CN105416609B - 一种多场耦合试验系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及飞行器载荷测试技术领域，特别是涉及一种多场耦合试验系统及试验方法，以解决现有的试验系统及试验方法无法模拟飞行器高速飞行时的实际受载环境的问题。多场耦合试验系统包括：振动控制系统，用于受控地对试验件施加振动载荷；噪声控制系统，用于受控地对试验件施加噪声载荷；温度控制系统，用于受控地对试验件施加热载荷；静力控制系统，用于受控地对试验件施静压载荷；动态应变仪，用于采集应变计监测的应变信息；数据采集系统，用于采集激光测振仪监测的加速度响应信息。本发明多场耦合试验系统和试验方法中，能够同时对试验机进行多种载荷加载试验，从而模拟飞行器高速飞行时的实际受载环境，使得对试验件的加载试验结果更准确。

Description

一种多场耦合试验系统及试验方法

技术领域

本发明涉及飞行器载荷测试技术领域，特别是涉及一种多场耦合试验系统及试验方法。

背景技术

随着我国航空航天科学技术高速发展，各类新型号飞行器层出不穷。其中高超声速飞行器是目前国际航空航天领域最为活跃的研究领域之一。它们在大气层内以数倍于音速的速度飞行，飞行器表面要经受极端严酷的复杂载荷环境，包括热载荷、气动载荷、振动载荷、噪声载荷等，如飞行器蒙皮、航天器隔热防护板等结构暴露在越来越严酷的热、声、振、静综合环境中。

一般的试验研究方法中，受试验条件的限制，大多只能对各种载荷单独加载进行试验，很难模拟飞行器高速飞行时的实际受载环境。而多载荷联合作用对飞行器结构动态特性的影响比单一载荷严重的多，不同载荷场之间的耦合效应严重威胁着高超声速飞行器结构整体的安全性和可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供了一种多场耦合试验系统及试验方法，以解决现有的试验系统及试验方法无法模拟飞行器高速飞行时的实际受载环境的问题。

本发明的技术方案是：

一种多场耦合试验系统，用于对预定的试验件进行预定载荷加载试验，所述多场耦合试验系统包括行波管，所述行波管的两个相对的侧面板为石英玻璃板，所述多场耦合试验系统还包括：

振动控制系统，具有振动台和加速度传感器，所述行波管设置在所述振动台上，所述试验件固定设置在所述行波管中，所述振动台用于对所述试验件施加振动载荷，所述加速度传感器用于监测所述试验件的振动载荷；

噪声控制系统，具有均设置在所述行波管中的扬声器和传声器，所述扬声器用于对所述试验件施加噪声载荷，所述传声器用于监测所述试验件承受的噪声载荷；

温度控制系统，具有加热器和温度传感器，所述加热器分别设置在所述石英玻璃板的外侧，用于透过所述石英玻璃板对所述试验件施加热载荷，所述温度传感器设置在所述试验件上，用于监测所述试验件的温度载荷；

静力控制系统，具有空压机和压力传感器，所述空压机通过管道伸入所述行波管内，并与所述试验件的进气口连通，用于对所述试验件施加静压载荷，所述压力传感器设置在所述试验件上，用于监测所述试验件承受的静压载荷；

