王毅，秦強(qiáng)，趙朋飛，張生鵬，王剛

（中國(guó)航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心，北京 100854）

導(dǎo)彈在高馬赫數(shù)飛行時(shí)，其舵面和翼面結(jié)構(gòu)將會(huì)面臨極為嚴(yán)酷的高溫環(huán)境，氣動(dòng)熱產(chǎn)生的高溫會(huì)使其材料和結(jié)構(gòu)的彈性性能發(fā)生改變，從而引起翼面和舵面結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性發(fā)生改變，并對(duì)導(dǎo)彈的顫振特性和控制特性產(chǎn)生很大的影響[1]。因此，導(dǎo)彈舵面在力和熱雙重耦合環(huán)境下的模態(tài)頻率變化特性隨溫度的變化規(guī)律，對(duì)于高速飛行導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)和可靠性設(shè)計(jì)具有重要意義[2]。當(dāng)飛行速度達(dá)到3馬赫時(shí)，其舵面和翼面結(jié)構(gòu)承受的高溫達(dá)到 500~600 ℃。為了獲得超過(guò)500 ℃的高溫環(huán)境下導(dǎo)彈舵面在高溫和振動(dòng)復(fù)合環(huán)境下的熱模態(tài)試驗(yàn)參數(shù)，將高溫瞬態(tài)熱試驗(yàn)系統(tǒng)與模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)相結(jié)合，建立可對(duì)高超聲速導(dǎo)彈舵面在500 ℃高溫環(huán)境下進(jìn)行熱模態(tài)研究的試驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)有限元仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方法開(kāi)展高溫結(jié)構(gòu)熱模態(tài)試驗(yàn)方法的研究，為高超速導(dǎo)彈的振動(dòng)和熱聯(lián)合問(wèn)題提供一種新的解決辦法。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家和研究學(xué)者對(duì)高超速飛行器所面臨的熱振、熱模態(tài)問(wèn)題進(jìn)行了理論分析和數(shù)值計(jì)算研究。Lee等[3]通過(guò)有限元仿真分析的計(jì)算方法，研究了碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料加筋板在高超聲速氣流加熱環(huán)境下的顫振特性。Brown[4]對(duì)X-34飛行器在高溫環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的模態(tài)固有頻率和振型變化進(jìn)行了理論分析和數(shù)值計(jì)算。Fu等[5]針對(duì)航天飛行器的復(fù)合材料梁結(jié)構(gòu)建立了動(dòng)力學(xué)分析模型，然后針對(duì)不同溫度對(duì)熱模態(tài)影響參數(shù)進(jìn)行了分析。由于力熱聯(lián)合環(huán)境下熱模態(tài)、熱振特性的理論分析需要試驗(yàn)作為驗(yàn)證，因此需要通過(guò)熱模態(tài)、熱振試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證理論分析振動(dòng)特性的正確性。20世紀(jì)60年代，美國(guó)NASA蘭利航空實(shí)驗(yàn)室的Vosteen等[6-7]在139 ℃的高溫環(huán)境下針對(duì)導(dǎo)彈舵翼面結(jié)構(gòu)在非均勻溫度下的模態(tài)振動(dòng)特性開(kāi)展了試驗(yàn)研究。20世紀(jì)90年代后，隨著激光測(cè)振技術(shù)的發(fā)展和成熟應(yīng)用，Kehoe和Sny-der[8-9]使用激光測(cè)振儀在 245 ℃的高溫環(huán)境下測(cè)得了近似舵面的平板試驗(yàn)件的高溫模態(tài)頻率和結(jié)構(gòu)振型。21世紀(jì)早期，國(guó)外發(fā)明了應(yīng)用于高溫模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試的耐高溫加速度傳感器。美國(guó) NASA等[10]軍事科研機(jī)構(gòu)使用耐高溫加速度傳感器在 482 ℃的高溫環(huán)境下對(duì)X-37的耐高溫結(jié)構(gòu)方向舵進(jìn)行了熱振聯(lián)合試驗(yàn)技術(shù)研究。21世紀(jì)初，韓國(guó)軍事機(jī)構(gòu)和高校聯(lián)合進(jìn)行了500 ℃高溫環(huán)境下的矩形平板結(jié)構(gòu)熱模態(tài)試驗(yàn)，使用了非接觸測(cè)量激光測(cè)振的方法對(duì)熱模態(tài)試驗(yàn)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，取得了良好的效果。針對(duì)熱模態(tài)試驗(yàn)對(duì)高溫測(cè)試提出的難題，國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者也使用了不同的測(cè)試方法進(jìn)行了相關(guān)的探究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王應(yīng)奇[11]對(duì)懸臂梁板在 300 ℃高溫下進(jìn)行了熱振聯(lián)合試驗(yàn)。北京機(jī)電工程研究所的麻連凈、蔡駿文等[12]對(duì)導(dǎo)彈舵面的熱模態(tài)試驗(yàn)激振方法展開(kāi)了研究，分析結(jié)果表明，采用激振器耐高溫加長(zhǎng)桿施加激振的方法和通過(guò)振動(dòng)臺(tái)施加激勵(lì)的方法是目前比較可行的熱模態(tài)試驗(yàn)激勵(lì)施加方法。北京強(qiáng)度環(huán)境研究所科研人員[13]對(duì)懸掛狀態(tài)的平板舵面實(shí)施單側(cè)面加熱，使用激光測(cè)振的方法在非加熱面測(cè)得了舵面的模態(tài)試驗(yàn)參數(shù)。北京航空航天大學(xué)的吳大方教授[14-15]建立了高溫環(huán)境下熱模態(tài)研究的熱/振聯(lián)合試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)1200 ℃高溫環(huán)境下板結(jié)構(gòu)的熱模態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行了研究和數(shù)值模擬，同時(shí)還對(duì) 1100 ℃高溫環(huán)境下高超聲速導(dǎo)彈的復(fù)合材料翼面結(jié)構(gòu)開(kāi)展了熱模態(tài)試驗(yàn)，為 1000 ℃以上高溫環(huán)境下翼舵結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性分析以及安全可靠性提供了重要的試驗(yàn)手段和參考依據(jù)。

