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      近日，航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心蘇伯泰團(tuán)隊(duì)以《薄壁殼體構(gòu)件力振耦合試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用》為題在《環(huán)境技術(shù)》2024年第4期上發(fā)表最新研究?jī)?nèi)容，第一作者為蘇伯泰。

 

      為滿(mǎn)足某裝備薄壁殼體構(gòu)件在不斷重復(fù)高/低載荷條件下可靠性試驗(yàn)需求，采用螺桿擠壓隨形工件的內(nèi)平衡加載方式設(shè)計(jì)力加載裝置，在振動(dòng)環(huán)境下進(jìn)行可行性驗(yàn)證，表明該裝置滿(mǎn)足薄壁殼體構(gòu)件在（1~350）Hz頻率范圍內(nèi)的力振耦合加載需求。

 

引言

 

某裝備薄壁殼體構(gòu)件在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，受到力、振動(dòng)等因素的影響，經(jīng)歷不斷重復(fù)的高/低載荷交替環(huán)境，隨著時(shí)間的增加，有可能產(chǎn)生疲勞、磨損、過(guò)應(yīng)力等物理?yè)p傷，以及材料老化、構(gòu)件變形、層間分離等物理性能的衰退。為滿(mǎn)足薄壁殼體構(gòu)件的可靠性驗(yàn)證需求，需設(shè)計(jì)力振耦合試驗(yàn)系統(tǒng)。

 

力和振動(dòng)的解耦方式一直是環(huán)境試驗(yàn)中面臨的難題。張黎對(duì)飛行器舵翼構(gòu)件在振動(dòng)環(huán)境下的靜力加載技術(shù)進(jìn)行了研究，采用液壓作動(dòng)筒柔性加載方式，引入橡皮繩組過(guò)度，組成柔性靜力加載系統(tǒng)，對(duì)多點(diǎn)靜力加載通道間的靜動(dòng)耦合進(jìn)行了消除，實(shí)現(xiàn)了舵翼構(gòu)件的力振耦合加載需求。該方式對(duì)構(gòu)件施加多點(diǎn)集中應(yīng)力，而針對(duì)本文中薄壁殼體構(gòu)件，要求施加分布式載荷，且力的施加位置在殼體內(nèi)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(mǎn)足薄壁殼體構(gòu)件的力振耦合加載需求。

 

為消除試驗(yàn)系統(tǒng)靜動(dòng)耦合干涉，擬采用內(nèi)平衡靜力加載方式，即通過(guò)螺桿擠壓隨形工件設(shè)計(jì)力加載裝置，力加載裝置整體固定在振動(dòng)臺(tái)面，薄壁殼體構(gòu)件伴隨加載裝置共同運(yùn)動(dòng)，從而滿(mǎn)足力振耦合加載需求。

 

本文介紹了針對(duì)薄壁殼體構(gòu)件的力振耦合加載裝置設(shè)計(jì)過(guò)程，分析了其中的關(guān)鍵技術(shù)，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了可行性驗(yàn)證，結(jié)果表明力加載裝置滿(mǎn)足薄壁殼體構(gòu)件在（1~350）Hz振動(dòng)頻率范圍內(nèi)的長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定加載需求。

 

力振耦合試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

 

1、試驗(yàn)對(duì)象及要求

 

根據(jù)大致形狀，某裝備薄壁殼體構(gòu)件分為兩類(lèi)，分別簡(jiǎn)稱(chēng)為半球構(gòu)件和雙曲構(gòu)件。兩類(lèi)構(gòu)件示意圖如圖1所示。在實(shí)際加載中存在兩種狀態(tài)，即單獨(dú)加載半球構(gòu)件和單獨(dú)加載雙曲構(gòu)件。靜力試驗(yàn)采用與半球構(gòu)件和雙曲構(gòu)件內(nèi)切的隨形工件對(duì)其實(shí)施靜力加載，靜力加載載荷范圍為（0~30）kN。振動(dòng)試驗(yàn)按照GJB150.16A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第16部分：振動(dòng)試驗(yàn)》執(zhí)行，設(shè)備振動(dòng)通過(guò)施加于固定法蘭間接作用于構(gòu)件上。

圖1 兩類(lèi)構(gòu)件示意圖及其坐標(biāo)定義

 

2、裝置設(shè)計(jì)方案

 

為解決試驗(yàn)過(guò)程中力和振動(dòng)施加方式的解耦難題，采用內(nèi)平衡靜力加載方式設(shè)計(jì)力加載裝置。力加載裝置構(gòu)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(dǎo)向柱、導(dǎo)向卡環(huán)、力傳感器、加載球頭和振動(dòng)夾具等組成。力加載裝置樣機(jī)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(jī)