应变计，设置在所述试验件上，用于监测所述试验件的应变信息；

动态应变仪，与所述应变计连接，用于采集所述应变计监测的应变信息；

激光测振仪，设置在所述石英玻璃板的外侧，且所述激光测振仪的激光穿过同侧的所述石英玻璃板后照射到所述试验件的中心点处，用于监测所述试验件中心点处的加速度响应信息；

数据采集系统，用于采集所述激光测振仪监测的加速度响应信息。

优选的，所述振动控制系统还具有振动控制仪，所述振动控制仪用于根据所述加速度传感器反馈的振动信息对所述振动台进行控制。

优选的，所述噪声控制系统还具有噪声控制仪，所述噪声控制仪用于根据所述传声器反馈的噪声信息控制所述扬声器。

优选的，所述温度控制系统还具有温度控制仪，所述温度控制仪用于根据所述温度传感器反馈的温度信息控制所述加热器。

优选的，所述静力控制系统还具有压力控制仪，所述压力控制仪用于根据所述压力传感器反馈的静压信息控制所述空压机。

优选的，所述应变计包括8块，均匀分布在所述试验件上。

优选的，所述激光测振仪包括两台，对称设置在所述行波管的两侧。

本发明还提供了一种根据权利要求上述任一项所述的多场耦合试验系统的试验方法，包括如下步骤：

步骤一、分别对试验件进行振动、噪声、温度以及静压四种载荷的调试加载；

步骤二、通过动态应变仪和激光测振仪分别对处于不同载荷下的所述试验件进行监测，并根据监测结果分别判断所述四种载荷的调试加载是否都有效；如果都有效、则进行步骤三；否则，对其中无效的载荷加载的加载设备进行调整，返回步骤一，并重新进行调试加载，直到有效；

步骤三、在所述振动、噪声、温度以及静压四种载荷中，选取任意两种同时对所述试验件进行调试加载；

步骤四、通过所述动态应变仪和所述激光测振仪分别对处于两种载荷下的所述试验件进行监测，并根据监测结果分别判断所述两种载荷的调试加载是否耦合；如果耦合、则进行步骤五；否则，对两种载荷加载的加载设备进行调整，返回步骤三，并重新进行调试加载，直到耦合；

步骤五、在所述振动、噪声、温度以及静压四种载荷中，选取任意三种同时对所述试验件进行调试加载；

步骤六、通过所述动态应变仪和所述激光测振仪分别对处于三种载荷下的所述试验件进行监测，并根据监测结果分别判断所述三种载荷的调试加载是否耦合；如果耦合、则进行步骤七；否则，对三种载荷加载的加载设备进行调整，返回步骤五，并重新进行调试加载，直到耦合；

步骤七、选取所述振动、噪声、温度以及静压四种载荷同时对所述试验件进行调试加载；

步骤八、通过所述动态应变仪和所述激光测振仪分别对处于四种载荷下的所述试验件进行监测，并根据监测结果分别判断所述四种载荷的调试加载是否耦合；如果耦合、则进行步骤九；否则，对四种载荷加载的加载设备进行调整，返回步骤七，并重新进行调试加载，直到耦合；

步骤九、在预定的加载时间和加载量级调节下选取所述四种载荷同时对所述试验件进行正式加载，通过所述动态应变仪和所述激光测振仪分别对处于四种载荷下的所述试验件进行监测；

步骤十、根据步骤九中所述动态应变仪和所述激光测振仪的监测结果，获取所述试验件的耦合响应特性。

本发明的优点在于：

本发明多场耦合试验系统和试验方法中，能够同时对试验机进行多种载荷加载试验，从而模拟飞行器高速飞行时的实际受载环境，使得对试验件的加载试验结果更准确。

附图说明

图1是本发明多场耦合试验系统中试验装置的结构示意图；

图2是本发明多场耦合试验系统的构成示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

下面结合附图1和图2对本发明多场耦合试验系统做进一步详细说明。

本发明提供了一种多场耦合试验系统，用于对预定的试验件11进行预定载荷加载试验。预定的试验件11可以根据需要进行适合的选择，例如飞行器蒙皮、航天器隔热防护板等；预定载荷可以选择为振动、噪声、热以及静压等载荷中的一个或几个。

多场耦合试验系统包括行波管12，行波管12可以根据试验件需要选择多种适合的规格，本实施例中优选行波管截面尺寸为500mm×110mm，且在行波管底部开尺寸为200mm×60mm的矩形口；进一步，在行波管12的两个相对的侧面板用石英玻璃板13替代。

