熱環(huán)境下加筋壁板壓縮穩(wěn)定性試驗(yàn)加載技術(shù)研究

吳彥增 李麗遠(yuǎn) 孫曉娜 王成亮 尹曉峰

熱環(huán)境下加筋壁板壓縮穩(wěn)定性試驗(yàn)加載技術(shù)研究

吳彥增1李麗遠(yuǎn)2孫曉娜3王成亮2尹曉峰2

（1北京電子工程總體研究所，北京 100854；2北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076；3北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

以試驗(yàn)機(jī)作為機(jī)械加載系統(tǒng)，采用石英燈輻射加熱作為熱載荷施加系統(tǒng)，進(jìn)行了熱環(huán)境下加筋壁板壓縮穩(wěn)定性試驗(yàn)加載技術(shù)研究，重點(diǎn)解決了加筋壁板端部加載夾具設(shè)計(jì)及熱環(huán)境下加熱器設(shè)計(jì)及加熱等關(guān)鍵問題。力加載系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一套端部支持系數(shù)為常數(shù)的鉸支形式加載夾具配合試驗(yàn)機(jī)對(duì)加筋壁板進(jìn)行加載；熱加載系統(tǒng)采用石英燈輻射加熱的形式，設(shè)計(jì)了一種非水冷形式的平板加筋框架加熱器，并采取措施提高了加筋壁板的加熱均勻性。最后，應(yīng)用此項(xiàng)加載技術(shù)開展了熱環(huán)境下的加筋壁板壓縮穩(wěn)定性試驗(yàn)，驗(yàn)證了加載技術(shù)的可行性與有效性，為高溫環(huán)境下的加筋壁板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究提供了支撐。

加筋壁板；壓縮穩(wěn)定性；石英燈加熱；端部支持系數(shù)

0 引言

壁板結(jié)構(gòu)在飛機(jī)上大量使用，壁板結(jié)構(gòu)的熱屈曲現(xiàn)象對(duì)于結(jié)構(gòu)剛度具有重要的影響。目前關(guān)于熱環(huán)境下壁板結(jié)構(gòu)屈曲穩(wěn)定性的研究主要集中在理論分析和數(shù)值仿真方面[1-5]，試驗(yàn)主要為室溫下的加筋壁板屈曲試驗(yàn)，其試驗(yàn)方法趨于成熟[6-8]。而隨著高超聲速飛行器事業(yè)的發(fā)展，氣動(dòng)加熱引起的壁板結(jié)構(gòu)熱屈曲問題凸顯，壁板結(jié)構(gòu)的熱屈曲行為研究對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義，而目前關(guān)于熱環(huán)境下加筋壁板結(jié)構(gòu)熱屈曲行為開展的試驗(yàn)研究較少[9-11]，而高溫環(huán)境相比室溫環(huán)境，測(cè)試難度更大，研發(fā)熱環(huán)境下加筋壁板結(jié)構(gòu)熱屈曲試驗(yàn)系統(tǒng)顯得尤為必要。

本文基于加筋壁板在熱環(huán)境下的壓縮穩(wěn)定性試驗(yàn)需求，基于石英燈輻射加熱和試驗(yàn)機(jī)機(jī)械載荷加載，開展了熱環(huán)境下加筋壁板壓縮穩(wěn)定性試驗(yàn)加載技術(shù)研究，重點(diǎn)解決了加筋壁板加載夾具設(shè)計(jì)、加熱器設(shè)計(jì)、熱防護(hù)及力熱聯(lián)合載荷施加、熱環(huán)境下應(yīng)變采集等技術(shù)難題，并應(yīng)用此項(xiàng)加載技術(shù)完成了不同熱環(huán)境下的加筋壁板壓縮穩(wěn)定性試驗(yàn)，驗(yàn)證了加載技術(shù)的適用性，為開展熱環(huán)境下壁板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)提供了試驗(yàn)驗(yàn)證方法。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)在力熱聯(lián)合載荷作用下對(duì)加筋壁板壓縮穩(wěn)定性的試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了熱環(huán)境下加筋壁板壓縮穩(wěn)定性試驗(yàn)系統(tǒng)，主要由石英燈加熱、試驗(yàn)機(jī)加載和控制測(cè)量三個(gè)系統(tǒng)組成。主要設(shè)備有試驗(yàn)機(jī)、加載工裝、加熱器、應(yīng)變片、溫度傳感器（熱電偶）及數(shù)據(jù)采集和控制設(shè)備等，試驗(yàn)系統(tǒng)搭建如圖1所示。

