CN108871837A - 一种用于平板结构的可变边界高温模态试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于平板结构的可变边界高温模态试验装置，包括从下到上顺序设置平板结构试验件、第一加热组件以及激振器，所述激振器通过贯穿第一加热组件的激振杆与平板结构试验件相连接，所述平板结构试验件又与若干个伸出第一加热组件的引伸杆相连接，所述引伸杆上设置有加速度传感器，所述平板结构试验件的上方设置有至少一根约束梁，所述平板结构试验件的下方设置有至少一根支撑梁；本发明还涉及一种用于平板结构的可变边界高温模态试验装置的试验方法。本发明结构设计简单、合理，为平板结构试验件在高温与振动复合条件下的安全设计提供了可行的试验手段，具有重要的国防和民用价值。

Description

一种用于平板结构的可变边界高温模态试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种用于平板结构的可变边界高温模态试验装置及试验方法。

背景技术

平板结构在实际工程中被广泛应用，如高速飞行器的翼舵（单边固支）、核潜艇堆芯舱的设备基座（双边固支、三边固支、四边固支）。飞行器高速飞行时，由气动加热引起的“热障”问题，翼舵的温度将达到800℃左右；核潜艇堆芯舱为高温高辐照环境，要求设备基座耐高温不低于260℃。

为能满足高温使用条件，复合材料或夹芯结构已被用于平板结构,例如复合板、夹芯板。相对于单一材料制成的平板结构，例如纯钢板、铝板的力学特性，由复合材料制成的复合板或由多板叠加制成的夹芯板能具备更优的性能，因此在国防和民用领域均有广泛应用，例如，用复合材料制成的翼舵，用夹芯板制成的设备基座。

单一材料制成的平板状结构的成分单一且连续力学特性已被广泛研究，然而复合材板和夹芯板则由多种成分构成其力学特性需要针对具体的成分比例和结构进行具体分析。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种用于平板结构的可变边界高温模态试验装置及试验方法，不仅结构设计合理，而且高效便捷。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种用于平板结构的可变边界高温模态试验装置，包括从下到上顺序设置平板结构试验件、第一加热组件以及激振器，所述激振器通过贯穿第一加热组件的激振杆与平板结构试验件相连接，所述平板结构试验件又与若干个伸出第一加热组件的引伸杆相连接，所述引伸杆上设置有加速度传感器，所述平板结构试验件的上方设置有至少一根约束梁，所述平板结构试验件的下方设置有至少一根支撑梁。

进一步的，所述支撑梁置于支撑圈梁上，螺栓依次穿过所述约束梁、平板结构试验件、约束梁与支撑圈梁相连接。

进一步的，所述约束梁与支撑梁一一对应设置，所述约束梁与支撑梁均设置在平板结构试验件的边界处。

进一步的，所述支撑圈梁置于L型底座上，所述支撑圈梁经螺栓与L型底座相连接，所述L型底座置于支撑平台上，所述L型底座经螺栓与支撑平台相连接。

进一步的，所述第一加热组包含从上到下顺序设置的第一隔热板、第一安装板、第一反射板以及第一石英灯阵列，所述第一石英灯阵列经螺栓与第一安装板相连接。

进一步的，所述平板结构试验件的下方设置有第二加热组件，所述第二加热组包含从下到上顺序设置的第二隔热板、第二安装板、第二反射板以及第二石英灯阵列，所述第二石英灯阵列经螺栓与第二安装板相连接。

一种用于平板结构的可变边界高温模态试验装置的试验方法，包括上述任意一项所述的用于平板结构的可变边界高温模态试验装置，包含以下步骤：利用约束梁与支撑梁对平板结构试验件进行边界约束，第一加热组件对平板结构试验件进行加热，激振器发出振动激励信号使平板结构试验件产生振动，加速度传感器对引导到高温热场之外的平板结构试验件的信号进行动态测取。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明结构设计简单、合理，通过调整支撑梁与约束梁的数量可实现平板结构试验件的单边固支安装、两边固支安装、三边固支安装以及四边固支安装，可满足平板结构试验件在不同边界约束条件下的热模态测试的需求，为平板结构试验件在高温与振动复合条件下的安全设计提供了可行的试验手段，具有重要的国防和民用价值。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明实施例的整体构造示意图。