本发明的多场耦合试验系统还包括振动控制系统2、噪声控制系统3、温度控制系统4、静力控制系统5、应变计61、动态应变仪、激光测振仪71等。

振动控制系统2用于受控地对试验件11施加振动载荷，振动控制系统2中包括振动台21、加速度传感器22，且本实施例中优选为5T振动台。其中，行波管12是设置在振动台21上，试验件11固定设置在行波管12中，通过振动台21用于对试验件11施加振动载荷，加速度传感器22用于监测试验件11的振动载荷。试验件11可以通过多种适合的方式固定设置在振动台21上，本实施例在，夹具将底座圆盘连接到振动台水平滑台上，夹具从行波管12底部的矩形开口伸入到行波管12内，试验件11通过肋板夹持的方式固定在夹具上端。

进一步，振动控制系统2可以根据加速度传感器22监测的振动信息通过手动或自动的方式对试验件11施加振动载荷；本实施例中，优选为自动闭环控制，具体地，振动控制系统2还可以包括振动控制仪23、功率放大器14以及电荷放大器15；加速度传感器22监测的振动信息通过电荷放大器15传递至振动控制仪23，振动控制仪23根据振动信息与试验需要达到的振动载荷要求进行对比，再通过功率放大器14自动调节振动台21的振动载荷大小。

噪声控制系统3用于受控地对试验件11施加噪声载荷，噪声控制系统3包括均设置在行波管12中的扬声器31和传声器32，且本实施例中优选was5000扬声器以及高声强传声器；扬声器31用于对试验件11施加噪声载荷，传声器32用于监测试验件11承受的噪声载荷。

进一步，噪声控制系统3可以根据传声器32监测的噪声信息通过手动或自动的方式对试验件11施加噪声载荷；本实施例中，优选为自动闭环控制，具体地，噪声控制系统3还可以包括噪声控制仪33和功率放大器14；传声器32监测的振动信息传递至噪声控制仪33，噪声控制仪33根据噪声信息与试验需要达到的噪声载荷要求进行对比，再通过功率放大器14自动调节扬声器31的噪声载荷大小。

温度控制系统4用于受控地对试验件11施加温度载荷，温度控制系统4包括加热器41和温度传感器42，且本实施例中优选加热器为最高加热温度为800℃的灯箱。灯箱通过灯架44固定设置在行波管12上方，灯箱可以包括两个加热面，两个加热面分别正对行波管12上具有石英玻璃板13的两侧，用于透过石英玻璃板13对试验件11施加温度载荷。温度传感器42设置在试验件11上，用于监测试验件11的温度载荷。

进一步，温度控制系统4可以根据温度传感器42监测的温度信息通过手动或自动的方式对试验件11施加温度载荷；本实施例中，优选为自动闭环控制，具体地，温度控制系统4还可以包括温度控制仪43和可控硅45；温度传感器42监测的温度信息传递至温度控制仪43，温度控制仪43根据温度信息与试验需要达到的温度载荷要求进行对比，再通过可控硅45自动调节加热器41的温度载荷大小。

静力控制系统5用于受控地对试验件11施静压载荷，静力控制系统5可以包括空压机51和压力传感器52，且本实施例中优选额定压力为0.6MPa的小型空压机。空压机51通过管道伸入行波管12内，并与试验件11的进气口连通，用于对试验件11施加静压载荷；压力传感器(52)设置在试验件11上，用于监测试验件11承受的静压载荷。

同样，静力控制系统5可以根据压力传感器52监测的温度信息通过手动或自动的方式对试验件11施加静压载荷；本实施例中，优选为自动闭环控制，具体地，静力控制系统5还可以包括压力控制仪53、功率放大器14以及电荷放大器15；压力传感器52监测的静压信息通过电荷放大器15传递至压力控制仪53，压力控制仪53根据静压信息与试验需要达到的静压载荷要求进行对比，再通过功率放大器14自动调节空压机51的静压载荷大小。