加載球頭與薄壁殼體構(gòu)件內(nèi)壁面形狀和尺寸完全一致，隨形工件粘附一層軟質(zhì)材料，通過(guò)加載螺桿對(duì)加載球頭施加軸向擰緊力矩，進(jìn)而加載球頭將力載荷傳遞給構(gòu)件。該裝置采用加載球頭可替換設(shè)計(jì)，使用同一加載裝置，只需更換加載球頭，能夠?qū)崿F(xiàn)不同尺寸和形狀構(gòu)件的軸向載荷施加。如圖4所示，加載球頭內(nèi)部掏空，可降低裝置質(zhì)量；采用加筋設(shè)計(jì)，可保證加載球頭強(qiáng)度和剛度的使用需求。力傳感器緊連加載球頭，用于對(duì)加載載荷進(jìn)行監(jiān)測(cè)。球窩連接件、球窩導(dǎo)向柱和導(dǎo)向卡環(huán)組合設(shè)計(jì)，如圖5所示，一方面可降低各部件同軸度偏差所產(chǎn)生的橫向載荷，另一方面可消除因加載球頭轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的扭矩。靜力加載裝置尺寸較小、質(zhì)量較低，可通過(guò)振動(dòng)夾具底座與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面簡(jiǎn)易剛性連接。

圖4 不同形狀和尺寸加載球頭

圖5 導(dǎo)向和傳遞組件

通過(guò)螺桿施加軸向載荷，在強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境下預(yù)緊力容易大幅度衰減。為保證強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境下力加載裝置長(zhǎng)時(shí)可用，通過(guò)如圖6所示鎖緊橫梁對(duì)加載螺桿固鎖，使振動(dòng)環(huán)境下加載螺桿預(yù)緊力不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)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(zhuǎn)動(dòng)任意角度時(shí)都能夠被鎖緊，即保證通過(guò)加載螺桿施加于構(gòu)件的力載荷無(wú)極可調(diào)。通過(guò)6~8個(gè)鎖緊螺桿可更好的保證對(duì)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(yàn)證結(jié)果分析

 

1.正弦振動(dòng)

 

為對(duì)裝置的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，以雙曲構(gòu)件為研究對(duì)象，設(shè)置力載荷初始值約為27.9kN，對(duì)裝置進(jìn)行了正弦掃頻振動(dòng)試驗(yàn)，掃頻范圍（10~1500）Hz，加速度1g，掃頻速率1.5oct/min。采用3點(diǎn)平均控制方式，3個(gè)加速度傳感器均布在雙曲構(gòu)件法蘭。控制點(diǎn)響應(yīng)譜如圖7所示，相比于參考譜，在頻率400Hz以上出現(xiàn)明顯變化，表明裝置在較高頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生明顯共振。

圖7 正弦掃頻振動(dòng)響應(yīng)譜

裝置共振必然對(duì)振動(dòng)環(huán)境下力載荷的長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定施加產(chǎn)生影響，為了對(duì)此有清晰認(rèn)識(shí)，分別在400Hz和1200Hz下進(jìn)行定頻振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)量級(jí)從5g逐步提升到20g，力載荷初始值約為27.9kN。振動(dòng)環(huán)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(dòng)應(yīng)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(dòng)量級(jí)增大，兩個(gè)頻率下的力載荷波動(dòng)幅度均隨之增大，且通過(guò)紅色圓點(diǎn)連線(xiàn)表明力載荷波動(dòng)的程度與振動(dòng)量級(jí)呈現(xiàn)出近似線(xiàn)性關(guān)系。試驗(yàn)過(guò)程中，力加載裝置固定于振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面，伴隨薄壁殼體構(gòu)件共同振動(dòng)，裝置和構(gòu)件慣性力的不同導(dǎo)致加載球頭與構(gòu)件之間往復(fù)擠壓，因而力載荷沿初始值對(duì)稱(chēng)上下波動(dòng)，且上下波動(dòng)幅度幾乎相同。隨著振動(dòng)量級(jí)增大，薄壁殼體構(gòu)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(yīng)，因而力載荷波動(dòng)幅度隨振動(dòng)量級(jí)增大幾乎呈線(xiàn)性關(guān)系增長(zhǎng)。薄壁殼體構(gòu)件實(shí)際工作時(shí)承受不斷重復(fù)的高/低載荷條件，力加載裝置可有效賦予構(gòu)件真實(shí)的環(huán)境效應(yīng)。

（a）400Hz定頻振動(dòng)

（b）1200Hz定頻振動(dòng)