图2为本发明实施例的部分构造示意图。

图3为本发明实施例L型底座的构造示意图。

图4为本发明实施例平板结构试验件的构造示意图。

图5为本发明实施例平板结构试验件的分解构造示意图。

图6为本发明实施例单边固支边界条件的构造示意图。

图7为本发明实施例单边固支边界条件的分解构造示意图。

图8为本发明实施例双边固支第一种情况边界条件的构造示意图。

图9为本发明实施例双边固支第二种情况边界条件的构造示意图。

图10为本发明实施例三边固支边界条件的构造示意图。

图11为本发明实施例四边固支边界条件的构造示意图。

图12为本发明实施例第一加热组件的构造示意图。

图13为本发明实施例支撑圈梁的俯视图。

图中：1-平板结构试验件，101-上板，102-芯板，103-下板，2-第一加热组件，201-第一隔热板，202-第一安装板，203-第一反射板，204-第一石英灯阵列，3-激振器，4-激振杆，5-引伸杆，6-加速度传感器，7-约束梁，8-支撑梁，9-支撑圈梁，10-L型底座，11-支撑平台，12-第二加热组件，13-弹性绳，14-动态力传感器，15-温度传感器，16-计算机，17-动态信号采集与分析系统，18-功率放大器，19-温度控制器。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。

如图1~13所示，一种用于平板结构的可变边界高温模态试验装置，包括从下到上顺序设置平板结构试验件1、第一加热组件2以及激振器3，所述激振器3通过贯穿第一加热组件2的激振杆4与平板结构试验件1相连接，所述平板结构试验件1又与若干个伸出第一加热组件2的引伸杆5相连接，所述引伸杆5上设置有加速度传感器6，所述平板结构试验件1的上方设置有至少一根约束梁7，所述平板结构试验件1的下方设置有至少一根支撑梁8。

在本发明实施例中，所述平板结构试验件1可以为夹芯板也可以为复合板，所述夹芯板包含从上到下顺序叠设的上板101、芯板102以及下板103，所述上板101、芯板102以及下板103经螺栓连接在一起或者由粘胶粘结在一起；所述上板101与下板103均由钢材制成。

在本发明实施例中，所述支撑梁8置于支撑圈梁9上，螺栓依次穿过所述约束梁7、平板结构试验件1、约束梁7与支撑圈梁9相连接。

在本发明实施例中，所述约束梁7与支撑梁8一一对应设置，所述约束梁7与支撑梁8均设置在平板结构试验件1的边界处；所述支撑梁8与约束梁7的结构、尺寸均一致，每根支撑梁8与每根约束梁7均加工有安装孔，且光孔的中心距与支撑圈梁9的螺纹孔的中心距相一致，通过约束梁7与支撑梁8来共同调整平板结构试验件1的边界条件；所述平板结构试验件1有两种安装方法：第一种，在平板结构试验件1需要约束的边沿加工安装孔，且安装孔尺寸及中心距与约束梁7相一致，然后将螺栓依次穿过约束梁7的对应安装孔、平板结构试验件1的对应安装孔、支撑梁8的对应安装孔锁紧到支撑圈梁9的对应螺纹孔；第二种，平板结构试验件1不需要加工光孔，直接将平板结构试验件1需要约束的边沿夹在约束梁7与支撑梁8之间，将螺栓依次穿过约束梁7的对应安装孔和支撑梁8的对应安装孔锁紧到支撑圈梁9的对应螺纹孔；约束梁7与支撑梁8上的安装孔与平板结构试验件1一一对应。

在本发明实施例中，所述平板结构试验件1为四边形，当然所述平板结构试验件1可以为任意边形状，当所述约束梁7和支撑的数量与平板结构试验件1的边数量一致时，实现全边固支的边界状态；当四根约束梁7设置在平板结构试验件1的四个边沿的上表面、四根支撑梁8设置在平板结构试验件1的四个边沿的下表面时，此时平板结构试验件1处于四边固支的边界状态，当去掉同一位置上下各一根约束梁7与支撑梁8时，平板结构试验件1处于三边固支一边自由的边界状态，当去掉同一位置上下各两块约束梁7与支撑梁8时，平板结构试验件1处于二边固支二边自由的边界状态，当同一位置上下对应处各只有一块约束梁7与支撑梁8时，平板结构试验件1处于单边固支三边自由的边界状态。

在本发明实施例中，所述支撑圈梁9置于L型底座10上，所述支撑圈梁9经螺栓与L型底座10相连接，所述L型底座10置于支撑平台11上，所述L型底座10经螺栓与支撑平台11相连接。

在本发明实施例中，所述第一加热组包含从上到下顺序设置的第一隔热板201、第一安装板202、第一反射板203以及第一石英灯阵列204，所述第一石英灯阵列204经螺栓与第一安装板202相连接；所述第一隔热板201、第一安装板202以及第一反射板203经螺栓连接在一起，所述第一安装板202与机架相连接，所述机架可以选取升降式机架，从而可以根据实际情况调整第一加热组相对平板结构试验件1的距离。

