CN107655647A - 结构热模态试验连续脉冲序列激励装置 - Google Patents

Abstract

结构热模态试验连续脉冲序列激励装置，一种高温环境下高超声速飞行器结构模态试验激励技术，为了解决现有的激励振荡器对被测结构造成附加影响，从而造成了测量误差的问题。本发明的信号发生器与功率放大器相连，功率放大器与激励源相连；激励源用于根据增益信号产生脉冲信号，作用于被测结构上的激励位置处；一号温度传感器与温度控制装置相连；温度控制装置与石英灯加热阵列相连；一号响应传感器与振动信号采集仪相连；振动信号采集仪和温度控制装置均与计算机相连；石英灯加热阵列用于加热被测结构；所述激励源包括测力型激励源和非测力型激励源。有益效果为避免了对结构产生附加影响，确保测试结果更为准确。

Description

结构热模态试验连续脉冲序列激励装置

技术领域

本发明涉及一种高温环境下高超声速飞行器结构模态试验激励技术。

背景技术

高超声速飞行器具有高机动性能、高突防能力、远距离精准打击等突出特点，被很多国家视为未来国防和航空航天领域的主要发展方向。美国航空航天局NASA在世纪初提出的下一代发射技术(Next Generation Launch Technology)计划中，将吸气式高超声速飞行技术研究作为重要目标之一，致力于在2025年使高超声速试验飞行器预期具备作业能力。同时，俄罗斯、法国、日本等国家也在高超声速飞行技术研究领域投入巨大，而且目标飞行器的马赫数均在10以上；我国的高超声速飞行技术虽然起步较晚，但在国家的大力支持下正处于全面快速发展之中。

飞行器以高马赫数在稠密大气层内飞行的过程中，前端空气被严重压缩，并与迎风面摩擦，引起剧烈的气动加热现象，导致飞行器表面温度急剧升高。极端高温环境会造成材料模量下降，同时引起结构内部的热变形和热应力，这不仅削弱了飞行器结构承载能力，还导致其动力学特性发生改变，进而可能诱发颤振等更加严重的问题。因此，气动热是高超声速飞行器结构设计阶段不可忽视的环境载荷之一。

结构在热载荷作用下的振动问题，理论方法已经可以给出简单的梁板结构的热力非耦合问题和耦合问题近似解析解；但对于高超声速飞行器结构而言，材料和载荷的复杂程度都超出了理论方法的解决范围，必须依赖仿真计算和地面模拟试验相互结合来完成。一方面地面模拟试验是在任何飞行器的设计与考核阶段都不可或缺的关键环节，而热模态试验更是高超声速飞行器地面试验中最为重要的项目之一。另一方面，现阶段的仿真技术在处理复合材料层合结构时，缺少方便准确的建模方法，计算的准确度无法保证，将时变热载荷加入考虑后，计算效率进一步降低。为了提高仿真结果的可靠程度，验证仿真与试验的模型相关性根据试验结果对模型参数进行修正是比较常用的办法；这就更凸显了试验的重要性。

常温环境下的模态试验技术历经几十年的发展，已经形成了较为完备的体系。但在热模态试验领域，高温带来的障碍几乎无处不在，相关技术中又以激励技术发展最为滞后。多数热模态试验中所采用的激励方式仅是对常温下激励方式增加了必要的热防护措施。激振器激励是目前热模态试验最常用的激励方式，但这种方式极易对被测结构产生附加影响，引起测试结果误差增大，而在高温环境下，该影响还会随着温度升高而恶化。此外，由于采用激振器激励时，需要可靠的机械连接将激振杆与被测结构连接在一起。在热模态试验中，连接点不仅要传递激励载荷，还需要承受不同材料间热膨胀不匹配和其他热变形不协调所引起的应力。由于粘接方式固化过程复杂，耗时长，成本高，而且可靠性无法保证，一般采用螺栓连接的方式，但是螺栓连接需要被测结构在激励位置附近有合适的孔位，普通的金属材料试件可直接打孔连接，但在实际工程应用中，在试件上打孔往往是不被允许的。以目前在航空航天领域广泛应用的复合材料为例，复合材料层合结构和包含泡沫芯层、蜂窝芯层等柔性夹芯的夹芯结构作为承载部件的使用率非常高，而在高超声速飞行器表层结构普遍采用更为先进的防热承载一体化设计思想，大量采用一体化成型的陶瓷基夹层复合材料结构。一方面，与金属结构不同，这些复合材料结构，特别是包含柔性或脆性材料的结构，打孔极易在结构局部引起严重损伤甚至整体破坏；另一方面，被测结构往往是真实产品，而模态试验作为一种典型的非破坏性试验，对产品进行打孔是应该尽可能避免的。由此可见，在复合材料结构的热模态试验，甚至一些常温模态试验中，经典激励方式的应用受到了很大的局限。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的激励振荡器对被测结构造成附加影响，从而造成了测量误差的问题，提出了一种结构热模态试验连续脉冲序列激励装置。