本发明的应变计61(又叫应变片)用于监测所述试验件11的应变信息，其中，应变计61的类型和数量可以根据试验需要进行适合的选择；本实施例中，优选为高温应变片，且数量为8片，均匀粘贴在试验件11上应变响应较大的位置处。并且，所有的应变计61通过板桥法连接到动态应变仪上，通过动态应变仪采集应变计61监测的应变信息。

激光测振仪71设置在行波管12上具有石英玻璃板13的一侧，且激光测振仪71的激光穿过同侧的石英玻璃板13后照射到试验件11的中心点处，用于监测试验件11中心点处的加速度响应信息。另外，激光测振仪71是通过放大器与数据采集系统连接，通过数据采集系统连接采集激光测振仪71监测的加速度响应信息。其中，激光测振仪71的数量也是可以根据试验需要进行适合的选择，本实施例中，优选激光测振仪71包括两台，对称水平设置在行波管12的两侧。

本发明多场耦合试验系统，能够同时对试验机进行多种载荷加载试验，从而模拟飞行器高速飞行时的实际受载环境，使得对试验件的加载试验结果更准确。另外，本发明多场耦合试验系统能够独立分别对四场载荷进行闭环控制，避免了载荷之间的干扰。进一步，相对于目前工程中普遍采用的分别进行单载荷试验，然后进行叠加的方法而言，本发明中多场载荷直接作用于试验件上，因此本发明能够得到多场载荷间的耦合效应，对飞行器关键部位的强度考核更加准确，对结构设计具有更积极的指导意义。

本发明还提供了一种多场耦合试验系统的试验方法，用于对预定的试验件11进行预定载荷加载试验。需要说明的是，后续将要描述的步骤一直至步骤八，都是在对整个多场耦合试验系统进行试验调试阶段。而步骤九到步骤十属于四场耦合正式试验阶段，是按照试验需要的加载时间和加载量级进行四种载荷的加载。

试验调试阶段首先是分别是对试验件进行振动、噪声、温度以及静压单一载荷加载(如步骤一)，同时进行控制和测量(参见步骤二)；若过程有效，结果合理，则进行四载荷的两两联合加载(参见步骤三)，否则，需要对系统进行进一步调试，通过调试保证两场耦合过程有效，结果合理(参见步骤四)。以此类推，直到两场耦合、三场耦合(参见步骤五、步骤六)、四场耦合(参见步骤七、步骤八)都不出现问题。

另外，本发明试验方法重点在于，在多场耦合试验系统基础上，进行各载荷加载系统验证、各载荷加载系统正式组合加载以及最终测量等步骤过程，至于各步骤中的过程是否有效以及结果是否合理，可以通过常规的例如测量数据与计算数据进行对比的方式来进行判断，所以不再对具体每个过程中详细的计算过程进行赘述。

具体地，本发明的多场耦合试验系统的试验方法可以包括如下步骤：

步骤一、分别对试验件11进行振动、噪声、温度以及静压四种载荷的调试加载。

步骤二、通过动态应变仪和激光测振仪71分别对处于不同载荷下的试验件11进行监测，并根据监测结果分别判断四种载荷的调试加载是否都有效；如果都有效、则进行步骤三；否则，对其中无效的载荷加载的加载设备进行调整，返回步骤一，并重新进行调试加载，直到有效。

步骤三、在振动、噪声、温度以及静压四种载荷中，选取任意两种(两两组合)同时对试验件11进行调试加载。

步骤四、通过动态应变仪和激光测振仪71分别对处于两种载荷下的试验件11进行监测，并根据监测结果分别判断两种载荷的调试加载是否耦合；如果耦合、则进行步骤五；否则，对两种载荷加载的加载设备进行调整，返回步骤三，并重新进行调试加载，直到耦合。

