頻域中，系統(tǒng)的激勵(lì)與響應(yīng)可表示為

式中：V為加速度響應(yīng)；H為頻響函數(shù)；F為激勵(lì)力；下標(biāo)為位置。

管路上任意一點(diǎn)的V0加速度響應(yīng)為

將式(1)代入式(2)，可得

可表示為

其中T為運(yùn)動(dòng)傳遞率，即：

由式(4)可以得到管路上任意一點(diǎn)加速度響應(yīng)功率譜為

又可表示為

其中：G為加速度響應(yīng)功率譜；V*、T*代表共軛矩陣。

2 管路多點(diǎn)激勵(lì)試驗(yàn)方法

2.1 多點(diǎn)振動(dòng)控制理論

多點(diǎn)控制主要基于MIMO線性系統(tǒng)理論[7-12]。對(duì)于一個(gè) MIMO線性系統(tǒng)，其輸入輸出之間的譜矩陣可表述為

式中：Syy和Suu分別為響應(yīng)譜矩陣和驅(qū)動(dòng)譜矩陣；C為系統(tǒng)傳遞函數(shù)矩陣。

對(duì)于設(shè)定的參考控制譜矩陣R，由式(8)可以得到理想的驅(qū)動(dòng)譜矩陣為

其中A=C-1，為系統(tǒng)的補(bǔ)償矩陣。對(duì)驅(qū)動(dòng)譜和參考譜分別做Cholesky分解，得到：

將式(10)、式(11)代入式(9)，則有：

根據(jù)譜矩陣的性質(zhì)，式(13)中U就是驅(qū)動(dòng)信號(hào)的傅里葉變換。由于參考矩陣R的自譜元素缺乏相位信息，對(duì)其進(jìn)行相位隨機(jī)化處理，令

對(duì)式(14)進(jìn)行逆傅里葉變換，就可以得到時(shí)域的隨機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)不同振動(dòng)臺(tái)并進(jìn)行反饋計(jì)算修正即可完成多點(diǎn)振動(dòng)的控制。

2.2 多點(diǎn)激勵(lì)加載方法

本文采用在管路兩端安裝卡箍和夾具，再將夾具固定在振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面上以模擬安裝狀態(tài)。

多維振動(dòng)試驗(yàn)通常需要解耦，而解耦系統(tǒng)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。對(duì)于位移較小的試驗(yàn)，可采用機(jī)械式球頭聯(lián)接器將支架和振動(dòng)臺(tái)相連，通過球頭的作用，使每個(gè)振動(dòng)臺(tái)都能正常工作，從而實(shí)現(xiàn)管路多點(diǎn)振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)解耦。管路中心布置一個(gè)加速度測(cè)點(diǎn)，中心兩側(cè)各均勻布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，總計(jì)7個(gè)加速度測(cè)點(diǎn)。

3 多點(diǎn)激勵(lì)下管路響應(yīng)分析

試驗(yàn)分別分析了全相干/相位0°、全相干/相位180°、全不相干、相干余數(shù)0.5/相位0°四種狀態(tài)下加速度響應(yīng)變化規(guī)律。試驗(yàn)中，控制點(diǎn)位于球頭與夾具連接處。圖2為試驗(yàn)所用的加速度參考譜。

圖2 加速度參考譜形Fig. 2 Reference spectrum of control acceleration

表1為不同相干、相位條件下各個(gè)測(cè)點(diǎn)加速度響應(yīng)的方均根值。

表1 不同條件下管路各測(cè)點(diǎn)加速度響應(yīng)方均根值(g)Table 1 RMS of each dynamic response of pipeline under various test conditions (g)

圖3為全相干/相位0°、全相干/相位180°、全不相干、相干系數(shù)0.5/相位0°狀態(tài)下各個(gè)測(cè)點(diǎn)加速度響應(yīng)對(duì)比?？梢钥闯觯蠖鄶?shù)測(cè)點(diǎn)同相位所激發(fā)的能量要比反相位的大。表2為管路上各測(cè)點(diǎn)一階頻率處的譜密度值對(duì)比，在相位180°的情況下，測(cè)點(diǎn)的一階頻率的譜密度值與其他狀態(tài)下最大相差約205倍，究其原因是該階模態(tài)響應(yīng)較小，模態(tài)無(wú)法激勵(lì)出來(lái)。

圖3 不同試驗(yàn)狀態(tài)下各測(cè)點(diǎn)加速度響應(yīng)對(duì)比Fig. 3 Comparison curves of acceleration PSD of various measurement points under different test conditions