文中以類(lèi)似舵面結(jié)構(gòu)的等腰梯形板為研究對(duì)象，開(kāi)展了熱模態(tài)試驗(yàn)方法的研究，設(shè)計(jì)了用于輔助施加激勵(lì)信號(hào)的水冷激振桿和用于信號(hào)測(cè)試的耐高溫陶瓷引伸桿。采用MTS控制系統(tǒng)，通過(guò)智能PID調(diào)節(jié)的方式，控制石英燈管提供高溫環(huán)境。設(shè)計(jì)了有效的試驗(yàn)方案，驗(yàn)證設(shè)計(jì)熱模態(tài)試驗(yàn)方法的可行性。利用有限元仿真分析與試驗(yàn)相結(jié)合的手段，得出溫度對(duì)模態(tài)參數(shù)的影響結(jié)果。

1 熱模態(tài)分析理論

模態(tài)是結(jié)構(gòu)的一種固有特性，由于不同因素的影響會(huì)有不同的變化，因此應(yīng)針對(duì)不同環(huán)境因素對(duì)模態(tài)參數(shù)的影響展開(kāi)研究。根據(jù)模態(tài)分析理論，結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的模態(tài)參數(shù)可通過(guò)式（1）求解

式中：K為結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；M為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣；φ為結(jié)構(gòu)的振型向量。