本发明所述的结构热模态试验连续脉冲序列激励装置，包括激励源、石英灯加热阵列、一号温度传感器、温度控制装置、信号发生器、功率放大器、一号响应传感器和振动信号采集仪；

信号发生器用于生成驱动信号；信号发生器的驱动信号输出端与功率放大器的驱动信号输入端相连，功率放大器的增益信号输出端与激励源的增益信号输入端相连；

激励源用于根据增益信号产生脉冲信号，作用于被测结构上的激励位置处；

一号温度传感器用于实时感应被测结构的温度；

一号温度传感器的温度信号输出端与温度控制装置的温度信号输入端相连；温度控制装置的温控信号输出端与石英灯加热阵列的温控信号输入端相连；温度控制装置的显示信号输出端与计算机的显示信号输入端相连；

一号响应传感器用于实时感应被测结构振动的频率与振动的振幅；

一号响应传感器的振动信号输出端与振动信号采集仪的振动信号输入端相连；振动信号采集仪的显示信号输出端与计算机的显示信号输入端相连；

石英灯加热阵列用于加热被测结构。

有选的是，激励源为测力型激励源；

所述测力型激励源包括一号激振器、连接杆、力传感器和冲击锤头；

一号激振器的激振输出端与连接杆的一端固定连接，连接杆(2)的另一端与冲击锤头固定连接；

力传感器设置在连接杆的另一端与冲击锤头的连接处；

冲击锤头作用于被测结构上的激励位置处。

优选的是，测力型激励源还包括二号温度传感器和二号响应传感器；

二号温度传感器和二号响应传感器均设置在连接杆的另一端与冲击锤头的连接处；

所述二号温度传感器的温度信号输出端与温度控制装置的温度信号输入端相连；

所述二号响应传感器的振动信号输出端与振动信号采集仪的振动信号输入端相连。

优选的是，激励源为非测力型激励源；

所述非测力型激励源包括二号激振器、连接座和半球头耐高温陶瓷杆；

连接座固定在二号激振器的输出端上；半圆头耐高温陶瓷杆的一端为螺纹端，半圆头耐高温陶瓷杆的另一端为半球头端；

半圆头耐高温陶瓷杆的螺纹端与连接座固定连接，半圆头耐高温陶瓷杆的半球头端作用于被测结构上的激励位置处。

优选的是，连接座包括外连接件、内连接件和螺栓；

所述外连接件设有陶瓷杆孔和连接件孔；

内连接件固定在外连接件的连接件孔内；陶瓷杆孔的孔壁上设有螺纹，半圆头耐高温陶瓷杆的螺纹端通过螺纹固定在陶瓷杆孔内；

所述内连接件设有螺栓孔；

螺栓穿过内连接件的螺栓孔与二号激振器的输出端固定连接。

优选的是，非测力型激励源还包括螺母；

螺母设置在半圆头耐高温陶瓷杆上，并且螺母靠近螺纹端设置。

优选的是，半圆头耐高温陶瓷杆采用耐高温硬质氧化铝陶瓷制成；

半圆头耐高温陶瓷杆的总长度为200mm；半圆头耐高温陶瓷杆的直径为8mm。

优选的是，还包括隔热挡板；

隔热挡板用于遮挡一号激振器或二号激振器，避免一号激振器过热或二号激振器过热。

优选的是，冲击锤头或半圆头耐高温陶瓷杆的运动方向与被测结构的表面垂直；冲击锤头或半圆头耐高温陶瓷杆的半球头的初始位置与被测结构表面之间的距离由信号发生器的类型决定。

本发明所述的结构热模态试验连续脉冲序列激励装置中激励源的类型根据实验过程中激励位置处的温度是否高于力传感器所允许使用的温度上限决定，如果实验过程中激励位置处的温度高于力传感器所允许使用的温度上限，则选用非测力型激励源，否则选用测力型激励源。