步骤五、在振动、噪声、温度以及静压四种载荷中，选取任意三种同时对试验件11进行调试加载。

步骤六、通过动态应变仪和激光测振仪71分别对处于三种载荷下的试验件11进行监测，并根据监测结果分别判断三种载荷的调试加载是否耦合；如果耦合、则进行步骤七；否则，对三种载荷加载的加载设备进行调整，返回步骤五，并重新进行调试加载，直到耦合。

步骤七、选取振动、噪声、温度以及静压四种载荷同时对试验件11进行调试加载。

步骤八、通过动态应变仪和激光测振仪71分别对处于四种载荷下的试验件11进行监测，并根据监测结果分别判断四种载荷的调试加载是否耦合；如果耦合、则进行步骤九；否则，对四种载荷加载的加载设备进行调整，返回步骤七，并重新进行调试加载，直到耦合。

步骤九、在预定的加载时间和加载量级调节下选取四种载荷同时对试验件11进行正式加载，并做好加载记录；同时，通过动态应变仪和激光测振仪71分别对处于四种载荷下的试验件11进行监测，并做好测试记录。

步骤十、根据步骤九中动态应变仪和激光测振仪71的监测结果，获取所述试验件11的耦合响应特性。具体地，可以将试验测试得到的数据导出，采用常规的数据分析方法(如FFT)得到四场耦合下试验件的时域、频域响应表格或曲线图。取不同时间段内的结果进行对比，从而得到四场耦合的各种响应特性。

在本发明上述8个应变计61实施例中，经过多场耦合试验方法后，得到不同载荷场下试验件8各测点的应变响应均方根值和均值，参照下表1中数据所示；从表1中可以看出，四场耦合载荷作用下试验件的响应水平远高于单场或者两场耦合情况；另外，将试验结果与计算结果进行对比发现，两者在共振频率，以及共振频率的变化方面，一致性较好。

表1

其中，p为压力，g为加速度，OPAL为噪声，T为温度。

本发明多场耦合试验方法，同样能够使得对试验件的加载试验结果更准确；另外，能够避免了载荷之间的干扰；进一步，能够得到多场载荷间的耦合效应，对飞行器关键部位的强度考核更加准确，对结构设计具有更积极的指导意义。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种多场耦合试验系统，用于对预定的试验件(11)进行预定载荷加载试验，其特征在于，所述多场耦合试验系统包括行波管(12)，所述行波管(12)的两个相对的侧面板为石英玻璃板(13)，所述多场耦合试验系统还包括：

振动控制系统(2)，具有振动台(21)和加速度传感器(22)，所述行波管(12)设置在所述振动台(21)上，所述试验件(11)固定设置在所述行波管(12)中，所述振动台(21)用于对所述试验件(11)施加振动载荷，所述加速度传感器(22)用于监测所述试验件(11)承受的振动载荷；

噪声控制系统(3)，具有均设置在所述行波管(12)中的扬声器(31)和传声器(32)，所述扬声器(31)用于对所述试验件(11)施加噪声载荷，所述传声器(32)用于监测所述试验件(11)承受的噪声载荷；

温度控制系统(4)，具有加热器(41)和温度传感器(42)，所述加热器(41)分别设置在所述石英玻璃板(13)的外侧，用于透过所述石英玻璃板(13)对所述试验件(11)施加热载荷，所述温度传感器(42)设置在所述试验件(11)上，用于监测所述试验件(11)的温度载荷；

静力控制系统(5)，具有空压机(51)和压力传感器(52)，所述空压机(51)通过管道伸入所述行波管(12)内，并与所述试验件(11)的进气口连通，用于对所述试验件(11)施加静压载荷，所述压力传感器(52)设置在所述试验件(11)上，用于监测所述试验件(11)承受的静压载荷；

应变计(61)，设置在所述试验件(11)上，用于监测所述试验件(11)的应变信息；

动态应变仪，与所述应变计(61)连接，用于采集所述应变计(61)监测的应变信息；

激光测振仪(71)，设置在所述石英玻璃板(13)的外侧，且所述激光测振仪(71)的激光穿过同侧的所述石英玻璃板(13)后照射到所述试验件(11)的中心点处，用于监测所述试验件(11)中心点处的加速度响应信息；