高溫環(huán)境條件下，結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)主要受材料特性變化（由溫度變化引起）和結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱應(yīng)力變化（高溫環(huán)境導(dǎo)致）的影響。另外，對(duì)于不同形狀的試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)而言，同時(shí)需要考慮形狀變化引起的幾何非線性變化等因素[16]。當(dāng)導(dǎo)彈舵面結(jié)構(gòu)受到高溫?zé)彷d荷影響后，式（1）中試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣M的變化微小，可忽略不計(jì)，而舵面試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)伴隨溫度的變化將發(fā)生較大的改變。在考慮溫度因素的影響時(shí)，試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)剛度矩陣可表示為：

式中：B為結(jié)構(gòu)的幾何矩陣；D為與材料彈性模量和泊松比有關(guān)的彈性矩陣。

與此同時(shí)，高溫環(huán)境產(chǎn)生的溫度梯度變化會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)不同的熱應(yīng)力。因此，在剛度矩陣表示時(shí)，需要考慮熱應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響，熱應(yīng)力引起剛度矩陣的變化可表示為：

式中：G為結(jié)構(gòu)形變產(chǎn)生的剛度函數(shù)矩陣；T為試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力矩陣。

綜上所述，在求解高溫環(huán)境下的高超聲速飛行器結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)時(shí)，要同時(shí)考慮材料參數(shù)變化和高溫產(chǎn)生的熱應(yīng)力引起的剛度矩陣變化。高溫環(huán)境下試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣K表示為：

式（4）中，KT與結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)在高溫環(huán)境下的變化有關(guān)，當(dāng)溫度升高時(shí)，導(dǎo)致材料的彈性模量下降，此時(shí)，總剛度矩陣K將會(huì)減小。熱應(yīng)力引起變化的剛度矩陣Kσ則與試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力改變有關(guān)。當(dāng)熱應(yīng)力總體呈現(xiàn)為拉應(yīng)力時(shí)，Kσ為正值，試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)的固有頻率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；當(dāng)熱應(yīng)力總體呈現(xiàn)為壓應(yīng)力時(shí)，Kσ為負(fù)值，試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)的固有頻率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。由于熱應(yīng)力引起變化的剛度矩陣Kσ與材料變化后的結(jié)構(gòu)剛度矩陣KT對(duì)結(jié)構(gòu)固有頻率的影響作用剛好相反，因此在熱模態(tài)分析中，要充分考慮到由熱拉應(yīng)力產(chǎn)生的附加熱應(yīng)力剛度矩陣Kσ在熱振分析時(shí)，是否在對(duì)總剛度矩陣K的總體影響中占據(jù)主要作用，這些剛度矩陣的變化將會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)產(chǎn)生重大的影響。

2 試驗(yàn)件與試驗(yàn)裝置

高溫下模態(tài)試驗(yàn)技術(shù)主要是通過(guò)搭建高溫?zé)崮B(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)（如圖1所示）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。用MTS控制系統(tǒng)采取溫度控的方式給試驗(yàn)件提供高溫環(huán)境，采用激振器組成的模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模態(tài)試驗(yàn)。通過(guò)帶水冷裝置的耐高溫加長(zhǎng)激振桿（如圖2所示）施加激勵(lì)。用耐高溫陶瓷桿（如圖3所示）進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的測(cè)試，耐高溫的陶瓷引伸桿可以把高溫的模態(tài)信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為常溫下測(cè)試加速度傳感器的數(shù)據(jù)。當(dāng)溫度達(dá)到某一數(shù)值并穩(wěn)定后，進(jìn)行模態(tài)激振試驗(yàn)，測(cè)得某一高溫下的模態(tài)參數(shù)。

圖1 高溫?zé)崮B(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 A diagram of high temperature thermal modal test system

圖2 耐高溫水冷激振桿Fig.2 A diagram of high-temperature resistant extended exciting rod with water cooling device

