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嘉峪檢測網 2024-07-12 12:03
近日，航天科工防御技術研究試驗中心蘇伯泰團隊以《薄壁殼體構件力振耦合試驗裝置設計及應用》為題在《環境技術》2024年第4期上發表最新研究內容，第一作者為蘇伯泰。
為滿足某裝備薄壁殼體構件在不斷重復高/低載荷條件下可靠性試驗需求，采用螺桿擠壓隨形工件的內平衡加載方式設計力加載裝置，在振動環境下進行可行性驗證，表明該裝置滿足薄壁殼體構件在（1~350）Hz頻率范圍內的力振耦合加載需求。
引言
某裝備薄壁殼體構件在長期使用過程中，受到力、振動等因素的影響，經歷不斷重復的高/低載荷交替環境，隨著時間的增加，有可能產生疲勞、磨損、過應力等物理損傷，以及材料老化、構件變形、層間分離等物理性能的衰退。為滿足薄壁殼體構件的可靠性驗證需求，需設計力振耦合試驗系統。
力和振動的解耦方式一直是環境試驗中面臨的難題。張黎對飛行器舵翼構件在振動環境下的靜力加載技術進行了研究，采用液壓作動筒柔性加載方式，引入橡皮繩組過度，組成柔性靜力加載系統，對多點靜力加載通道間的靜動耦合進行了消除，實現了舵翼構件的力振耦合加載需求。該方式對構件施加多點集中應力，而針對本文中薄壁殼體構件，要求施加分布式載荷，且力的施加位置在殼體內壁面，采用“油缸+橡皮繩組+鋼絲繩”組合的柔性加載方式不能滿足薄壁殼體構件的力振耦合加載需求。
為消除試驗系統靜動耦合干涉，擬采用內平衡靜力加載方式，即通過螺桿擠壓隨形工件設計力加載裝置，力加載裝置整體固定在振動臺面，薄壁殼體構件伴隨加載裝置共同運動，從而滿足力振耦合加載需求。
本文介紹了針對薄壁殼體構件的力振耦合加載裝置設計過程，分析了其中的關鍵技術，并通過試驗進行了可行性驗證，結果表明力加載裝置滿足薄壁殼體構件在（1~350）Hz振動頻率范圍內的長時穩定加載需求。
力振耦合試驗裝置設計
1、試驗對象及要求
根據大致形狀，某裝備薄壁殼體構件分為兩類，分別簡稱為半球構件和雙曲構件。兩類構件示意圖如圖1所示。在實際加載中存在兩種狀態，即單獨加載半球構件和單獨加載雙曲構件。靜力試驗采用與半球構件和雙曲構件內切的隨形工件對其實施靜力加載，靜力加載載荷范圍為（0~30）kN。振動試驗按照GJB150.16A-2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法第16部分：振動試驗》執行，設備振動通過施加于固定法蘭間接作用于構件上。
圖1 兩類構件示意圖及其坐標定義
2、裝置設計方案
為解決試驗過程中力和振動施加方式的解耦難題，采用內平衡靜力加載方式設計力加載裝置。力加載裝置構成如圖2所示，由鎖緊橫梁、加載螺桿、加載橫梁、球窩連接件、球窩導向柱、導向卡環、力傳感器、加載球頭和振動夾具等組成。力加載裝置樣機如圖3所示。
圖2 力加載裝置三維模型
圖3 力加載裝置樣機
加載球頭與薄壁殼體構件內壁面形狀和尺寸完全一致，隨形工件粘附一層軟質材料，通過加載螺桿對加載球頭施加軸向擰緊力矩，進而加載球頭將力載荷傳遞給構件。該裝置采用加載球頭可替換設計，使用同一加載裝置，只需更換加載球頭，能夠實現不同尺寸和形狀構件的軸向載荷施加。如圖4所示，加載球頭內部掏空，可降低裝置質量；采用加筋設計，可保證加載球頭強度和剛度的使用需求。力傳感器緊連加載球頭，用于對加載載荷進行監測。球窩連接件、球窩導向柱和導向卡環組合設計，如圖5所示，一方面可降低各部件同軸度偏差所產生的橫向載荷，另一方面可消除因加載球頭轉動而產生的扭矩。靜力加載裝置尺寸較小、質量較低，可通過振動夾具底座與振動臺臺面簡易剛性連接。
圖4 不同形狀和尺寸加載球頭
圖5 導向和傳遞組件
通過螺桿施加軸向載荷，在強振動環境下預緊力容易大幅度衰減。為保證強振動環境下力加載裝置長時可用，通過如圖6所示鎖緊橫梁對加載螺桿固鎖，使振動環境下加載螺桿預緊力不會在短時間內明顯降低。齒形凹槽和鎖緊凹槽配合使用，可保證加載螺桿轉動任意角度時都能夠被鎖緊，即保證通過加載螺桿施加于構件的力載荷無極可調。通過6~8個鎖緊螺桿可更好的保證對加載螺桿的鎖緊效果。
圖6 加載螺桿鎖緊方式
裝置可行性驗證結果分析
1.正弦振動
為對裝置的可行性進行驗證，以雙曲構件為研究對象，設置力載荷初始值約為27.9kN，對裝置進行了正弦掃頻振動試驗，掃頻范圍（10~1500）Hz，加速度1g，掃頻速率1.5oct/min。采用3點平均控制方式，3個加速度傳感器均布在雙曲構件法蘭。控制點響應譜如圖7所示，相比于參考譜，在頻率400Hz以上出現明顯變化，表明裝置在較高頻率范圍內產生明顯共振。