圖1 熱環(huán)境下壁板壓縮穩(wěn)定性試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 力加載裝置

在加筋壁板壓縮穩(wěn)定試驗(yàn)中，需要設(shè)計(jì)專門的試驗(yàn)夾具來對(duì)壁板試驗(yàn)件施加壓縮載荷。不同類型的試驗(yàn)夾具對(duì)應(yīng)的端部支持系數(shù)是不同的，根據(jù)其端部邊界支持條件不同分為鉸支、簡(jiǎn)支和固支，其對(duì)應(yīng)的端部支持系數(shù)為1、1～4之間和4，以滿足不同的邊界模擬要求。

在壁板壓縮試驗(yàn)中，常要求端部支持系數(shù)小于2，簡(jiǎn)支夾具雖然支持系數(shù)可變，但其每次試驗(yàn)前均需開展模擬件的端部支持系數(shù)測(cè)試，極大的增加了試驗(yàn)成本。同時(shí)，屈曲試驗(yàn)對(duì)于壁板試驗(yàn)件的對(duì)中性具有較高的要求，現(xiàn)有的夾具主要為固定凹槽式的夾具，試驗(yàn)件對(duì)中性不可調(diào)，對(duì)試驗(yàn)件和試驗(yàn)夾具的加工精度同時(shí)提出了較高的要求，一旦加工出現(xiàn)誤差，易造成試驗(yàn)件與夾具的不匹配，增加了試驗(yàn)成本和試驗(yàn)周期。

為準(zhǔn)確獲取平板或加筋板的壓縮屈曲特性，便于和理論計(jì)算解進(jìn)行對(duì)比，本文設(shè)計(jì)了一種端部支持系數(shù)為常數(shù)的鉸支夾具，且該夾具具備夾持端對(duì)中性可調(diào)功能，如圖2所示。該鉸支夾具包括半圓形鉸塊，鉸塊平面一側(cè)加工一個(gè)矩形槽，矩形槽兩側(cè)開螺紋孔，試驗(yàn)件端部放入矩形槽內(nèi)，兩側(cè)設(shè)置有調(diào)位墊塊（板），兩側(cè)通過調(diào)位螺栓位置來實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)件兩端對(duì)中性的微調(diào)，保證試驗(yàn)機(jī)壓心、夾具形心以及試驗(yàn)件壓心同軸。半圓形鉸塊設(shè)置在截面為半圓形的滑槽座內(nèi)，滑槽座與半圓型鉸塊之間裝有滾棒實(shí)現(xiàn)鉸接連接。鉸支夾具的滑槽座底部設(shè)計(jì)有轉(zhuǎn)接工裝與試驗(yàn)機(jī)加壓裝置連接。

圖2 壁板壓縮試驗(yàn)鉸支夾具

1.2 熱加載裝置

輻射加熱是結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)廣泛采用的加熱方式[12]，相比高溫爐和環(huán)境溫箱，石英燈的熱慣性小，便于電控；同時(shí)體積小，功率大，可以拼裝成不同尺寸和形狀的加熱器。在本試驗(yàn)系統(tǒng)，采用石英燈輻射加熱的方式，加熱器根據(jù)加筋壁板的形狀設(shè)計(jì)為平板型加熱器，如圖3所示，為提高加熱效率，在壁板兩側(cè)采用雙面加熱的形式。

考慮到不同加熱溫度環(huán)境的需求，加熱器可設(shè)計(jì)為水冷加熱器和非水冷加熱器。本試驗(yàn)系統(tǒng)所需加熱溫度不高于500℃，采用經(jīng)過加筋結(jié)構(gòu)強(qiáng)化設(shè)計(jì)的非水冷加熱器，該加熱器反射板采用加筋框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)化處理，可保證反射板在長(zhǎng)時(shí)間高溫環(huán)境下，不發(fā)生大面積熱屈曲變形，從而保證了石英燈在加熱過程中的安全，同時(shí)，其不需要試驗(yàn)場(chǎng)地額外提供冷卻水循環(huán)系統(tǒng)支持，避免了試驗(yàn)過程中漏水引起的安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 壁板壓縮試驗(yàn)加熱器