圖3 耐高溫陶瓷測(cè)試桿Fig.3 The high-temperature resistant ceramic extension rod

2.1 試驗(yàn)件

為了保證熱模態(tài)試驗(yàn)的順利進(jìn)行，試驗(yàn)件為類(lèi)似于導(dǎo)彈舵面結(jié)構(gòu)的等腰梯形板，所用材料為耐高溫鎳基合金（06Cr18Ni9Ti）。試驗(yàn)件長(zhǎng) 350 mm，寬為300 mm，厚度為 10 mm。試驗(yàn)件的兩腰上有 8個(gè)直徑為6 mm的通孔，用于連接陶瓷引伸桿，進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)而測(cè)試。試驗(yàn)件頂部有一個(gè)直徑為8 mm的通孔，用于連接激振桿；根部3個(gè)直徑為12 mm的通孔，用于固定試驗(yàn)件。等腰梯形板試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)Fig.4 A diagram of the structure of the test

2.2 模態(tài)試驗(yàn)裝置

模態(tài)試驗(yàn)裝置的重要部件包括：振動(dòng)控制儀、功率放大器、激振器、鼓風(fēng)機(jī)、耐高溫水冷激振桿、1個(gè)高溫加速度傳感器、9個(gè)常溫加速度傳感器、雙通接頭、數(shù)據(jù)采集儀、模態(tài)分析軟件等。模態(tài)信號(hào)的參數(shù)分析主要通過(guò)高溫模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)完成。振動(dòng)控制儀根據(jù)試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)所經(jīng)歷的環(huán)境任務(wù)剖面，輸出振動(dòng)信號(hào)波形。振動(dòng)波形經(jīng)過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，電壓激勵(lì)信號(hào)需要經(jīng)過(guò)功率放大器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)作用，從而驅(qū)動(dòng)激振器工作，帶動(dòng)耐高溫水冷激振桿進(jìn)行激振，使得試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)。此時(shí)，高溫加速度傳感器通過(guò)信號(hào)處理，將采集到的信號(hào)作為模態(tài)分析軟件輸入信號(hào)。本次試驗(yàn)方案設(shè)置8個(gè)常溫加速度傳感器采集舵面結(jié)構(gòu)表面的振動(dòng)信號(hào)，采集到的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大處理和模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，輸入到計(jì)算機(jī)中的模態(tài)信號(hào)處理軟件，進(jìn)行信號(hào)存儲(chǔ)和分析處理，高溫模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)搭建如圖5所示。

圖5 高溫模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.5 A system of high-temperature thermal modal test

2.3 高溫試驗(yàn)裝置

高溫試驗(yàn)裝置主要通過(guò)熱電偶反饋回來(lái)的溫度信號(hào)，經(jīng)過(guò)溫變采集器，轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，輸入到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。MTS操作系統(tǒng)根據(jù)反饋回來(lái)信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，采用溫度控的方式控制石英燈管的功率大小進(jìn)行加熱，從而獲得高溫加熱環(huán)境。黃銅加熱器兩端通入循環(huán)冷卻水，對(duì)加熱器根部進(jìn)行降溫。石英燈輻射高溫加熱系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 石英燈熱輻射高溫加熱系統(tǒng)Fig.6 High-temperature heating system for thermal radiation of quartz lamp

2.4 熱模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)

將石英燈輻射高溫試驗(yàn)裝置和模態(tài)試驗(yàn)裝置進(jìn)行組合，即可組成熱模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)。試驗(yàn)件通過(guò)固定夾具固定在立柱上，立柱通過(guò)地梁固定在水平地面上，試驗(yàn)件的上下表面采用石英燈進(jìn)行加熱，提供高溫環(huán)境，加熱器根部設(shè)計(jì)成中空狀態(tài)，用以通冷卻水對(duì)石英燈管的頭部進(jìn)行冷卻，加熱器的外部包絡(luò)一圈隔熱石棉氈進(jìn)行熱環(huán)境隔離。將耐高溫鎳基合金的短螺桿螺接于試驗(yàn)件上，短螺桿下端用耐高溫陶瓷膠粘接中空陶瓷桿，陶瓷桿下端粘貼膠木片后，粘貼加速度傳感器，從而進(jìn)行加速度測(cè)量。試驗(yàn)件從根部到試驗(yàn)件外沿部位依次粘貼 3個(gè)熱電偶，用于溫度測(cè)量（見(jiàn)圖6），熱電偶采用焊接的方式焊接在試驗(yàn)件上。在試驗(yàn)件的頂部固定耐高溫金屬激振桿進(jìn)行激勵(lì)，從而進(jìn)行熱模態(tài)試驗(yàn)的實(shí)施。陶瓷桿、激振桿、熱電偶的具體安裝方案如圖7所示。