本发明的工作原理为：连续脉冲激励方式的原理可视为随机锤击法；随机锤击法的特点是采用轻质量力锤在结构上施加随机间隔的力脉冲，实际产生的激励信号即为连续脉冲序列；这种激励方式与单次锤击激励相比，不仅提高了响应的信噪比，还避免了单次高量级激励带来的非线性问题甚至结构局部塑性变形或损伤；与经典的激振器激励相比，无需考虑激励装置和被测结构间的机械连接，从而避免了激振器造成的附加影响，大量试验结论证实该方法具有良好的测试效果；相关文献还对连续脉冲序列信号进行了数学建模，从理论层面阐述了该信号形式用于模态试验的有效性。

本发明的有益效果是该激励装置无需与被测结构连接，不要求结构在激励位置处有合适的安装位置，降低了对被测结构的要求，因而具有更强的通用型；该激振装置在试验过程中不与被测结构持续接触，避免了对结构产生附加影响，确保测试结果能够更为准确的反映结构在试验环境下的振动特性；本发明提供了两套激振装置，对测力型装置而言，由于在试验中不与高温表面持续接触，可以大幅降低结构向力传感器的热量传递，从而最大程度的发挥力传感器耐温性能，在更宽的温度范围内获得结构的传递特征；而不测力型装置采用陶瓷杆进行激励，可用于更高的温度环境中，并且可以穿过石英灯加热阵列对结构的直接受热面进行激励，因而能够满足高超声速飞行器结构热模态试验中更多类型的测试需求；并且该激振装置结构简明，无需专门设备，可以方便快捷地实现安装和调整，对安装误差的容差更大，具有很高的试验效率。

附图说明

图1为具体实施方式一中激励源为测力型时的结构热模态试验连续脉冲序列激励装置结构示意图；

图2为具体实施方式一中激励源为非测力型时的结构热模态试验连续脉冲序列激励装置结构示意图；

图3为具体实施方式一中测力型激励源的结构示意图；

图4为具体实施方式一中非测力型激励源的结构示意图；

图5为具体实施方式三中连接座的结构示意图；

图6为具体实施方式四中螺母与半圆头耐高温陶瓷杆的位置关系示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述的结构热模态试验连续脉冲序列激励装置，包括激励源、石英灯加热阵列8、一号温度传感器9-1、温度控制装置10、信号发生器11、功率放大器12、一号响应传感器13-1和振动信号采集仪14；

信号发生器11用于生成驱动信号；信号发生器11的驱动信号输出端与功率放大器12的驱动信号输入端相连，功率放大器12的增益信号输出端与激励源的增益信号输入端相连；

激励源用于根据增益信号产生脉冲信号，作用于被测结构7上的激励位置处；

一号温度传感器9-1用于实时感应被测结构7的温度；

一号温度传感器9-1的温度信号输出端与温度控制装置10的温度信号输入端相连；温度控制装置10的温控信号输出端与石英灯加热阵列8的温控信号输入端相连；温度控制装置10的显示信号输出端与计算机16的显示信号输入端相连；

一号响应传感器13-1用于实时感应被测结构7振动的频率与振动的振幅；

一号响应传感器13-1的振动信号输出端与振动信号采集仪14的振动信号输入端相连；振动信号采集仪14的显示信号输出端与计算机16的显示信号输入端相连；

石英灯加热阵列8用于加热被测结构7；

所述激励源分为测力型激励源和非测力型激励源；

测力型激励源包括一号激振器1、连接杆2力传感器3和冲击锤头4；

一号激振器1的激振输出端与连接杆2的一端固定连接，连接杆2的另一端与冲击锤头4固定连接；

力传感器3设置在连接杆2的另一端与冲击锤头4的连接处；

冲击锤头4作用于被测结构7上的激励位置处；

非测力型激励源包括二号激振器17、连接座5和半球头耐高温陶瓷杆6；

连接座5固定在二号激振器17的输出端上；半圆头耐高温陶瓷杆6的一端为螺纹端，半圆头耐高温陶瓷杆6的另一端为半球头端；

半圆头耐高温陶瓷杆6的螺纹端与连接座5固定连接，半圆头耐高温陶瓷杆6的半球头端作用于被测结构7上的激励位置处。

在本实施方式中，根据实验过程中激励位置处的温度是否高于力传感器3所允许使用的温度上限决定选用激励源的类型，如果实验过程中激励位置处的温度高于力传感器3所允许使用的温度上限，则选用非测力型激励源，否则选用测力型激励源。将选定的激励源对准被测结构7上的激励位置，使一号激振器1或二号激振器17的轴线近似沿结构表面法线方向放置，并在冲击锤头4(测力型激励源)或半圆头耐高温陶瓷杆6的半球头(非测力型激励源)与激励点之间保留狭小间隙，然后通过信号发生器11发出驱动信号驱动一号激振器1或二号激振器17运动；根据振动信号采集仪14所采集的振动信号质量，调节功率放大器12的增益电压，使冲击锤头4或半球头耐高温陶瓷杆6的半球头可以持续不断地对被测结构形成有效激励，即：结构响应处于线性范围，且响应信号具有足够高的信噪比。