常規(guī)試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)工作溫度為室溫環(huán)境，在高溫環(huán)境下易導(dǎo)致試驗(yàn)機(jī)工作異常，故需對(duì)試驗(yàn)機(jī)采取熱防護(hù)措施[13]。由于加熱器設(shè)計(jì)僅對(duì)加筋壁板段進(jìn)行加熱，試驗(yàn)機(jī)所用夾頭屬于大熱沉結(jié)構(gòu)，故本試驗(yàn)再在試驗(yàn)機(jī)上下夾頭、加載立柱、液壓油管等處分別用隔熱氈包裹進(jìn)行隔熱處理，并在外部使用鋁箔紙包裹（起到防塵功能），經(jīng)過熱防護(hù)處理后，可保證試驗(yàn)機(jī)滿足高溫環(huán)境下壓縮屈曲試驗(yàn)要求。

1.3 力熱聯(lián)合控制測(cè)量系統(tǒng)

力熱聯(lián)合試驗(yàn)控制測(cè)量系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)加載控制系統(tǒng)和測(cè)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩部分。

計(jì)算機(jī)加載控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)試驗(yàn)加載參量進(jìn)行控制，包含力載荷、位移及溫度熱載荷三個(gè)參量，其中力載荷和位移參量的控制通過試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制，熱載荷通過熱試驗(yàn)控制系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)或開環(huán)控制，其控制參量可為溫度參量或熱流密度參量。在本試驗(yàn)中，選擇加筋壁板壓心位置力載荷參量作為力載荷的控制參量，蒙皮中心位置溫度參量作為熱載荷的控制參量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)試驗(yàn)加載過程中的相關(guān)參量進(jìn)行測(cè)量，包含試驗(yàn)機(jī)反饋的力載荷、位移信號(hào)，加熱器反饋的電壓、電流信號(hào)，以及加筋壁板上溫度傳感器和應(yīng)變傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量的溫度和應(yīng)變信號(hào)。為便于對(duì)各個(gè)測(cè)量參量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將試驗(yàn)機(jī)反饋的力載荷、位移參量同加筋壁板上安裝的傳感器測(cè)量的溫度、應(yīng)變參量統(tǒng)一接入IMC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行同步實(shí)時(shí)連續(xù)采集。考慮到熱試驗(yàn)中，加筋壁板試驗(yàn)件上的傳感器直接暴露于熱輻射環(huán)境中存在強(qiáng)電干擾及長(zhǎng)時(shí)間易損壞等問題，對(duì)傳感器外表面采用鋁箔紙進(jìn)行了防輻射遮擋，測(cè)試導(dǎo)線進(jìn)行了熱防護(hù)及靜電屏蔽等措施，來保證測(cè)量數(shù)據(jù)獲取得穩(wěn)定可靠。

2 端部支持系數(shù)測(cè)試

2.1 試驗(yàn)件設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證加筋壁板力加載夾具的端部支持系數(shù)，設(shè)計(jì)等厚平板試件對(duì)該鉸接工裝進(jìn)行端部支持系數(shù)的測(cè)量。等厚平板形式與壁板壓縮正式試驗(yàn)件具有相同的長(zhǎng)度、寬度和截面慣性矩。根據(jù)平面等厚平板慣性矩計(jì)算公式=3/12，可計(jì)算獲得等厚平板的厚度。平面等厚平板上應(yīng)變片布點(diǎn)位置如圖4所示，在試驗(yàn)件長(zhǎng)度方向的1/6，1/3和1/2處兩面粘貼應(yīng)變單片。

圖4 等厚平板應(yīng)變片布點(diǎn)位置

2.2 測(cè)試過程

試驗(yàn)前，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行30 kN范圍內(nèi)加載調(diào)試，驗(yàn)證應(yīng)變片測(cè)試是否正常；通過左右對(duì)稱位置應(yīng)變片的變化，驗(yàn)證加載均勻性；調(diào)試無誤后，從零載荷開始分級(jí)加載壓縮載荷，載荷級(jí)差為10 kN，跟蹤測(cè)量載荷-應(yīng)變，加載至500 kN卸載。在逐級(jí)加載時(shí)注意同步觀測(cè)逐級(jí)測(cè)量的載荷-應(yīng)變曲線，確定載荷-應(yīng)變曲線上對(duì)應(yīng)失穩(wěn)的載荷值測(cè)試。