圖8 定頻振動(dòng)環(huán)境下力載荷響應(yīng)結(jié)果

為了進(jìn)一步明確裝置共振對(duì)力載荷波動(dòng)的影響程度，對(duì)兩個(gè)頻率下采集到的力載荷進(jìn)行歸一化處理，即將每一時(shí)間對(duì)應(yīng)的力載荷與整個(gè)時(shí)域范圍內(nèi)力載荷平均值做比值，得到歸一化處理結(jié)果，如圖9所示。相比于非共振點(diǎn)（400Hz），共振點(diǎn)（1200Hz）的力載荷波動(dòng)幅度在任意振動(dòng)量級(jí)下都急劇增大，顯然共振頻率下的力載荷波動(dòng)不僅僅由慣性力的差距引起，更多源自于系統(tǒng)共振使力加載裝置各部件之間的碰撞造成。薄壁殼體構(gòu)件在實(shí)際使用時(shí)，未出現(xiàn)如此劇烈的共振現(xiàn)象，因此當(dāng)振動(dòng)頻率較高時(shí)，力加載裝置難以賦予構(gòu)件實(shí)際工作時(shí)真實(shí)的高/低載荷條件。該構(gòu)件常用工作環(huán)境下的振動(dòng)頻率不超過(guò)350Hz，而該裝置在400Hz以?xún)?nèi)未出現(xiàn)明顯共振現(xiàn)象，因此可有效用于模擬構(gòu)件在真實(shí)工作環(huán)境下的力振耦合條件，滿(mǎn)足薄壁殼體構(gòu)件在力和振動(dòng)耦合環(huán)境下的可靠性試驗(yàn)需求。

圖9 定頻振動(dòng)環(huán)境下力載荷歸一化處理結(jié)果

 

2.隨機(jī)振動(dòng)

 

進(jìn)一步對(duì)雙曲構(gòu)件開(kāi)展了隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，隨機(jī)振動(dòng)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(diǎn)平均控制方式，3個(gè)加速度傳感器安裝位置與正弦振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)相同。為反應(yīng)靜力初始值對(duì)力載荷波動(dòng)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(jī)振動(dòng)環(huán)境下的力載荷響應(yīng)結(jié)果如圖11所示，與正弦振動(dòng)相似，隨著振動(dòng)量級(jí)增大，力載荷的波動(dòng)幅度隨之增大，且力載荷波動(dòng)幅度與振動(dòng)量級(jí)也表現(xiàn)為近似線(xiàn)性增長(zhǎng)關(guān)系。

圖10 隨機(jī)振動(dòng)譜型

（a）（1~350）Hz隨機(jī)振動(dòng)，初始靜力10.8kN

（b）（1~350）Hz隨機(jī)振動(dòng)，初始靜力27.9kN

圖11 隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下力載荷響應(yīng)結(jié)果

與圖9相同，對(duì)隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下的力載荷響應(yīng)結(jié)果做歸一化處理，結(jié)果如圖12所示。隨著構(gòu)件承受初始靜力的增大，在任意振動(dòng)量級(jí)下力載荷波動(dòng)幅度均隨之增大。在較低頻率范圍內(nèi)，力載荷波動(dòng)由構(gòu)件和力加載裝置慣性力差異導(dǎo)致的往復(fù)擠壓引起，當(dāng)施加的初始靜力更大時(shí)，加載球頭和構(gòu)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(dòng)，這與構(gòu)件實(shí)際使用時(shí)的環(huán)境一致，即構(gòu)件承受更大壓力時(shí)，振動(dòng)環(huán)境下的高/低載荷波動(dòng)幅度更為明顯。

圖12 隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下力載荷歸一化處理結(jié)果

 

結(jié)論與展望

 

本文論述了針對(duì)薄壁殼體構(gòu)件的力振耦合試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了可行性驗(yàn)證，結(jié)果表明：

1)采用螺桿擠壓隨形工件的內(nèi)平衡靜力加載方式，可解決力載荷和振動(dòng)應(yīng)力同時(shí)施加的解耦問(wèn)題；

2)由于內(nèi)平衡力加載裝置構(gòu)成較為復(fù)雜，在較高頻率范圍內(nèi)存在明顯共振，但頻率400Hz以下時(shí)能夠長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行；

3)在振動(dòng)環(huán)境下，力載荷以初始值為基準(zhǔn)上下波動(dòng)，隨著振動(dòng)量級(jí)增大，力載荷波動(dòng)幅度呈現(xiàn)近似線(xiàn)性增長(zhǎng)關(guān)系；

4)在相同振動(dòng)量級(jí)下，施加的初始靜力增大時(shí)，力載荷波動(dòng)幅度隨之增大，可有效模擬構(gòu)件實(shí)際工作時(shí)的高/低載荷條件。

 

本裝置當(dāng)初始靜力和振動(dòng)量級(jí)一定時(shí)，難以有效對(duì)力載荷在振動(dòng)環(huán)境下的波動(dòng)幅度進(jìn)行調(diào)節(jié)，后續(xù)可通過(guò)在本裝置中添加不同彈性部件對(duì)此進(jìn)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(gòu)件力振耦合試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].環(huán)境技術(shù),2024,42(04):11-16.