鄧 杰，王洪磊

(海軍駐某廠軍事代表室，廣西 梧州 543004)

0 引言

簡單結(jié)構(gòu)的機械阻抗能夠通過理論計算獲取，但對于復雜結(jié)構(gòu)的機械阻抗通常采用試驗的方法來測定。目前常見的阻抗測試方法主要是借助于阻抗平臺，采用堵塞法獲取阻抗數(shù)據(jù)。球形撓性接管是目前艦船上常用的撓性接管[1]，它的管體呈球形結(jié)構(gòu)，具有良好的減振性能和較大的位移補償能力。由于球形撓性接管的幾何結(jié)構(gòu)和材料的本構(gòu)關系比較特殊，其機械阻抗難以直接用解析法精確計算得到，在工程應用當中主要靠試驗來測定，所以，設計一種試驗方案準確測定球形撓性接管的機械阻抗，探究其在不同工況下的變化規(guī)律，具有重要的意義。本文對球形撓性接管的機械阻抗測試方法進行了研究，由此獲知球形撓性接管的固有頻率，預測其減振效果，同時可為球形撓性接管的動力特性分析提供原始的參數(shù)，為其安裝和設計提供指導作用。

1 測試原理

球形撓性接管作為典型的兩端元件，可以將撓性接管視為一個線性單元，它兩端的作用力和振動速度可以用如下方程來描述[1]：

(1)

式中：F1、F2分別為輸入端與輸出端的作用力，N；V1、V2分別為輸入端與輸出端的速度響應，m/s；Z11、Z22分別為輸入端與輸出端的輸入機械阻抗，N·s/m；Z12、Z21分別為輸入端到輸出端與輸出端到輸入端的傳遞機械阻抗，N·s/m。

在測量機械阻抗時，使用的是加速度計。振動速度可以通過加速度除以虛數(shù)和頻率得到：

(2)

由式(1)和式(2)可以得到：

根據(jù)互易原理，對于兩端對稱的線性系統(tǒng)有：Z11=Z22，Z12=Z21。

2 機械阻抗測量

2.1 試驗裝置

整個試驗裝置主要由三部分組成：試驗臺架、激振系統(tǒng)和測試系統(tǒng)。軸向和橫向阻抗測量示意圖分別如圖1和圖2所示。

(1)試驗臺架

阻抗測試多采用堵塞法[3-4]，即要滿足輸出端響應為零，這就要求安裝撓性接管的基座必須有良好的剛性，基座的安裝頻率應該小于最小測試頻率的1/2.5，一階固有頻率則應該大于測量范圍的最大頻率，且輸入阻抗應該在被測元件輸入阻抗的十倍以上，這樣就可以忽略測試時平臺的響應。

本次試驗在某研究所的阻抗平臺上進行。該阻抗平臺水平度良好，表面光潔，有足夠的剛性，滿足阻抗實驗對基座的要求。為避免外界環(huán)境的干擾，平臺不直接與地面接觸，而是在平臺底部安裝了隔振器。通過隔振器與地面相連，減少了地面環(huán)境振動對阻抗測試的影響。

1—輸入端；2—輸出端。

1—為輸入端；2—為輸出端。

撓性接管在加載的情況下進行阻抗測試，在內(nèi)部充壓的時候其兩端受到約束，因此，還要有一套加載裝置，在測量時對其進行軸向約束。該裝置要能夠提供足夠的加載約束力，并且加載橫梁的靜剛度要在撓性接管的靜剛度的十倍以上，這樣才能確保準確測量撓性接管的機械阻抗。

(2)激振系統(tǒng)

激振系統(tǒng)由激振器、信號發(fā)生器、功率放大器及彈性吊架組成。信號發(fā)生器負責產(chǎn)生激勵信號，這種信號的能量通常較小，不能直接驅(qū)動激振器工作，需通過功率放大器將功率放大后轉(zhuǎn)換成具有足夠能量的電信號，驅(qū)動激振器工作。激振器頂桿與撓性接管封頭通過阻抗頭連接，阻抗頭用以測量輸入端的力及加速度響應。為了確保施加的激振力是沿單一方向的，有必要在激振器頂桿和阻抗頭之間加一細長的推力桿。

激振系統(tǒng)必須保證激勵力在測量的頻率范圍內(nèi)作用在撓性接管上，同時，激勵的振動響應要遠大于環(huán)境振動，激勵力必須大于干擾力10 dB以上。

(3)測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)由傳感器、信號調(diào)理器、信號放大器與數(shù)據(jù)采集及分析器組成。傳感器負責采集被測的機械量，并經(jīng)過信號調(diào)理器轉(zhuǎn)換成電信號，然后經(jīng)過電荷放大器將信號增強后輸出到數(shù)據(jù)采集器，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析可以輸出目標結(jié)果。

本次機械阻抗測量儀器按圖3進行連接。

圖3 測量元件連接框圖

2.2 測試方法

測試前先對被測撓性接管進行觀察，要求撓性段不能有缺陷，結(jié)構(gòu)上不能有扭曲、褶皺等異常現(xiàn)象。準備好試驗所需的所有設備、儀器儀表、連接附件等[5]。

