高溫環境下復合材料加筋壁板振動/噪聲動態結構破壞模式研究

孫玉昆，王和，2，陳國一，金龍，王明

（1.天津航天瑞萊科技有限公司沈陽分部，沈陽 110027；2.北京強度環境研究所，北京 100076）

引言

在航空航天技術飛速發展的21 世紀，各國的防空技術和反導技術越來越先進，攔截各類飛機和導彈的能力越來越強，高超音速飛行器逐漸成為目前公認的最有效的新式裝備。高超音速飛行器在飛行過程中，翼舵結構和防護結構會處于嚴酷的熱噪/熱力環境中，極易發生失效破壞，對飛行器的安全造成嚴重威脅。為提升飛行器的可靠性，國內科研機構針對耐高溫、耐噪聲、耐振動的新式復合材料的研發開展了眾多研究。本文通過對一種復合材料加筋壁板進行室溫振動試驗、高溫振動試驗、室溫噪聲試驗、高溫噪聲試驗，并在試驗過程中采集高溫振動及高溫噪聲下的加速度響應，記錄了試驗件的破壞形式以及復合材料加筋壁板動態破壞時響應變化規律，為復合材料加筋壁板的結構設計和使用提供試驗依據。

1 試驗技術方案

1.1 室溫/高溫振動試驗實施方案

室溫/高溫振動試驗系統包括振動載荷加載系統、熱載荷施加系統及測量控制系統。振動載荷加載系統：采用電動式振動臺，試驗過程采用閉環控制；加熱系統：由石英燈加熱器組成，通過輻射加熱模擬熱載荷；測量控制系統包括加速度監測/控制、溫度監測控制、應變信號實時采集：加速度監測/控制-采用激光測振儀監測試驗件的振動幅值響應，實時記錄測量點時域、頻域數據和振動響應頻率降低的時間；溫度控制與監測-在試驗件上布置溫度傳感器，建立試驗件整體溫度梯度，以便保持或驗證溫度符合容差要求；應變采集-采用常溫應變和高溫應變片實時記錄測量點時域、頻域數據和振動響應頻率降低的時間。室溫/高溫振動試驗實施方案如圖1 所示。

圖1 室溫/高溫振動試驗實施方案

1.1.1 振動載荷施加

振動試驗加載采用電動式振動臺，試驗采用閉環4點平均控制，控制點位于試驗工裝上靠近試驗件的位置。試驗中為防止試驗過程中地回路干擾，控制傳感器螺接到絕緣塊上，再通過絕緣塊連接到控制點上。試驗時將控制儀生成的驅動信號通過功率放大器逐級放大，然后驅動振動臺工作，同時控制點的響應信號反饋回控制儀，將其與設定好的參考譜或量級進行比較、修正，得出新的驅動譜，如此反復，使控制譜達到并滿足試驗控制精度要求。

試驗過程中，信號采集和處理系統監視控制點及測點響應，具體振動控制及測量過程見圖2。

圖2 振動試驗控制及測量過程框圖

1.1.2 高溫載荷施加

典型結構件的熱載荷加載采用成熟的高功率紅外石英燈加熱技術，石英燈具有加熱溫度高，控制性能好，熱場靈活等特點，適合不同規模下不同外形結構的各類材料的熱載荷模擬。

根據試驗件的形狀尺寸大小和加熱最高溫度要求（700 ℃），采用石英燈管作為加熱元器件，因試驗件為加筋壁板結構且為單面加熱，將石英燈設計一個平板型，加熱器加熱區域700 mm*700 mm，遠大于試驗件的尺寸，保證試驗件受熱均勻。

石英燈加熱主要原理為加熱器控制系統中加熱元件由電功率調節裝置供電，其所發出的輻射熱由溫度傳感器接受，經放大后輸入計算機進行比較、運算和校正調節后的控制信號輸出給電功率調節裝置，改變加熱石英燈的兩端電壓值，從而控制輻射熱流密度的大小。

由于在高溫及振動聯合加載情況下，溫度傳感器極易損壞，高溫振動聯合試驗采用開環電壓控制石英燈系統，即當試驗件上溫度測點達到溫度要求時，采用記錄的電壓值維持試驗件溫度穩定，以便防止溫度傳感器在振動試驗過程中掉落或損壞，導致溫度控制系統異常。

