板狀結構可變邊界熱振耦合試驗系統研制

彭富豪，吳乙萬，白鴻柏，李上洲

(1.福州大學 金屬橡膠工程研究中心，福州 350108; 2.福州大學 機械工程及自動化學院，福州 350108)

0 引言

板狀結構在實際工程中被廣泛應用，其工作環境溫度范圍較寬，如航空發動機設備安裝基座(多個平板組成)工作溫度可達上百度。設計此類板狀結構應考慮溫度的影響，對板狀結構在不同環境下的熱模態設計對改善板狀結構振動水平、提高板狀結構使用壽命有重要意義[1-5]。

有限元技術對結構在熱環境下模態分析提供了一種新的思路。Bevins[6]建立飛行器蒙皮結構有限元模型，分析了熱環境下結構受到聲載荷激勵產生的響應。Lee[7]運用有限元方法對碳纖維環氧加筋板結構在熱環境下的振動性能進行研究。孫強[8]通過有限元技術對航空發動機葉片固有頻率與溫度的關系進行研究。李躍明[9]建立高超聲速飛行器X-43A整機有限元模型，并對其在高溫環境以及165dB聲壓作用下的振動特性進行分析。

有限元技術雖已得到了長足的發展，但針對某些特種材料的力學性能以及復雜結構的力學特性，有限元方法總會造成一定的誤差，試驗仍是一種可靠的手段。目前，板狀結構熱模態試驗技術已較為成熟。吳大方等[10]基于石英燈陣加熱技術對高速飛行器的翼舵進行熱模態試驗，獲得翼舵25～1200℃范圍內的模態頻率參數，對于常溫區域測量高溫環境下結構振動信號的研制提供了試驗支持。Jeon[11]使用非接觸式激光測振方法對矩形平板開展自由-自由邊界熱模態試驗，其單側實現溫度為500℃。McWithey等[12]針對X-15翼結構展開熱模態試驗技術的研究，翼面結構的主體溫度為347℃，在模擬空氣動力學加熱的過程中，測量了五種固有頻率模式發生改變，結果表明：高溫下第一、二、六階固有頻率隨溫度的上升而下降，一階扭轉模態頻率變化最大，下降幅度達5%，加熱后丟失第三、五階模態，四階固有頻率有所上升。

板狀結構存在不同的邊界條件(單/雙/三/四邊固支)，已有的研究所用方法無法滿足不同邊界下板狀結構的熱模態試驗需要，因此，在已有研究的基礎上研制一套低成本、可變邊界板狀結構高溫振動耦合試驗系統。首先，通過石英燈陣輻射加熱以控制板狀結構表面的溫度；然后，通過設置可變邊界板狀結構測試工裝，對搭建的振動試驗平臺進行振動測試；其次，使用細長陶瓷引伸棒將高溫區域的板狀結構振動信號傳遞到常溫區域，使用耐高溫陶瓷棒對板狀結構在高溫環境下進行振動激勵，使用陶瓷引伸裝置配合常溫加速度傳感器對高溫環境下的板狀結構進行加速度信號的拾取；最后，以45號鋼板為例，測量其在室溫下不同邊界(單/雙/三/四邊固支)約束的模態參數以及500℃單邊固支下45號鋼板的高溫模態參數。

1 高溫模態試驗系統結構及原理

圖1為板狀結構高溫模態試驗系統結構框圖。該系統可分為硬件、軟件兩部分。試驗系統各部分的功能如表1所示。

圖1 高溫模態試驗系統結構框圖

表1 高溫振動試驗系統各部分功能表

組成功能硬件部分機械部分加熱模塊對板狀結構進行輻射加熱懸掛工裝使板狀結構預壓力一致變邊界工裝營造板狀結構不同約束環境控制部分溫度控制模塊對板狀結構溫度環境模擬動態信號采集與分析系統對試驗進行測試、數據分析控制計算機對板狀結構信號進行監測激勵部分激振器產生振動功率放大器放大電壓信號傳感部分動態力傳感器測量激振力加速度傳感器測量響應點的加速度信號溫度傳感器測量板狀結構表面的溫度軟件部分LabVIEW溫控程序采集并控制環境溫度數據采集控制軟件采集板狀結構振動響應信號機械模態分析軟件進行板狀結構熱模態分析