数据采集系统，用于采集所述激光测振仪(71)监测的加速度响应信息。

2.根据权利要求1所述的多场耦合试验系统，其特征在于，所述振动控制系统(2)还具有振动控制仪(23)，所述振动控制仪(23)用于根据所述加速度传感器(22)反馈的振动信息对所述振动台(21)进行控制。

3.根据权利要求1所述的多场耦合试验系统，其特征在于，所述噪声控制系统(3)还具有噪声控制仪(33)，所述噪声控制仪(33)用于根据所述传声器(32)反馈的噪声信息控制所述扬声器(31)。

4.根据权利要求1所述的多场耦合试验系统，其特征在于，所述温度控制系统(4)还具有温度控制仪(43)，所述温度控制仪(43)用于根据所述温度传感器(42)反馈的温度信息控制所述加热器(41)。

5.根据权利要求1所述的多场耦合试验系统，其特征在于，所述静力控制系统(5)还具有压力控制仪(53)，所述压力控制仪(53)用于根据所述压力传感器(52)反馈的静压信息控制所述空压机(51)。

6.根据权利要求1所述的多场耦合试验系统，其特征在于，所述应变计(61)包括8块，均匀分布在所述试验件(11)上。

7.根据权利要求1所述的多场耦合试验系统，其特征在于，所述激光测振仪(71)包括两台，对称设置在所述行波管(12)的两侧。

8.一种根据权利要求1至7任一项所述的多场耦合试验系统的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、分别对试验件(11)进行振动、噪声、温度以及静压四种载荷的调试加载；

步骤二、通过动态应变仪和激光测振仪(71)分别对处于不同载荷下的所述试验件(11)进行监测，并根据监测结果分别判断所述四种载荷的调试加载是否都有效；如果都有效、则进行步骤三；否则，对其中无效的载荷加载的加载设备进行调整，返回步骤一，重新进行调试加载，直到有效；

步骤三、在所述振动、噪声、温度以及静压四种载荷中，选取任意两种同时对所述试验件(11)进行调试加载；

步骤四、通过所述动态应变仪和所述激光测振仪(71)分别对处于两种载荷下的所述试验件(11)进行监测，并根据监测结果分别判断所述两种载荷的调试加载是否耦合；如果耦合、则进行步骤五；否则，对两种载荷加载的加载设备进行调整，返回步骤三，重新进行调试加载，直到耦合；

步骤五、在所述振动、噪声、温度以及静压四种载荷中，选取任意三种同时对所述试验件(11)进行调试加载；

步骤六、通过所述动态应变仪和所述激光测振仪(71)分别对处于三种载荷下的所述试验件(11)进行监测，并根据监测结果分别判断所述三种载荷的调试加载是否耦合；如果耦合、则进行步骤七；否则，对三种载荷加载的加载设备进行调整，返回步骤五，重新进行调试加载，直到耦合；

步骤七、选取所述振动、噪声、温度以及静压四种载荷同时对所述试验件(11)进行调试加载；

步骤八、通过所述动态应变仪和所述激光测振仪(71)分别对处于四种载荷下的所述试验件(11)进行监测，并根据监测结果分别判断所述四种载荷的调试加载是否耦合；如果耦合、则进行步骤九；否则，对四种载荷加载的加载设备进行调整，返回步骤七，重新进行调试加载，直到耦合；

步骤九、在预定的加载时间和加载量级调节下选取所述四种载荷同时对所述试验件(11)进行正式加载，通过所述动态应变仪和所述激光测振仪(71)分别对处于四种载荷下的所述试验件(11)进行监测；

步骤十、根据步骤九中所述动态应变仪和所述激光测振仪(71)的监测结果，获取所述试验件(11)的耦合响应特性。