圖7 熱模態(tài)試驗(yàn)安裝方案Fig.7 A diagram of installation of thermal modal test

3 有限元仿真分析

熱模態(tài)的有限元仿真分析主要是針對(duì)模型計(jì)算其結(jié)構(gòu)在高溫環(huán)境下的動(dòng)態(tài)特性，清晰地了解各階頻率和振型隨溫度變化的規(guī)律，同時(shí)進(jìn)一步指導(dǎo)試驗(yàn)的開(kāi)展。目前使用有限元軟件進(jìn)行熱模態(tài)仿真分析具有廣泛的應(yīng)用。文中選用三維建模軟件 CATIA進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)好的三維模型導(dǎo)入有限元仿真軟件ANSYS Worbench進(jìn)行常溫模態(tài)仿真分析和熱模態(tài)仿真分析。主要分為試驗(yàn)件建模、施加約束、賦材料屬性、網(wǎng)格劃分等步驟，最終提交有限元分析軟件ANSYS Worbench進(jìn)行熱模態(tài)仿真分析，分析結(jié)果經(jīng)過(guò)后處理可以得到舵面試驗(yàn)件各階固有頻率和模態(tài)振型變化，熱模態(tài)仿真分析步驟如圖8所示[17]。

圖8 熱模態(tài)仿真分析步驟Fig.8 A step of thermal modal simulation analysis

3.1 材料屬性

等腰梯形板試驗(yàn)件采用耐高溫鎳基合金（06Cr18Ni9Ti），鎳基合金的材料屬性見(jiàn)表1。

表1 耐高溫鎳基合金材料屬性Tab.1 Properties of high temperature resistance nickel alloy material

3.2 網(wǎng)格與約束

為了保證計(jì)算結(jié)果的精度，試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)采用HEX六面體網(wǎng)格劃分，在ANSYS Workbench中用sizing網(wǎng)格尺寸控制單元大小，設(shè)置單元尺寸為 2.0 mm，生成473 932個(gè)節(jié)點(diǎn)和101 865個(gè)單元。實(shí)際狀態(tài)下是在試驗(yàn)件根部通過(guò)螺釘連接上下工裝，有限元模型等效為在試驗(yàn)件根部3個(gè)孔位固支約束。

3.3 熱模態(tài)分析

常溫模態(tài)仿真分析主要是利用有限元軟件ANSYS Workbench中的Modal功能進(jìn)行仿真分析。高溫模態(tài)仿真分析時(shí)，首先利用Steady-State Thermal功能進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，導(dǎo)入溫度場(chǎng)；其次利用 Static Structural靜力分析，得到溫度分布對(duì)試驗(yàn)件產(chǎn)生的熱應(yīng)力結(jié)果；最后，利用Modal功能求得熱應(yīng)力對(duì)模態(tài)參數(shù)的影響。經(jīng)過(guò)上述分析，分別得到常溫下和高溫下各階模態(tài)的頻率、變形云圖、變化振型等結(jié)果。

常溫和 500 ℃高溫下的模態(tài)分析結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。從表2可以得出以下結(jié)論：隨著溫度的升高，各階模態(tài)頻率逐漸降低，主要是由于試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)的剛度隨著溫度升高逐漸降低所引起的；隨著模態(tài)階數(shù)的變化，前4階模態(tài)頻率變化最大值為8.10%；不同溫度下，一、二、四階彎曲變形，三階扭轉(zhuǎn)變形。