表2 各測(cè)點(diǎn)一階頻率處的功率譜密度值Table 2 PSD at the first order of frequency for various dynamic responses

結(jié)合表1和表2可以看出，不同的相干系數(shù)條件下，全相干的管路響應(yīng)最大，向下依次為相干系數(shù)0.5和全不相干。全相干/相位0°與相干系數(shù)0.5的曲線整體上較為吻合，各測(cè)點(diǎn)一階頻率處的譜密度值相差1.1倍左右。全相干/相位0°與全不相干狀態(tài)下，各測(cè)點(diǎn)一階頻率處的譜密度值相差2倍左右。

試驗(yàn)研究分析結(jié)果表明，相干、相位均可以影響管路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在以后的地面試驗(yàn)中，如果需要提高管路振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)M的真實(shí)度，需要進(jìn)行飛行環(huán)境測(cè)量?？紤]目前試驗(yàn)條件多用加速度響應(yīng)進(jìn)行條件的制定，可在管路系統(tǒng)上關(guān)心的位置進(jìn)行加速度測(cè)量，也可測(cè)量力、應(yīng)變等參數(shù)。通過多個(gè)子樣的統(tǒng)計(jì)分析，來(lái)制定多點(diǎn)振動(dòng)控制譜，以便更加真實(shí)地模擬工作環(huán)境。通過實(shí)測(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行管路系統(tǒng)的疲勞損傷分析，評(píng)估其工作壽命。

4 結(jié)論

本文研究了火箭增壓管路多點(diǎn)隨機(jī)激勵(lì)試驗(yàn)技術(shù)，分析了不同試驗(yàn)狀態(tài)下管路的響應(yīng)規(guī)律，結(jié)果表明：

大學(xué)生在校期間要依據(jù)社會(huì)現(xiàn)狀和自己的個(gè)人條件，樹立切實(shí)可行的職業(yè)理想，設(shè)定自己的奮斗目標(biāo)，職業(yè)理想會(huì)隨著時(shí)間的推移而有所改變，人生就是在樹立理想到實(shí)現(xiàn)理想的道路上奔波，最終繪制出自己的藍(lán)圖。

1）多點(diǎn)隨機(jī)振動(dòng)條件下，管路的響應(yīng)在全相干/相位 0°條件下最大。不同的試驗(yàn)狀態(tài)下，各測(cè)點(diǎn)響應(yīng)的方均根值最大相差36%。

2）相干和相位可以改變最大響應(yīng)點(diǎn)的位置。

3）兩點(diǎn)對(duì)稱激勵(lì)下，反相位激勵(lì)無(wú)法激勵(lì)出管路一階彎曲模態(tài)，相干則會(huì)影響管路所激發(fā)的能量。

4）在進(jìn)行管路多點(diǎn)振動(dòng)的試驗(yàn)過程中，需要根據(jù)試驗(yàn)考核的具體要求，來(lái)制定自譜、互譜信息明確的多點(diǎn)振動(dòng)控制譜矩陣，增加地面試驗(yàn)考核的真實(shí)性。

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Multi-exciter random vibration test for rocket pressurized pipeline

DING Zhenjun1, DING Fuhai1, WANG Zhe1, CHEN Guiling1, SHI Shujuan2
(1. Beijing Institute of Structure and Environment Engineering;2. Beijing Institute of Aerospace System Engineering: Beijing 100076, China)

An improved method for the pipeline environment test, the multi-dimensional vibration technique, is proposed in this paper. With the method, the working environment of the pipeline system can be more precisely simulated. The variation characteristics of the pipeline are obtained with different coherences and phases in the multi-dimensional vibration. The results indicate that both the coherence and the phase play an important role in the pipeline dynamic response. This information may serve as a reference for the simulation and the characterization of the PSD matrix during the pipeline multi-dimensional vibration test.

pressurized pipeline; multi-exciter vibration; self-power spectrum; cross-power spectrum

O324

A

1673-1379(2017)05-0500-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.05.008

2017-04-20；

2017-09-13

丁鎮(zhèn)軍, 丁富海, 王喆, 等. 火箭增壓管路多點(diǎn)隨機(jī)激勵(lì)試驗(yàn)技術(shù)研究[J]. 航天器環(huán)境工程, 2017, 34(5): 500-504 DING Z J, DING F H, WANG Z, et al. Multi-exciter random vibration test for rocket pressurized pipeline[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(5): 500-504

（編輯：肖福根）

丁鎮(zhèn)軍（1984—），男，碩士學(xué)位，研究方向?yàn)槎嗑S振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)與應(yīng)用。E-mail: jazzy_dzj@hotmail.com。