2.3 測(cè)試結(jié)果分析

試驗(yàn)測(cè)得的載荷-應(yīng)變曲線如圖5所示，在壓縮載荷較小時(shí)，試驗(yàn)件正反兩面的應(yīng)變變化規(guī)律保持一致，在逐級(jí)加載過程中，試驗(yàn)件開始逐漸失穩(wěn)，其正反兩面應(yīng)變值變化趨勢(shì)開始出現(xiàn)分叉，對(duì)失穩(wěn)前后應(yīng)變曲線采用割線法對(duì)臨界失穩(wěn)載荷進(jìn)行確定，可獲得測(cè)試臨界載荷值，測(cè)試= 300 kN。

圖5 端部支持系數(shù)測(cè)試試驗(yàn)件的載荷-應(yīng)變曲線

根據(jù)有限元板屈曲失穩(wěn)理論公式，可計(jì)算出平面等厚板試驗(yàn)件屈曲臨界載荷

cr=π2/2（2）

式中，為端部支持系數(shù)，為試件長(zhǎng)度，為試件有效長(zhǎng)度，cr為臨界載荷；為材料彈性模量；為調(diào)試件慣性矩。

在本試驗(yàn)中，試驗(yàn)件采用LY12鋁合金制成，彈性模量= 70 GPa，試驗(yàn)件長(zhǎng)度為= 570 mm，寬度= 600 mm，厚度= 16.5 mm，截面慣性矩= 224606.25 mm4，帶入計(jì)算公式可求得理論屈曲臨界載荷cr=275.86kN。

結(jié)合試驗(yàn)測(cè)得的臨界失穩(wěn)載荷值，可計(jì)算出端部支持系數(shù)，=測(cè)試/cr= 1.09，理論上鉸支的端部支持系數(shù)為1，但在實(shí)際工裝選材設(shè)計(jì)、加工及實(shí)際應(yīng)用過程中，考慮到加工精度、表面接觸產(chǎn)生的摩擦等因素，實(shí)際系數(shù)難以完全等于理論計(jì)算值，但通過試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證，其值超過理論計(jì)算值約10%范圍，且多次試驗(yàn)結(jié)果表明其為常數(shù)，滿足實(shí)際試驗(yàn)需求。

3 熱環(huán)境下的壁板壓縮穩(wěn)定性試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述加載技術(shù)的適用性，選取鈦合金T型加筋壁板作為試驗(yàn)件，進(jìn)行了高溫?zé)岘h(huán)境下的壓縮穩(wěn)定性試驗(yàn)。溫度傳感器選取K型熱電偶，分別焊接于加筋壁板的T型材筋條的腹板和蒙皮表面；應(yīng)變傳感器布置位置與熱電偶位置相似，具體位置如圖6所示。

圖6 傳感器位置與編號(hào)

3.1 熱載荷加熱驗(yàn)證

研究表明[14]，加熱器燈陣與試驗(yàn)件之間距離的增大，可有效消除加熱器燈頭盲區(qū)對(duì)試驗(yàn)件表面加熱效率降低的影響。在本試驗(yàn)中石英燈陣與加筋壁板試驗(yàn)件蒙皮表面距離設(shè)置為150mm。在相同加熱條件下，加筋壁板各部位的溫度分布可見表1。

可以看出，沿試驗(yàn)件對(duì)稱位置的蒙皮或筋條間的溫度接近，說明加熱器石英燈陣左右加熱均勻性較好；而在筋條表面未涂黑處理情況下，蒙皮與筋條表面的溫度差可達(dá)50℃以上，而經(jīng)過涂黑處理，溫度差可控制在40℃以下。可見，對(duì)加筋壁板試驗(yàn)件進(jìn)行筋條表面涂黑處理，可以有效提高試驗(yàn)件表面的吸熱效率，降低筋條與蒙皮間的溫度差。

表1 涂黑前后加筋壁板不同部位溫度對(duì)比

3.2 加筋壁板壓縮穩(wěn)定性試驗(yàn)驗(yàn)證

a）室溫環(huán)境下試驗(yàn)分析

室溫環(huán)境下加筋壁板壓縮穩(wěn)定性試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)變隨載荷變化曲線如圖7所示，其變化規(guī)律與室溫環(huán)境下加筋壁板的軸壓穩(wěn)定性試驗(yàn)中典型的載荷-應(yīng)變曲線[15]規(guī)律一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了本試驗(yàn)系統(tǒng)力加載方式的有效性。