在本实施方式中，力传感器3的允许使用的温度上限为几十度至200℃。

在本实施方式中，一号温度传感器9-1为两个，两个一号温度传感器9-1分别位于被测结构7两个不同表面上；所述一号响应传感器13-1设置在被测结构7的表面上。

具体实施方式二：结合图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的结构热模态试验连续脉冲序列激励装置进一步限定，在本实施方式中，连接座5包括外连接件5-1、内连接件5-2和螺栓5-3；

所述外连接件5-1设有陶瓷杆孔和连接件孔；

内连接件5-2固定在外连接件5-1的连接件孔内；陶瓷杆孔的孔壁上设有螺纹，半圆头耐高温陶瓷杆6的螺纹端通过螺纹固定在陶瓷杆孔内；

所述内连接件5-2设有螺栓孔；

螺栓5-3穿过内连接件5-2的螺栓孔与二号激振器17的输出端固定连接。

在本实施方式中，半圆头耐高温陶瓷杆6的螺纹端外侧为全螺纹，与陶瓷杆孔的孔壁上设有的螺纹通过螺纹进行固定。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的结构热模态试验连续脉冲序列激励装置进一步限定，在本实施方式中，非测力型激励源还包括螺母18；

螺母18设置在半圆头耐高温陶瓷杆6上，并且螺母18靠近螺纹端设置。

在本实施方式中，通过螺母18保证半圆头耐高温陶瓷杆6的固定效果更好。

具体实施方式四：结合图6说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的结构热模态试验连续脉冲序列激励装置进一步限定，在本实施方式中，半圆头耐高温陶瓷杆6采用耐高温硬质氧化铝陶瓷制成；

半圆头耐高温陶瓷杆6的总长度为200mm；半圆头耐高温陶瓷杆6的直径为8mm。

在本实施方式中，半圆头耐高温陶瓷杆6可用于温度环境不超过1500℃的试验中。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的结构热模态试验连续脉冲序列激励装置进一步限定，在本实施方式中，测力型激励源还包括二号温度传感器9-2和二号响应传感器13-2；

二号温度传感器9-2和二号响应传感器13-2均设置在连接杆2的另一端与冲击锤头4的连接处；

所述二号温度传感器9-2的温度信号输出端与温度控制装置10的温度信号输入端相连；

所述二号响应传感器13-2的振动信号输出端与振动信号采集仪14的振动信号输入端相连。

在本实施方式中，由于温度控制装置10的反馈控制点一般安装在被测结构7的直接受热区域内，如果将激励点设置在该区域，那么力传感器3的位置势必更加靠近热源，温度上升更快，容易造成力传感器3过热，影响试验进程；因此在近热源的位置处加装二号温度传感器9-2来检测其温度，防止力传感器3过热，同时二号响应传感器13-2能够防止连接杆2对被测结构7或石英灯加热阵列8造成损伤。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的结构热模态试验连续脉冲序列激励装置进一步限定，在本实施方式中，还包括隔热挡板15；

隔热挡板15用于遮挡一号激振器1或二号激振器17，避免一号激振器1过热或二号激振器17过热。

在本实施方式中，根据实际试验温度，隔热挡板15采用金属板或陶瓷纤维板；隔热挡板上在被测结构7的激励位置处预留孔洞，供连接杆2或半球头耐高温陶瓷杆6通畅穿过，以实现对被测结构7的激励。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一所述的结构热模态试验连续脉冲序列激励装置进一步限定，在本实施方式中，冲击锤头4或半圆头耐高温陶瓷杆6的运动方向与被测结构7的表面垂直；冲击锤头4或半圆头耐高温陶瓷杆6的半球头的初始位置与被测结构7表面之间的距离由信号发生器11的类型决定。

在本实施方式中，信号发生器11的可选类型包括随机脉冲序列型、低频窄带随机型和低频窄带扫频型。

Claims (9)

1.结构热模态试验连续脉冲序列激励装置，其特征在于，包括激励源、石英灯加热阵列(8)、一号温度传感器(9-1)、温度控制装置(10)、信号发生器(11)、功率放大器(12)、一号响应传感器(13-1)和振动信号采集仪(14)；

信号发生器(11)用于生成驱动信号；信号发生器(11)的驱动信号输出端与功率放大器(12)的驱动信号输入端相连，功率放大器(12)的增益信号输出端与激励源的增益信号输入端相连；