系統原理如下：根據高溫模態試驗系統搭建試驗測試平臺，首先，通過LabVIEW溫控程序控制溫度控制模塊和加熱模塊對板狀結構高溫環境進行模擬；然后，通過激振器和功率放大器一起作用對板狀結構進行振動激勵，對板狀結構振動環境進行模擬；其次，在數據采集控制軟件上采集板狀結構表面上的振動響應信號，在機械模態分析軟件上對板狀結構采集的數據信號進行熱模態分析；最后，將試驗數據進行存儲和分析。

2 高溫振動耦合試驗系統設計

2.1 硬件部分

2.1.1 機械部分

1)加熱模塊:加熱模塊采用石英燈陣模擬板狀結構熱環境，每根石英燈長240 mm，功率500 W，石英燈安裝在安裝板上加以固定，燈間距離均為10 mm，使板狀結構表面溫度場快速形成，保證表面溫度場的均勻性；石英燈與安裝板之間放置由硅酸鋁材料制成的隔熱板，對石英燈陣發出的強輻射熱進行隔熱。

2)懸掛工裝:懸掛工裝由移動式龍門架、尼龍繩、伸縮掛鉤和彈性繩組成。通過調整移動式龍門架使激振器能夠激勵板狀結構任一位置，將尼龍繩一端固定于移動式龍門架，另一端垂直向下連接伸縮掛鉤，伸縮掛鉤另一端連接彈性繩，彈性繩通過連接4個304不銹鋼制成的加長吊環螺栓對激振器進行懸掛。通過調整伸縮掛鉤來調節激勵器頂桿對板狀結構的預壓力，使每次試驗測試時激振器對板狀結構的預壓力一致。

3)變邊界工裝:板狀結構存在不同的邊界條件(單/雙/三/四邊固支)，如圖2所示。其四邊固支約束的實物配套使用支撐梁和約束梁對板狀結構每條邊進行約束，使用螺栓進行固定，通過調整支撐梁與約束梁的數量實現板狀結構的約束邊界，實現板狀結構的單邊、雙邊、三邊、四邊固支安裝。

圖2 板狀結構的邊界約束方式示意圖

支撐底座起支撐作用，放置在T型槽鑄鐵平臺上；支撐圈梁起轉接作用，使支撐梁能夠根據不同的約束位置在支撐圈梁上進行調整。

2.1.2 控制部分

1)溫度控制模塊：溫度控制模塊如圖3所示，包括溫度信號拾取子模塊和加熱控制子模塊兩部分。提供了一種低成本、精確測量溫度的方法，可測溫度范圍為-200～1250 ℃。由于測試溫度較高，為防止鋁合金箱體內電器元件發熱嚴重，安裝進排氣風扇。

圖3 溫度控制模塊示意圖

圖4 LabVIEW溫控程序

多功能數據采集器利用NI-USB-6002采集卡完成溫度傳感器信號采集與驅動信號輸出工作，實現溫度數據采集與驅動加熱控制，使用K型熱電偶溫度傳感器對板狀結構溫度信號進行采集，溫度變送器對采集的板狀結構表面的溫度信號進行放大。固態繼電器可以將低壓直流電信號用于控制220 V交流電，為實現固態繼電器的控制，設計有功率放大電路子模塊。

2)動態數據采集與分析系統:動態信號采集與分析系統采用武漢優泰電子技術有限公司生產的uT8916FRS-DY同步采集系統，其有2路函數輸出信號和16位DA輸出信號源，可輸出電壓、電荷、ICP和應變信號。

3)控制計算機:使用控制計算機對實驗全過程進行監測與控制。控制計算機與動態數據采集與分析系統、溫度控制模塊通過TCP/IP通訊方式進行數據交互。

2.1.3 激勵部分

1)激振器:激振器的作用是使用狀結構產生振動，采用揚州一軒電子技術有限公司生產的電動式激振器JZQ-50，其最大激振力為500 N，頻率范圍為10～2 000 Hz。

2)功率放大器:功率放大器的作用是將信號發生器輸出的相當弱小的電壓信號進行放大，供給激振器一定的電流，推動激振器工作，采用杭州億恒科技有限公司生產的E5878功率放大器，其最大輸出功率為1500 VA,信噪比大于90 dB。

2.1.4 傳感部分

1)動態力傳感器:動態力傳感器用于測量激振力，選用揚州一軒電子技術有限公司生產的YD-303壓電型石英力傳感器，其測量范圍為±2 KN,電荷靈敏度為3.08 pC/N,工作溫度范圍為-40～150 ℃。