在本发明实施例中，所述平板结构试验件1的下方设置有第二加热组件12，所述第二加热组包含从下到上顺序设置的第二隔热板、第二安装板、第二反射板以及第二石英灯阵列，所述第二石英灯阵列经螺栓与第二安装板相连接；所述第二隔热板、第二安装板以及第二反射板经螺栓连接在一起；所述第二加热组件12使得平板结构试验件1加热更加均匀；所述第二安装板与机架相连接，所述机架可以选取升降式机架，从而可以根据实际情况调整第二加热组相对平板结构试验件1的距离。

在本发明实施例中，为模拟不同的温度条件，采用第一石英灯阵列204与第二石英灯阵列作为本发明的热源，所述第一反射板203与第二反射板均可以加速加温、缩短升温时间；由于所述加速度传感器6与激振器3的正常工作温度范围均为-40℃~150℃，而第一石英灯阵列204与第二石英灯阵的发热量大，第一反射板203、第二反射板、第一安装板202、第二安装板均会被加热，将导致第一加热组件2与第二加热组件12的外部空间的温度升高，不但损害加速度传感器6与激振器3，而且不利于工作人员进行试验操作，利用第一隔热板201与第二隔热板进行隔热，所述第一隔热板201与第二隔热板均采用陶瓷纤维隔热板，陶瓷纤维隔热板具有优良的隔热效果；为了降低第一安装板202与第二安装板的外壁温度，在其表面可以安装冷却装置来进行降温，进一步降低外界环境温度，让试验操作人员更加舒适。

在本发明实施例中，所述第一石英灯阵列204距离平板结构试验件1的上表面20~30mm，所述第二石英灯阵列距离平板结构试验件1的下表面20~30mm，如果第一石英灯阵列204、第二石英灯阵列距离平板结构试验件1过远，会使热损失增大，同时影响平板结构试验件1表面的加热速率；第一石英灯阵列204与第二石英灯阵列均由多根石英灯管密集平行排列而成，可以由八根或十根石英灯管密密集平行排列而成，每两根石英灯管之间的距离均为10mm，使平板结构试验件1表面温度场快速形成，同时保证平板结构试验件1表面温度场的均匀性。

在本发明实施例中，激振器3为本发明的激励源，通过弹性绳13悬吊在平板结构试验件1的正上方，在激振器3的输出端安装一个动态力传感器14，用于检测激振器3的实际输出力；常用的激振杆通常为金属材质，例如不锈钢，易导热，为保证激振器3和动态力传感器14工作在合理的温度范围，所述激振杆4采用陶瓷激振杆、由陶瓷材料制成，所述激振杆4直径为8~12mm，可以避免激振器3在激振平板结构试验件1表面时温度过大、并将过大温度传递到激振器3上的动态力传感器14上面，使动态力传感器14在正常环境温度使用范围内使用；在第一反射板203、第一安装板202、第一隔热板201的中心均加工一个光孔，光孔与石英灯阵列的石英灯管位置错开这样激振杆4可依次穿过第一隔热板201、第一安装板202、第一反射板203的光孔与平板结构试验件1的上板101保持相接触，从而可将激振器3的激励载荷加载到平板结构试验件1上。

在本发明实施例中，所述引伸杆5采用陶瓷引伸杆，所述陶瓷引伸杆由陶瓷材料制成，所述引伸杆5的直径为6~8mm，陶瓷是耐高温的刚性材料，直径太细在振动环境下容易发生断裂，直径太粗会增加平板结构试验件1的附加质量，可能影响实验结果的可靠性。

在本发明实施例中，为测量高温条件下平板结构试验件1的模态参数变化规律，在引伸杆5的下端加工有外螺纹，同时在平板结构试验件1的上板101开设有若干陶瓷螺母，所述螺纹孔与第一石英灯阵列204、第二石英灯阵列的石英灯管位置错开，并在第一反射板203、第一安装板202、第一隔热板201上开设有相应的光孔，引伸杆5依次穿过第一隔热板201、第一安装板202、第一反射板203的光孔与平板结构试验件1的上板101实现螺纹连接，从而将平板结构试验件1的加速度响应信号从高温环境引出到常温环境；将加速度传感器6用耐高温的AB胶黏在引伸杆5的上端，AB胶在150~300℃温度可以正常工作，加速度传感器6用于测量平板结构试验件1的固有频率、阻尼、振型。