1.1.3 振動試驗載荷及約束條件

振動試驗分別在室溫和高溫（700±20）℃（蒙皮溫度）條件下進行，試驗載荷譜為寬帶隨機振動載荷，隨機振動載荷有效值為30.96 GRMS。

試驗件通過夾具固定在振動臺上，試驗件通過兩端邊的螺栓孔與夾具連接；試驗件安裝時，通過力矩扳手保持擰緊力矩一致，使試驗件固有振動頻率保持一致。

1.2 室溫/高溫噪聲試驗實施方案

噪聲試驗采用單通道熱噪聲行波管進行噪聲、溫度加載，試驗系統包括行波管及配套工裝裝置、溫度控制加載系統、噪聲控制加載系統、試驗數據測量采集系統等。試驗件通過特定工裝與行波管進行連接，試驗件安裝在行波管壁板中間位置，與行波管兩側的壁板距離保持一致。試驗系統示意圖如圖3 所示。

圖3 室溫/高溫噪聲試驗實施方案

1.2.1 噪聲載荷施加

噪聲采用熱與噪聲復合式行波管進行加載。聲源為1 個12 kw 電動氣流揚聲器。電動氣流揚聲器（簡稱揚聲器）由換能器（音頭）與專門設計的指數號筒組成。揚聲器由空壓機系統產生的低壓壓縮空氣驅動發聲而產生行波聲場。聲譜通過輸入給換能器內動圈的控制信號進行控制。

在行波管試驗段上選擇兩點安裝傳聲器，取平均信號作為控制信號，設定（控制）譜為試驗要求的聲譜。通過控制每個揚聲器的輸入功率譜，調整行波聲場的聲譜，使每一路測量的聲信號與試驗條件（聲譜）逼近，并最終達到一致（即滿足容差要求），具體噪聲試驗控制及測量過程見圖4。

圖4 噪聲試驗控制及測量過程框圖

1.2.2 高溫載荷施加

噪聲熱載荷以輻射加熱方式實施，熱載荷實施的主體為輻射加熱器，加熱器與行波管組合在一起即構成了熱復合式形波管。

熱復合式行波管按照行波管的設計原則進行聲場流道的設計，按照加熱功率及分區進行加熱器的設計，加熱器的反射板既作為加熱元件的安裝基礎、反射平面，又構成行波管的主體。加熱元件于噪聲場內部，受到強噪聲作用，因此，要求加熱元件及其安裝結構具有耐噪聲性能。目前，耐噪聲加熱器具有500 ℃、165 dB 的加熱及耐噪聲能力。

加熱器主體、加熱元件供電電極均為水冷卻結構。

加熱區為平面，設計平面加熱器。整個加熱面分為1 個加熱區。有效加熱區域約為550 mm×550 mm，滿足加熱要求。

由于在高溫及噪聲聯合加載情況下，溫度傳感器極易損壞，高溫噪聲聯合試驗采用開環電壓控制加熱系統，即當試驗件上溫度測點達到溫度要求時，采用記錄的電壓值維持試驗件溫度穩定，以便防止溫度傳感器在噪聲試驗過程中掉落或損壞，導致溫度控制系統異常。

1.2.3 噪聲試驗載荷及約束條件

試驗載荷為寬帶隨機噪聲譜， 譜型按照GJB 150.17A-2009 中提供的標準譜執行，總聲壓級為165.2 dB。

通過設計轉接夾具，將試驗件通過兩側的安裝孔安裝在行波管試驗段艙壁上，在安裝時，在試件和固定夾具間增加耐高溫柔性材料防止應力集中，試驗件的受試面（光面）作為行波管的一部分，暴露于聲激勵中。使該面與管道的內表面齊平，以防止引入空腔共鳴或局部紊流效應。

1.3 溫度、加速度及應變測量方法

溫度測量方法：在高溫振動及高溫噪聲試驗前，需在試驗件上布置溫度傳感器，以檢驗目標溫度載荷下試驗件溫度情況，溫度傳感器布置如圖5 所示，溫度傳感器在調試過程中選取5 點進行，中心點K1 為溫度控制點，K2、K3、K4、K5 作為溫度測量點，以保證試驗件各個位置的溫度均符合（700±20）℃的容差要求。溫度傳感器采用膠接方式進行安裝，其引線采用膠接方式進行固定。