2)加速度傳感器:加速度傳感器用于測量板狀結構表面的振動響應信號，選用江蘇東華測試技術股份有限公司生產的IEPE壓電式加速度傳感器，其抗干擾性好，可與長導線使用，靈敏度為10.36 mV/g,測量范圍為±500 g,工作溫度范圍為-40～+120 ℃。

3)溫度傳感器:溫度傳感器用于測量板狀結構表面的溫度，選用由鎳鉻-鎳硅材料制成的K型熱電偶溫度傳感器，其溫度測量范圍為-200～1 250 ℃。溫度傳感器為直徑6 mm的圓絲，適用于板狀結構在寬溫域下熱振耦合試驗。

2.2 軟件部分

系統軟件設計部分包括LabVIEW溫控程序、數據采集控制軟件、機械模態分析軟件三部分。

2.2.1 LabVIEW溫控程序

LabVIEW溫控程序如圖4所示，包括加熱控制循環程序和恒溫控制循環程序。為保證板狀結構在可調的溫度環境下進行振動試驗，采用模糊控制的方法進行控制。首先通過設置溫度上限值對板狀結構進行加熱；然后通過溫度下限值一起將溫度調整在一個較小范圍內來對板狀結構表面溫度進行溫度范圍調節，試驗溫度誤差在3%左右；最后使溫度信號拾取系統的溫度與多功能數據采集器數字輸出通道的溫度對比進行恒溫控制。

2.2.2 數據采集控制軟件

數據采集控制流程如圖5所示，為了采集板狀結構表面上的振動響應信號，首先，創建一個工程文件，在數據采集控制軟件上對信號發生器進行輸出通道和信號類型進行選擇，對信號的頻率、幅值、時間周期進行參數設置；然后，對采集參數進行設置，將采樣頻率、觸發參數、傳感器的數值和單位進行標定；最后，對板狀結構進行示波，待信號穩定后進行數據采集。

圖5 數據采集控制流程圖

2.2.3 機械模態分析軟件

圖6 模態分析流程圖

機械模態分析流程如圖6所示，為了對數據采集到的板狀結構信號進行模態分析，首先，建立模態工程文件，對板狀結構進行工程模型編輯；然后，將數據采集到的板狀結構信號導入到機械模態分析軟件中進行模態計算；其次，選擇模態計算方法，對試驗數據進行初始估計與整體數據擬合，并對模態陣型進行測量方向和約束方程進行處理，使模態振型歸一；最后，對模態工程數據進行參數識別和模態驗證，得到板狀結構的模態參數，輸出試驗數據報告并進行存儲。

3 變邊界振動試驗模態系統性能試驗

以45鋼作為測試樣件進行試驗，板結構的參數如表2所示。

表2 45鋼參數

對45鋼試件在室溫下進行不同邊界振動試驗，以單邊固支為例對45鋼試件進行500 ℃高溫振動耦合試驗。

圖7為所測試45鋼板前三階模態頻率曲線，由圖可知，單邊約束下500℃的模態頻率比室溫均低，雙邊、三邊和四邊約束下前三階模態頻率相差不大。

圖7 45鋼板前三階模態頻率曲線

表3為所測試45鋼板前三階模態陣型，由圖可知，不同約束邊界模態陣型不一樣，單邊約束室溫和500 ℃前三階模態陣型一致。

4 結論

1)通過研制陶瓷引伸裝置將高溫環境下板狀結構的振動信號引導出熱場之外，實現在高達500 ℃的溫度下進行板狀結構高溫模態參數的測量。

2)通過支撐梁與約束梁配套使用，研制了一套低成本、可變邊界的板狀結構測試工裝。

3)對45號鋼板進行不同邊界進行測試，不同邊界的模態陣型不一樣，此外，45號鋼板雙邊、三邊和四邊約束的模態頻率相差不大。

表3 45鋼板前三階模態振型

4)對45鋼板在單邊約束下室溫和500℃高溫下進行振動測試，說明溫度升高，45鋼板的模態頻率降低，而模態陣型基本一致。

經實際應用研制了一套低成本、可變邊界板狀結構高溫振動耦合試驗系統，該測試系統可為板狀結構在變邊界高溫振動耦合環境下的安全設計提供參考依據。