球形撓性接管機械阻抗測試方法

鄧 杰，王洪磊

(海軍駐某廠軍事代表室，廣西 梧州 543004)

0 引言

簡單結構的機械阻抗能夠通過理論計算獲取，但對于復雜結構的機械阻抗通常采用試驗的方法來測定。目前常見的阻抗測試方法主要是借助于阻抗平臺，采用堵塞法獲取阻抗數據。球形撓性接管是目前艦船上常用的撓性接管[1]，它的管體呈球形結構，具有良好的減振性能和較大的位移補償能力。由于球形撓性接管的幾何結構和材料的本構關系比較特殊，其機械阻抗難以直接用解析法精確計算得到，在工程應用當中主要靠試驗來測定，所以，設計一種試驗方案準確測定球形撓性接管的機械阻抗，探究其在不同工況下的變化規律，具有重要的意義。本文對球形撓性接管的機械阻抗測試方法進行了研究，由此獲知球形撓性接管的固有頻率，預測其減振效果，同時可為球形撓性接管的動力特性分析提供原始的參數，為其安裝和設計提供指導作用。

1 測試原理

球形撓性接管作為典型的兩端元件，可以將撓性接管視為一個線性單元，它兩端的作用力和振動速度可以用如下方程來描述[1]：

(1)

式中：F1、F2分別為輸入端與輸出端的作用力，N；V1、V2分別為輸入端與輸出端的速度響應，m/s；Z11、Z22分別為輸入端與輸出端的輸入機械阻抗，N·s/m；Z12、Z21分別為輸入端到輸出端與輸出端到輸入端的傳遞機械阻抗，N·s/m。

在測量機械阻抗時，使用的是加速度計。振動速度可以通過加速度除以虛數和頻率得到：

(2)

由式(1)和式(2)可以得到：

根據互易原理，對于兩端對稱的線性系統有：Z11=Z22，Z12=Z21。

2 機械阻抗測量

2.1 試驗裝置

整個試驗裝置主要由三部分組成：試驗臺架、激振系統和測試系統。軸向和橫向阻抗測量示意圖分別如圖1和圖2所示。

(1)試驗臺架

阻抗測試多采用堵塞法[3-4]，即要滿足輸出端響應為零，這就要求安裝撓性接管的基座必須有良好的剛性，基座的安裝頻率應該小于最小測試頻率的1/2.5，一階固有頻率則應該大于測量范圍的最大頻率，且輸入阻抗應該在被測元件輸入阻抗的十倍以上，這樣就可以忽略測試時平臺的響應。

本次試驗在某研究所的阻抗平臺上進行。該阻抗平臺水平度良好，表面光潔，有足夠的剛性，滿足阻抗實驗對基座的要求。為避免外界環境的干擾，平臺不直接與地面接觸，而是在平臺底部安裝了隔振器。通過隔振器與地面相連，減少了地面環境振動對阻抗測試的影響。

1—輸入端；2—輸出端。

1—為輸入端；2—為輸出端。

撓性接管在加載的情況下進行阻抗測試，在內部充壓的時候其兩端受到約束，因此，還要有一套加載裝置，在測量時對其進行軸向約束。該裝置要能夠提供足夠的加載約束力，并且加載橫梁的靜剛度要在撓性接管的靜剛度的十倍以上，這樣才能確保準確測量撓性接管的機械阻抗。

(2)激振系統

激振系統由激振器、信號發生器、功率放大器及彈性吊架組成。信號發生器負責產生激勵信號，這種信號的能量通常較小，不能直接驅動激振器工作，需通過功率放大器將功率放大后轉換成具有足夠能量的電信號，驅動激振器工作。激振器頂桿與撓性接管封頭通過阻抗頭連接，阻抗頭用以測量輸入端的力及加速度響應。為了確保施加的激振力是沿單一方向的，有必要在激振器頂桿和阻抗頭之間加一細長的推力桿。

激振系統必須保證激勵力在測量的頻率范圍內作用在撓性接管上，同時，激勵的振動響應要遠大于環境振動，激勵力必須大于干擾力10 dB以上。

(3)測試系統

測試系統由傳感器、信號調理器、信號放大器與數據采集及分析器組成。傳感器負責采集被測的機械量，并經過信號調理器轉換成電信號，然后經過電荷放大器將信號增強后輸出到數據采集器，經過數據分析可以輸出目標結果。