表2 常溫和高溫模態(tài)分析對(duì)比Tab.2 Comparison of modal analysis at normal temperature and high temperature

4 試驗(yàn)分析

4.1 試驗(yàn)過(guò)程

4.1.1 正弦掃頻試驗(yàn)

激振桿的正弦掃頻試驗(yàn)主要是為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的耐高溫水冷激振桿的傳遞效果。在激振器的輸出端法蘭盤(pán)（K1）和激振桿頂端試驗(yàn)件上激振點(diǎn)附件位置（K2）分別粘貼一個(gè)加速度傳感器，其余 8個(gè)加速度傳感器依次按照?qǐng)D7所示位置粘貼在試驗(yàn)件上，掃頻頻譜范圍為20~2000 Hz，加速度為0.1g，掃頻時(shí)間為3 min。多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻率高于1000 Hz時(shí)，控制曲線不穩(wěn)定，說(shuō)明激振桿在高頻區(qū)的傳遞性能不好。另根據(jù)有限元仿真結(jié)果可知，50 Hz以下沒(méi)有共振頻率點(diǎn)。因此，本次試驗(yàn)設(shè)置掃頻頻譜范圍為50~1000 Hz，掃頻時(shí)間為3 min。

正弦掃頻采用SD控制儀進(jìn)行控制，在激振器連接法蘭盤(pán)上粘貼加速度傳感器K1作為控制點(diǎn)進(jìn)行激勵(lì)，在激振桿頂端試驗(yàn)件上粘貼加速度傳感器K2作為測(cè)量，控制曲線和測(cè)量曲線如圖9所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在 50~1000 Hz，激振桿沒(méi)有出現(xiàn)共振頻率點(diǎn)，傳遞函數(shù)基本接近于1，表明激振桿傳遞性能良好，驗(yàn)證了水冷激振桿設(shè)計(jì)的合理性。

圖9 SD控制儀控制測(cè)量曲線和傳遞函數(shù)Fig.9 Control curve and transfer function diagram of SD controller

4.1.2 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)主要是為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的陶瓷引伸桿是否合理，有無(wú)陶瓷引伸桿對(duì)于試驗(yàn)件模態(tài)參數(shù)的影響效果。施加50~1000 Hz平直譜隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)，測(cè)量分兩種方式進(jìn)行，分別為在試驗(yàn)件上直接粘貼加速度傳感器和試驗(yàn)件上粘貼陶瓷引伸桿，然后陶瓷引伸桿下端通過(guò)膠木片粘貼8個(gè)傳感器，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理與分析后得到模態(tài)試驗(yàn)參數(shù)。工程上一般取前四階模態(tài)參數(shù)和振型，常溫下有無(wú)陶瓷引伸桿的隨機(jī)振動(dòng)模態(tài)的前四階頻率見(jiàn)表3。從表3可以看出，陶瓷引伸桿對(duì)試驗(yàn)件前四階模態(tài)頻率的影響較小，最大僅為0.84%，并且沒(méi)有改變?cè)囼?yàn)件各階振型，驗(yàn)證了陶瓷引伸桿設(shè)計(jì)的優(yōu)越性，在以后的高溫模態(tài)試驗(yàn)中可以借鑒參考。

表3 常溫前4階模態(tài)頻率與誤差Tab.3 The four modal frequency and error at normal temperature

4.1.3 高溫模態(tài)試驗(yàn)