在本发明实施例中，利用螺栓进行连接的各个零部件均开设有用以螺栓连接的安装孔。

在本发明实施例中，一种用于平板结构的可变边界高温模态试验装置的试验方法，包括上述任意一项所述的用于平板结构的可变边界高温模态试验装置，包含以下步骤：利用约束梁7与支撑梁8对平板结构试验件1进行边界约束，第一加热组件2对平板结构试验件1进行加热，激振器3发出振动激励信号使平板结构试验件1产生振动，加速度传感器6对引导到高温热场之外的平板结构试验件1的信号进行动态测取；本发明能模拟室温—1000℃的温度环境，还可改变平板结构试验件1所受的边界约束条件，例如单边固支、双边固支、三边固支、四边固支，以获得平板结构试验件1在不同温度、不同约束条件下的固有频率、阻尼和振型等的动态变化规律，为平板结构试验件1在不同温度环境下的应用提供设计依据，尤其能为潜艇动力舱段内复合基座的可靠性设计和安全运行提供可靠的依据。

在本发明实施例中，所述上板101设置有温度传感器15，所述温度传感器15采用K型热电偶温度传感器15，K型热电偶温度传感器15由镍铬-镍硅材料制成，镍铬-镍硅K型热电偶温度传感器15的测量温度范围在-200℃至1250℃左右，通过K型热电偶温度传感器15产生毫伏电压信号送到热电偶温度变送器，热电偶温度变送器线性产生0～5V直流电压信号到NIUSB-6002数据采集卡上，使用计算机16来控制固态继电器，进而控制石英灯管的通断来实时控制平板结构试验件1的表面温度；所述温度传感器15的直径为4~6mm的圆丝，由于直径小，时间响应快，测量范围宽，适用于平板结构试验件1高温热振耦合试验固有频率、阻尼、振型的测取温度传感器15由镍铬-镍硅材料制成，镍铬-镍硅K型温度传感器15的测量温度在1000度左右，用于实时监测平板结构试验件1的温度状况；计算机16为该测试装置的控制核心，安装有数据采集卡用于采集温度传感器15的数据并将数据显示给操作人员，并可根据采集到的温度信号驱动温度控制器19调整第一石英灯阵列204与第二石英灯阵列的供电状态以实现温度控制；计算机16上安装有与动态信号采集与分析系统17相配套的数据采集与分析软件，可根据采集的加速度响应信号获得平板结构试验件1在不同温度、不同约束条件下的固有频率、阻尼和振型等的动态变化规律。

在本发明实施例中，动态信号采集与分析系统17具有两路信号源模块可输出扫频信号至功率放大器18，从而驱动激振器3，从而施加激励载荷至平板结构试验件1；同时，动态信号采集与分析系统17还有多路数据采集通道，可实时采集动态力传感器14和加速度传感器6的输出信号，并可进行模态分析，动态信号采集与分析系统17可通过USB或TCP/IP通讯的方式将采集的信号、分析的结果传递给计算机16。

在本发明实施例中，在进行平板结构试验件1高温热振耦合试验时，平板结构试验件1上下两排石英灯阵列使平板结构试验件1表面形成高温的热环境，同时激振器3通过弹性绳13悬挂在空中，弹性绳13与激振器3柔性连接，通过行吊在平板结构试验件1表面移动，激振器3通过激振杆4使平板结构试验件1产生振动，形成高温热振耦合试验环境；通过调整支撑梁8与约束梁7的数量可实现平板结构试验件1的单边固支、两边固支、三边固支、四边固支边界条件；由计算机16控制动态信号采集与分析系统17，同时动态信号采集与分析系统17连接功率放大器18与激振器3，激振器3上的动态力传感器14作为动态信号采集与分析系统17的振动输入激励信号，动态信号采集与分析系统17上的其他通道通过ICP接口连接加速度传感器6，加速度传感器6通过耐高温的引伸杆5连接平板结构试验件1，将平板结构试验件1表面测点处的振动信号传递到高温热场之外，动态信号采集与分析系统17对加速度传感器6上的振动信号进行动态跟踪测量。