圖7 室溫環(huán)境下的載荷-應(yīng)變曲線

b）熱環(huán)境下試驗(yàn)分析

選取加筋壁板蒙皮表面350℃熱環(huán)境下加筋壁板壓縮穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果（如圖8所示）進(jìn)行分析，熱環(huán)境下應(yīng)變變化規(guī)律整體上與室溫環(huán)境趨勢(shì)相似，但蒙皮臨界屈曲失穩(wěn)載荷值僅為40 kN，約為室溫下的一半，壓縮破壞載荷值210 kN也低于室溫下的280 kN。由于蒙皮表面與長(zhǎng)桁筋條間存在一定的溫度差，在軸壓載荷加載過程中，試驗(yàn)件蒙皮與長(zhǎng)桁筋條間的應(yīng)力會(huì)進(jìn)行協(xié)調(diào)匹配的動(dòng)態(tài)自平衡，在后屈曲階段，蒙皮與長(zhǎng)桁筋條出現(xiàn)不同程度的應(yīng)變測(cè)量抖動(dòng)現(xiàn)象，這是室溫環(huán)境下加筋壁板壓縮穩(wěn)定性試驗(yàn)中不曾出現(xiàn)的。

圖8 熱環(huán)境下的載荷-應(yīng)變曲線

熱環(huán)境下加筋壁板的壓縮穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果表明，高溫?zé)岘h(huán)境對(duì)于加筋壁板的壓縮穩(wěn)定性能具有重要影響。在加筋壁板力熱聯(lián)合試驗(yàn)過程中，石英燈輻射加熱器與鉸支夾具加載工作正常，可有效獲取試驗(yàn)所需關(guān)鍵數(shù)據(jù)，表明該加載技術(shù)能夠高效地完成熱環(huán)境下加筋壁板壓縮穩(wěn)定性試驗(yàn)。

4 結(jié)論

本文開展了熱環(huán)境下加筋壁板壓縮穩(wěn)定性試驗(yàn)加載技術(shù)研究，解決了加筋壁板端部加載夾具設(shè)計(jì)及熱環(huán)境下加熱器設(shè)計(jì)及加熱等技術(shù)難題。設(shè)計(jì)了一種端部支持系數(shù)為常數(shù)且對(duì)中性可調(diào)的加載夾具，并進(jìn)行了端部支持系數(shù)的測(cè)試驗(yàn)證。基于石英燈輻射加熱技術(shù)，完成了典型加筋壁板熱環(huán)境下的壓縮穩(wěn)定性試驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了本試驗(yàn)系統(tǒng)力熱聯(lián)合加載技術(shù)的有效性，為壁板結(jié)構(gòu)熱屈曲性能研究提供了有力的技術(shù)支撐。

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Research on Loading Technology of Compression Stability Test for Stiffened Panel in Thermal Environment

WU Yan-zeng1LI Li-yuan2SUN Xiao-na3WANG Cheng-liang2YIN Xiao-feng2

（1 Beijing Institute of Electronic System Engineering, Beijing 100854, China;2 Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076, China;3 Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing 100076, China）

The loading technology of compression stability test for stiffened panel in thermal environment is studied in this paper, which mainly consists of the testing machine as the mechanical loading system and the quartz radiation heating as the thermal loading system.It solves especially the key problems such as the structural design of the loading clamp for the end of stiffened panel and the heater for simulating the high temperature environment.A hinged form of loading clamp is designed to apply mechanical load in conjunction with the testing machine, where the end support factor for this loading clamp is one constant.A non-water cooling type of stiffened frame-structured heater is designed to apply thermal load by the radiant heating of quartz lamp, and some measures are taken to improve the heating uniformity for the stiffened panel.Lastly, a series of compression stability tests for stiffened panel in thermal environment were conducted, which verifies the feasibility and validity of this loading technology, it will provide technical support for the structural design of stiffened panel in the high temperature environment.

Stiffened panel; Compression stability; Quartz heating; End support factor

V216

A

1006-3919(2021)06-0059-06

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2021.06.009

2021-05-23；

2021-08-18

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(12002055)

吳彥增(1987—)，男，博士，研究方向：飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析；（100854）北京142信箱30分箱.