激励源用于根据增益信号产生脉冲信号，作用于被测结构(7)上的激励位置处；

一号温度传感器(9-1)用于实时感应被测结构(7)的温度；

一号温度传感器(9-1)的温度信号输出端与温度控制装置(10)的温度信号输入端相连；温度控制装置(10)的温控信号输出端与石英灯加热阵列(8)的温控信号输入端相连；温度控制装置(10的显示信号输出端与计算机(16)的显示信号输入端相连；

一号响应传感器(13-1)用于实时感应被测结构(7)振动的频率与振动的振幅；

一号响应传感器(13-1)的振动信号输出端与振动信号采集仪(14)的振动信号输入端相连；振动信号采集仪(14)的显示信号输出端与计算机(16)的显示信号输入端相连；

石英灯加热阵列(8)用于加热被测结构(7)。

2.根据权利要求1所述的结构热模态试验连续脉冲序列激励装置，其特征在于，激励源为测力型激励源；

所述测力型激励源包括一号激振器(1)、连接杆(2)、力传感器(3)和冲击锤头(4)；

一号激振器(1)的激振输出端与连接杆(2)的一端固定连接，连接杆(2)的另一端与冲击锤头(4)固定连接；

力传感器(3)设置在连接杆(2)的另一端与冲击锤头(4)的连接处；

冲击锤头(4)作用于被测结构(7)上的激励位置处。

3.根据权利要求2所述的结构热模态试验连续脉冲序列激励装置，其特征在于，测力型激励源还包括二号温度传感器(9-2)和二号响应传感器(13-2)；

二号温度传感器(9-2)和二号响应传感器(13-2)均设置在连接杆(2)的另一端与冲击锤头(4)的连接处；

所述二号温度传感器(9-2)的温度信号输出端与温度控制装置(10)的温度信号输入端相连；

所述二号响应传感器(13-2)的振动信号输出端与振动信号采集仪(14)的振动信号输入端相连。

4.根据权利要求1所述的结构热模态试验连续脉冲序列激励装置，其特征在于，激励源为非测力型激励源；

所述非测力型激励源包括二号激振器(17)、连接座(5)和半球头耐高温陶瓷杆(6)；

连接座(5)固定在二号激振器(17)的输出端上；半圆头耐高温陶瓷杆(6)的一端为螺纹端，半圆头耐高温陶瓷杆(6)的另一端为半球头端；

半圆头耐高温陶瓷杆(6)的螺纹端与连接座(5)固定连接，半圆头耐高温陶瓷杆(6)的半球头端作用于被测结构(7)上的激励位置处。

5.根据权利要求4所述的结构热模态试验连续脉冲序列激励装置，其特征在于，连接座(5)包括外连接件(5-1)、内连接件(5-2)和螺栓(5-3)；

所述外连接件(5-1)设有陶瓷杆孔和连接件孔；

内连接件(5-2)固定在外连接件(5-1)的连接件孔内；陶瓷杆孔的孔壁上设有螺纹，半圆头耐高温陶瓷杆(6)的螺纹端通过螺纹固定在陶瓷杆孔内；

所述内连接件(5-2)设有螺栓孔；

螺栓(5-3)穿过内连接件(5-2)的螺栓孔与二号激振器(17)的输出端固定连接。

6.根据权利要求4所述的结构热模态试验连续脉冲序列激励装置，其特征在于，非测力型激励源还包括螺母(18)；

螺母(18)设置在半圆头耐高温陶瓷杆(6)上，并且螺母(18)靠近螺纹端设置。

7.根据权利要求4所述的结构热模态试验连续脉冲序列激励装置，其特征在于，半圆头耐高温陶瓷杆(6)采用耐高温硬质氧化铝陶瓷制成；

半圆头耐高温陶瓷杆(6)的总长度为200mm；半圆头耐高温陶瓷杆(6)的直径为8mm。

8.根据权利要求2或4所述的结构热模态试验连续脉冲序列激励装置，其特征在于，还包括隔热挡板(15)；

隔热挡板(15)用于遮挡一号激振器(1)或二号激振器(17)，避免一号激振器(1)过热或二号激振器(17)过热。

9.根据权利要求2或4所述的结构热模态试验连续脉冲序列激励装置，其特征在于，冲击锤头(4)或半圆头耐高温陶瓷杆(6)的运动方向与被测结构(7)的表面垂直；冲击锤头(4)或半圆头耐高温陶瓷杆(6)的半球头的初始位置与被测结构(7)表面之间的距离由信号发生器(11)的类型决定。