本次機械阻抗測量儀器按圖3進行連接。

圖3 測量元件連接框圖

2.2 測試方法

測試前先對被測撓性接管進行觀察，要求撓性段不能有缺陷，結構上不能有扭曲、褶皺等異常現象。準備好試驗所需的所有設備、儀器儀表、連接附件等[5]。

(1)球形撓性接管軸向機械阻抗測試

測試時，被測球形撓性接管的輸出端通過所選墊板與測力板相連，被測撓性接管輸入端安裝力傳感器與加速度計，采用立式加載裝置對撓性接管施加約束，施加約束至額定載荷后鎖緊加載裝置。連接測試系統，使用激振器對撓性接管輸入端沿軸向方向施加振動激勵。測量撓性接管輸入端與輸出端的軸向動態力與振動響應信號，基于數據處理可得到撓性接管軸向輸入與傳遞機械阻抗。

(2)球形撓性接管橫向機械阻抗測試

為了便于撓性接管橫向機械阻抗的測試，需采用相同型號同批次的兩個試件對稱安裝進行測試。使用中間過渡板將兩相同的撓性接管輸入端端面連接起來，兩輸出端端面通過所選墊板與測力板相連，利用臥式加載裝置對撓性接管施加約束，加載至額定壓力后鎖緊加載裝置。將力傳感器與加速度計安裝在輸入端和輸出端，連接好測試設備，使用激振器對撓性接管輸入端橫向施加振動激勵。測量撓性接管輸入端與輸出端的橫向動態力與振動響應信號，基于數據處理得到撓性接管的橫向輸入與傳遞機械阻抗。

2.3 數據采集與處理

數據采集要通過數據采集儀實現。在采集數據時，要把傳感器的信號全面采集，否則可能會造成數據失真。在測量頻率范圍內，采集到輸入端的激振力及加速度響應、輸出端的反作用力，然后對其進行數據處理。

(1)計算輸入阻抗的虛部

(4)

(2)計算輸入阻抗的實部

(5)

(3)輸入阻抗的幅值

∣Z11(ω)∣=[(ReZ11(ω) )2+

(ImZ11(ω))2]0.5

(6)

(7)

式中：k(ω)為幅值函數，用來修正測量數據，在實驗前需標定測力版并給出這個函數。

2.4 試驗結果與分析

本次球形撓性接管機械阻抗試驗選用規格為DN100的球形管，分別測試了內壓為0、1、2 MPa時的軸向機械阻抗及橫向機械阻抗，根據所測阻抗數據繪制出阻抗圖譜如圖4和圖5所示。將內壓為0 MPa時所測得的軸向機械阻抗與采用無矩薄殼理論計算得到的結果[6]及采用ANSYS有限元仿真結果進行比較，結果如圖6所示。

圖4 不同壓力時的軸向輸入/傳遞機械阻抗

圖5 不同壓力時的橫向輸入/傳遞機械阻抗

圖6 0 MPa時的軸向輸入/傳遞機械阻抗

從圖4可知，隨著內壓的增大，輸入阻抗和傳遞阻抗值均有所增大，且一階固有頻率會往高頻出現偏移，說明球形管在充壓時，管體沿軸向方向會變硬，剛度增大。

從圖5可以看出，橫向機械阻抗隨內壓的變化趨勢與軸向機械阻抗的相似，只是阻抗值及共振和反共振的頻率變化更加明顯，可知內壓對球形管橫向機械阻抗的影響要比軸向機械阻抗的影響更大。球形管在充壓時，管體橫向方向的剛度增大更加顯著。阻抗曲線在低頻時出現扁平狀，可能是由于力放大器低頻頻響不足造成的。

由圖6可以看出，當管體無內壓作用時，球形管沿軸向方向的機械阻抗試驗結果與理論計算結果及有限元仿真結果吻合程度較好，三種方法所得的輸入阻抗和傳遞阻抗的趨勢和大小都十分一致。

3 結論

本文對球形撓性接管的機械阻抗進行了試驗研究，介紹了測試原理和測試方法，并分別測試了球形管在不同內壓作用下的軸向機械阻抗和橫向機械阻抗。從測試結果發現，不同的靜壓工況對球形撓性接管的阻抗會有影響，阻抗值會隨內壓的增大而變大，在撓性接管的工作中一定要考慮內壓的影響。把無內壓作用時的試驗結果和理論計算結果及有限元仿真結果進行比較，得到了很好的一致性，說明了測試方法的可行性。該方法也適用于其他的特殊結構的兩端元器件的軸向和橫向阻抗的測試。

由于球形撓性接管結構的特殊性，本文只對軸向和橫向機械阻抗進行了測試，沒有對其扭轉阻抗進行測試，在今后的工作中，將進一步探索測試其扭轉阻抗的有效方法，全面獲取球形撓性接管的阻抗參數。