圖7 正弦掃頻振動響應譜
裝置共振必然對振動環境下力載荷的長時穩定施加產生影響，為了對此有清晰認識，分別在400Hz和1200Hz下進行定頻振動試驗，試驗量級從5g逐步提升到20g，力載荷初始值約為27.9kN。振動環境下力載荷變化如圖8所示，從前兩秒的放大圖中可以看出，在振動應力未施加之前，采集到的力載荷背景噪聲均為±30N左右。隨著振動量級增大，兩個頻率下的力載荷波動幅度均隨之增大，且通過紅色圓點連線表明力載荷波動的程度與振動量級呈現出近似線性關系。試驗過程中，力加載裝置固定于振動臺臺面，伴隨薄壁殼體構件共同振動，裝置和構件慣性力的不同導致加載球頭與構件之間往復擠壓，因而力載荷沿初始值對稱上下波動，且上下波動幅度幾乎相同。隨著振動量級增大，薄壁殼體構件與力加載裝置所受慣性力差距增大，與初始力載荷存在更明顯的疊加效應，因而力載荷波動幅度隨振動量級增大幾乎呈線性關系增長。薄壁殼體構件實際工作時承受不斷重復的高/低載荷條件，力加載裝置可有效賦予構件真實的環境效應。
（a）400Hz定頻振動
（b）1200Hz定頻振動
圖8 定頻振動環境下力載荷響應結果
為了進一步明確裝置共振對力載荷波動的影響程度，對兩個頻率下采集到的力載荷進行歸一化處理，即將每一時間對應的力載荷與整個時域范圍內力載荷平均值做比值，得到歸一化處理結果，如圖9所示。相比于非共振點（400Hz），共振點（1200Hz）的力載荷波動幅度在任意振動量級下都急劇增大，顯然共振頻率下的力載荷波動不僅僅由慣性力的差距引起，更多源自于系統共振使力加載裝置各部件之間的碰撞造成。薄壁殼體構件在實際使用時，未出現如此劇烈的共振現象，因此當振動頻率較高時，力加載裝置難以賦予構件實際工作時真實的高/低載荷條件。該構件常用工作環境下的振動頻率不超過350Hz，而該裝置在400Hz以內未出現明顯共振現象，因此可有效用于模擬構件在真實工作環境下的力振耦合條件，滿足薄壁殼體構件在力和振動耦合環境下的可靠性試驗需求。
圖9 定頻振動環境下力載荷歸一化處理結果
2.隨機振動
進一步對雙曲構件開展了隨機振動試驗，隨機振動譜型如圖10所示，總均方根加速度逐步從1g提升至6g。采用3點平均控制方式，3個加速度傳感器安裝位置與正弦振動試驗時相同。為反應靜力初始值對力載荷波動的影響程度，所施加的初始力載荷分別約為10.8kN和27.9kN。隨機振動環境下的力載荷響應結果如圖11所示，與正弦振動相似，隨著振動量級增大，力載荷的波動幅度隨之增大，且力載荷波動幅度與振動量級也表現為近似線性增長關系。
圖10 隨機振動譜型
（a）（1~350）Hz隨機振動，初始靜力10.8kN
（b）（1~350）Hz隨機振動，初始靜力27.9kN
圖11 隨機振動環境下力載荷響應結果
與圖9相同，對隨機振動環境下的力載荷響應結果做歸一化處理，結果如圖12所示。隨著構件承受初始靜力的增大，在任意振動量級下力載荷波動幅度均隨之增大。在較低頻率范圍內，力載荷波動由構件和力加載裝置慣性力差異導致的往復擠壓引起，當施加的初始靜力更大時，加載球頭和構件的擠壓程度更為明顯，因而相同慣性力差異造成更大幅度的力載荷波動，這與構件實際使用時的環境一致，即構件承受更大壓力時，振動環境下的高/低載荷波動幅度更為明顯。
圖12 隨機振動環境下力載荷歸一化處理結果
結論與展望
本文論述了針對薄壁殼體構件的力振耦合試驗系統設計方案，并通過試驗進行了可行性驗證，結果表明：
1)采用螺桿擠壓隨形工件的內平衡靜力加載方式，可解決力載荷和振動應力同時施加的解耦問題；
2)由于內平衡力加載裝置構成較為復雜，在較高頻率范圍內存在明顯共振，但頻率400Hz以下時能夠長時穩定運行；
3)在振動環境下，力載荷以初始值為基準上下波動，隨著振動量級增大，力載荷波動幅度呈現近似線性增長關系；
4)在相同振動量級下，施加的初始靜力增大時，力載荷波動幅度隨之增大，可有效模擬構件實際工作時的高/低載荷條件。
本裝置當初始靜力和振動量級一定時，難以有效對力載荷在振動環境下的波動幅度進行調節，后續可通過在本裝置中添加不同彈性部件對此進一步探索。
引用本文：
蘇伯泰,陳耀,龐家志,劉小珍,師鈺,李佳昌.薄壁殼體構件力振耦合試驗裝置設計及應用[J].環境技術,2024,42(04):11-16.
來源：Internet