(1)球形撓性接管軸向機械阻抗測試

測試時，被測球形撓性接管的輸出端通過所選墊板與測力板相連，被測撓性接管輸入端安裝力傳感器與加速度計，采用立式加載裝置對撓性接管施加約束，施加約束至額定載荷后鎖緊加載裝置。連接測試系統(tǒng)，使用激振器對撓性接管輸入端沿軸向方向施加振動激勵。測量撓性接管輸入端與輸出端的軸向動態(tài)力與振動響應信號，基于數(shù)據(jù)處理可得到撓性接管軸向輸入與傳遞機械阻抗。

(2)球形撓性接管橫向機械阻抗測試

為了便于撓性接管橫向機械阻抗的測試，需采用相同型號同批次的兩個試件對稱安裝進行測試。使用中間過渡板將兩相同的撓性接管輸入端端面連接起來，兩輸出端端面通過所選墊板與測力板相連，利用臥式加載裝置對撓性接管施加約束，加載至額定壓力后鎖緊加載裝置。將力傳感器與加速度計安裝在輸入端和輸出端，連接好測試設備，使用激振器對撓性接管輸入端橫向施加振動激勵。測量撓性接管輸入端與輸出端的橫向動態(tài)力與振動響應信號，基于數(shù)據(jù)處理得到撓性接管的橫向輸入與傳遞機械阻抗。

2.3 數(shù)據(jù)采集與處理

數(shù)據(jù)采集要通過數(shù)據(jù)采集儀實現(xiàn)。在采集數(shù)據(jù)時，要把傳感器的信號全面采集，否則可能會造成數(shù)據(jù)失真。在測量頻率范圍內(nèi)，采集到輸入端的激振力及加速度響應、輸出端的反作用力，然后對其進行數(shù)據(jù)處理。

(1)計算輸入阻抗的虛部

(4)

(2)計算輸入阻抗的實部

(5)

(3)輸入阻抗的幅值

∣Z11(ω)∣=[(ReZ11(ω) )2+

(ImZ11(ω))2]0.5

(6)

(7)

式中：k(ω)為幅值函數(shù)，用來修正測量數(shù)據(jù)，在實驗前需標定測力版并給出這個函數(shù)。

2.4 試驗結(jié)果與分析

本次球形撓性接管機械阻抗試驗選用規(guī)格為DN100的球形管，分別測試了內(nèi)壓為0、1、2 MPa時的軸向機械阻抗及橫向機械阻抗，根據(jù)所測阻抗數(shù)據(jù)繪制出阻抗圖譜如圖4和圖5所示。將內(nèi)壓為0 MPa時所測得的軸向機械阻抗與采用無矩薄殼理論計算得到的結(jié)果[6]及采用ANSYS有限元仿真結(jié)果進行比較，結(jié)果如圖6所示。

圖4 不同壓力時的軸向輸入/傳遞機械阻抗

圖5 不同壓力時的橫向輸入/傳遞機械阻抗

圖6 0 MPa時的軸向輸入/傳遞機械阻抗

從圖4可知，隨著內(nèi)壓的增大，輸入阻抗和傳遞阻抗值均有所增大，且一階固有頻率會往高頻出現(xiàn)偏移，說明球形管在充壓時，管體沿軸向方向會變硬，剛度增大。

從圖5可以看出，橫向機械阻抗隨內(nèi)壓的變化趨勢與軸向機械阻抗的相似，只是阻抗值及共振和反共振的頻率變化更加明顯，可知內(nèi)壓對球形管橫向機械阻抗的影響要比軸向機械阻抗的影響更大。球形管在充壓時，管體橫向方向的剛度增大更加顯著。阻抗曲線在低頻時出現(xiàn)扁平狀，可能是由于力放大器低頻頻響不足造成的。

由圖6可以看出，當管體無內(nèi)壓作用時，球形管沿軸向方向的機械阻抗試驗結(jié)果與理論計算結(jié)果及有限元仿真結(jié)果吻合程度較好，三種方法所得的輸入阻抗和傳遞阻抗的趨勢和大小都十分一致。

3 結(jié)論

本文對球形撓性接管的機械阻抗進行了試驗研究，介紹了測試原理和測試方法，并分別測試了球形管在不同內(nèi)壓作用下的軸向機械阻抗和橫向機械阻抗。從測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同的靜壓工況對球形撓性接管的阻抗會有影響，阻抗值會隨內(nèi)壓的增大而變大，在撓性接管的工作中一定要考慮內(nèi)壓的影響。把無內(nèi)壓作用時的試驗結(jié)果和理論計算結(jié)果及有限元仿真結(jié)果進行比較，得到了很好的一致性，說明了測試方法的可行性。該方法也適用于其他的特殊結(jié)構(gòu)的兩端元器件的軸向和橫向阻抗的測試。

由于球形撓性接管結(jié)構(gòu)的特殊性，本文只對軸向和橫向機械阻抗進行了測試，沒有對其扭轉(zhuǎn)阻抗進行測試，在今后的工作中，將進一步探索測試其扭轉(zhuǎn)阻抗的有效方法，全面獲取球形撓性接管的阻抗參數(shù)。