按照2.4搭建好的高溫模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展高溫模態(tài)試驗(yàn)，本次試驗(yàn)控制部分由控制儀控制激振器通過(guò)耐高溫水冷激振桿進(jìn)行激勵(lì)信號(hào)的施加，測(cè)量部分由模態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)采集，在試驗(yàn)件上粘貼陶瓷引伸桿，陶瓷引伸桿下端通過(guò)膠木片粘貼8個(gè)傳感器作為輸出測(cè)量信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理與分析后得到模態(tài)試驗(yàn)參數(shù)。溫度控制部分由MTS操作系統(tǒng)采用溫度控制的方式對(duì)T2作為溫度控制點(diǎn)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)控制，T1和T3熱電偶作為測(cè)量點(diǎn)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)件溫度的實(shí)時(shí)變化。以合適的升溫速率控制試驗(yàn)件升溫到某一溫度，待試驗(yàn)件上3個(gè)熱電偶溫度穩(wěn)定后，激振器施加激勵(lì)，測(cè)試模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。測(cè)試完成后，繼續(xù)升溫到下一溫度穩(wěn)定點(diǎn)，溫度控制曲線如圖10所示。重復(fù)高溫試驗(yàn)1次，驗(yàn)證2次試驗(yàn)的重復(fù)性。

圖10 熱模態(tài)試驗(yàn)溫度控制曲線Fig.10 Temperature control curve for thermal modal test

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

本次高溫模態(tài)試驗(yàn)設(shè)定了200、400、500 ℃等3個(gè)駐溫點(diǎn)進(jìn)行模態(tài)激勵(lì)施加和測(cè)試。隨溫度的改變，各階模態(tài)頻率的變化見(jiàn)表4。500 ℃高溫環(huán)境下，前三階模態(tài)的振型如圖11所示。

表4 不同溫度環(huán)境下前四階模態(tài)頻率Tab.4 The four modal frequency at different temperatures Hz

圖11 500 ℃下前三階模態(tài)振型Fig.11 First three modal shape at 500 ℃: a) first order modality; b) second order modality; c) third order modality

4.3 結(jié)果分析

隨著環(huán)境溫度的不斷變化，模態(tài)的固有頻率也跟著發(fā)生了變化，但是振型基本保持不變，根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

1）隨著環(huán)境溫度的依次升高，試驗(yàn)件材料的剛度逐漸降低，附加熱應(yīng)力作用小于試驗(yàn)件材料屬性變化引起的剛度變化。依據(jù)公式（4）和試驗(yàn)結(jié)果分析對(duì)比，試驗(yàn)件剛度變化導(dǎo)致各階模態(tài)的頻率有逐漸降低的趨勢(shì)。

2）溫度從常溫20 ℃狀態(tài)變化到500 ℃過(guò)程，一階頻率降低了13 Hz左右，二階頻率降低了12 Hz左右，三階頻率降低了 44 Hz左右，四階頻率降低了48 Hz左右，試驗(yàn)結(jié)果正常，符合預(yù)期。

5 結(jié)論

1）通過(guò)50~1000 Hz的掃頻試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，激振桿沒(méi)有出現(xiàn)共振頻率點(diǎn)，且傳遞函數(shù)基本接近于1，表明激振桿傳遞性能良好，驗(yàn)證了水冷激振桿設(shè)計(jì)的合理性。

2）通過(guò)常溫下有無(wú)陶瓷引伸桿的對(duì)比試驗(yàn)可知，陶瓷引伸桿對(duì)試驗(yàn)件前四階模態(tài)頻率的影響較小，頻率變化的最大范圍僅為0.84%，并且沒(méi)有改變?cè)囼?yàn)件各階振型，從而驗(yàn)證了陶瓷引伸桿設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。相較于激光測(cè)振儀非接觸測(cè)量，避免了石英燈管強(qiáng)光源的干擾，在以后的高溫模態(tài)試驗(yàn)中可以借鑒參考。

3）500 ℃高溫環(huán)境下，由于高溫致使試驗(yàn)件材料的剛度逐漸降低，附加熱應(yīng)力引起的剛度矩陣沒(méi)有占主導(dǎo)作用，導(dǎo)致各階模態(tài)的頻率隨溫度升高呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。