在本发明实施例中，在进行动态信号采集时，首先启用信号发生器功能，对输入的振动信号进行对数扫频，扫频的频率范围为5Hz～1000Hz，扫频时间周期为80s，输出的幅值设定为30N；设置通道总数为9个ICP通道，其中第1个ICP通道为力通道，另一端连接激振器3上的动态力传感器14，其余8个ICP通道连接加速度传感器6，加速度传感器6另一端连接引伸杆5对平板结构试验件1表面进行动态信号跟踪测试；接着对加速度传感器6及其前端进行参数校正，系统会根据采集数据的积分次数来校正工程实际单位与校正因子；试验采集频率为2560Hz，采集控制选用主控同步方式，数据为网络传输保存，采集方式为连续连续，采集块数为128块，块长度为1024；触发参数设定为内触发，对触发事件进行每页显示，触发极性为自由运行状态，触发方向为上升沿触发，设置第一个通道为触发通道，将触发延迟设定为-40，触发电平为8%；然后对力传感器与加速度传感器6进行选定。在正式试验前，对试验系统进行示波30分钟，检测动态力传感器14与加速度传感器6是否有明显的偏差，示波30分钟待信号稳定后进行数据采集；动态数据采集完后，通过波形界面窗口来调取整个试验数据进行动态信号分析，第一个通道选择Force窗，其余窗口选择Hanning窗，以最大程度减少频率泄露；将试验数据进行分段存盘，每一个通道对应一个窗口；为了进行机械模态分析，将文件自动分解为双通道存盘，波形、各种频谱、频响函数以及统计量试验数据进行相应的数据保存；最后进行试验数据模态分析，首先建立平板结构试验件1试验大小尺寸一致的模型，对试验模型进行编辑；测量方向选择Z方向，所有测点方向均一致，同时使用导纳测量表与约束方程表对数据文件进行自由度识别；调用测试数据显示，观察每一个自由度的机械导纳频响特性，如幅值相位及相干函数、实部虚部及相干函数、互功率谱及相干函数、自功率谱及相干函数；选用实模态理论，对8个测点数据进行整体拟合，对导纳测量激励方法选用激振器3随机激励，接着进行模态计算与模态频率预估计，将全部测量的机械导纳幅值进行线性平均，在总体上反映结构在分析频率范围内共有多少阶模态，避免单个测量的幅值曲线上的高峰或许是干扰或混沌频率；曲线拟合完毕后，得到平板结构试验件1在每一阶下的频率、阻尼、振型；最后通过不同的模态振型动画来判断平板结构试验件1在不同的模态阶次下是弯曲变形、扭转变形、弯曲扭转共同变化。

上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。

本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.一种用于平板结构的可变边界高温模态试验装置，其特征在于：包括从下到上顺序设置平板结构试验件、第一加热组件以及激振器，所述激振器通过贯穿第一加热组件的激振杆与平板结构试验件相连接，所述平板结构试验件又与若干个伸出第一加热组件的引伸杆相连接，所述引伸杆上设置有加速度传感器，所述平板结构试验件的上方设置有至少一根约束梁，所述平板结构试验件的下方设置有至少一根支撑梁。

2.根据权利要求1所述的用于平板结构的可变边界高温模态试验装置，其特征在于：所述支撑梁置于支撑圈梁上，螺栓依次穿过所述约束梁、平板结构试验件、支撑梁与支撑圈梁相连接。

3.根据权利要求2所述的用于平板结构的可变边界高温模态试验装置，其特征在于：所述约束梁与支撑梁一一对应设置，所述约束梁与支撑梁均设置在平板结构试验件的边界处。

4.根据权利要求2所述的用于平板结构的可变边界高温模态试验装置，其特征在于：所述支撑圈梁置于L型底座上，所述支撑圈梁经螺栓与L型底座相连接，所述L型底座置于支撑平台上，所述L型底座经螺栓与支撑平台相连接。

5.根据权利要求1所述的用于平板结构的可变边界高温模态试验装置，其特征在于：所述第一加热组包含从上到下顺序设置的第一隔热板、第一安装板、第一反射板以及第一石英灯阵列，所述第一石英灯阵列经螺栓与第一安装板相连接。

6.根据权利要求1所述的用于平板结构的可变边界高温模态试验装置，其特征在于：所述平板结构试验件的下方设置有第二加热组件，所述第二加热组包含从下到上顺序设置的第二隔热板、第二安装板、第二反射板以及第二石英灯阵列，所述第二石英灯阵列经螺栓与第二安装板相连接。

7.一种用于平板结构的可变边界高温模态试验装置的试验方法，其特征在于，包括如权利要求1~6任意一项所述的用于平板结构的可变边界高温模态试验装置，包含以下步骤：利用约束梁与支撑梁对平板结构试验件进行边界约束，第一加热组件对平板结构试验件进行加热，激振器发出振动激励信号使平板结构试验件产生振动，加速度传感器对引导到高温热场之外的平板结构试验件的信号进行动态测取。