圖5 溫度測點位置

加速度測量方法：振動試驗及噪聲試驗的加速度測量均采用非接觸式紅外激光測振儀，VibroFlex 高性能單點式激光測振儀具有以下特點：紅外激光測振儀，具有極高靈敏度，對高溫環境下的測試具有高可靠性，特別是測試試驗件處于高溫環境，其極高靈敏度使測試增加了高可靠性；高靈敏度光學頭，配置長距離鏡頭，可遠距離非接觸測試物體的振動。不受物體材料性質、溫度等的影響；光學頭具有自動聚焦功能；信號處理器采用模塊式結構，以適應不同應用的要求，具有極大的動態范圍，可測量從亞原子級微弱振動到上百萬g 強沖擊振動；采樣頻率：（0～100）kHz。

2 試驗過程與結果

2.1 室溫/高溫振動試驗過程

室溫振動試驗中，試驗件按實際工作狀態安裝在專用夾具上，夾具剛性固定在振動臺動圈上，試驗采用四點平均方式控制。控制點均位于試驗件與夾具的剛性連接處。試驗過程中通過激光測振儀實時監測加速度響應數據。

試驗件#01 在室溫下有效振動時長2 h 40 min 時，加速度響應及應變監測頻率突降，檢查發現壁板的外側筋板出現橫向擴展裂紋，加速度一階響應變化曲線如圖6所示。

圖6 加速度響應變化曲線對比（#01）

高溫振動試驗中，石英燈系統以1℃/s 的升溫速率開始加溫，待試驗件溫度穩定后，開始高溫振動試驗，各點溫度均符合（700±20）℃的容差要求，溫度控制/監測曲線如圖7 所示。試驗件#02、#03 分別在在高溫下有效振動時長第42 min、38 min 時，加速度響應監測頻率出現突降現象，檢查發現擴展裂紋均分布在壁板的外側筋板上。室溫振動后通過與仿真計算結果相比（表1），破壞模式及加速度1 階響應峰值與仿真結果較一致。

圖7 高溫振動試驗溫度控制/監測曲線

2.2 室溫/高溫噪聲試驗過程

室溫噪聲試驗時，試驗件按要求狀態安裝在專用夾具上，夾具剛性固定在行波管試驗段上，使得試驗件表面和行波管側壁處于同一平面，噪聲沿管道傳播，并以掠入射方式施加在試驗件的表面上。在行波管試驗段上選擇兩點安裝傳聲器，分別位于試驗件長度1/4、3/4 位置處，取平均信號作為控制信號，設定（控制）譜為試驗要求的聲譜，通過控制每個揚聲器的輸入功率譜，調整行波聲場的聲譜，使每一路測量的聲信號與試驗條件（聲譜）逼近，并最終達到一致（即滿足容差要求）。試驗過程中通過激光測振儀實時監測加速度響應數據。

試驗件#04 在室溫下有效噪聲時長5 h 32 min 時，加速度響應監測頻率突降，檢查發現壁板的外側筋板與蒙皮連接的鉚釘掉落。

高溫噪聲試驗中，石英燈系統以1 ℃/s 的升溫速率開始加溫，待試驗件溫度穩定后，開始高溫振動試驗，各點溫度均符合（450±15）℃的容差要求，溫度控制/監測曲線如圖8 所示。試驗件#05、#06 分別在在高溫有效噪聲時長第2 h 55 min、2 h 37 min 時，加速度響應監測頻率出現突降現象，檢查發現壁板的外側筋板與蒙皮連接的鉚釘掉落。室溫噪聲后通過與仿真計算結果相比（表2），破壞位置及加速度1 階響應峰值與仿真結果較一致。

表2 室溫噪聲試驗結果與仿真計算結果對比

圖8 高溫噪聲試驗溫度控制/監測曲線

2.3 試驗結果

通過對某復合材料加筋壁板進行室溫/高溫下的振動試驗、噪聲試驗，得到該試驗件的破壞位置、響應變化結果及破壞時間，振動試驗結果如表3 所示。

表3 室溫/高溫振動、噪聲試驗結果

3 結束語

本文針對復合材料加筋壁板的動態結構破壞模式問題，分別設計了室溫和高溫環境下的振動/噪聲試驗實施技術方案，同時選用非接觸式測試方法測試加速度響應信號，全時段采集高溫下的試件響應，能及時發現試驗件破壞時間。將室溫下振動/噪聲試驗的結果與仿真結果對比，試驗件響應頻率、破壞位置與仿真結果一致，表明了試驗方法的有效性。

通過實際的試驗實施，驗證了高溫振動及高溫噪聲試驗方案的合理性，并給出了復合材料加筋壁板在室溫/高溫下振動和噪聲分別影響下的破壞時間及破壞模式。復合材料加筋壁板的工作區域溫度一般較高，高溫下的破壞失效模式對于改進工藝及結構有參考意義。