CN112556956A - 一种薄壁机匣结构振动能量传递特性可视化实验平台 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种薄壁机匣结构振动能量传递特性可视化实验平台，尤其适用于航空发动机薄壁机匣，可实现在不同支承条件、激振位置和振动激励类型下薄壁机匣结构全局振动能量传递特性可视化实验研究。该实验平台由敷设光学压力敏感涂料的薄壁机匣结构本体、光学透明真空箱、激振器、激光光源、电荷耦合设备(CCD相机)、图像采集与控制单元组成。敷设光学压力敏感涂料的薄壁机匣结构受到激振器作用产生振动，压力敏感涂料受到激光光源照射而被激发，真空环境下CCD相机捕捉薄壁机匣结构表面声压变化，传输到图像采集与控制系统，得出薄壁机匣结构振动能量传递矢量场图，继而得出薄壁机匣结构的振动能量传递特性。

Description

一种薄壁机匣结构振动能量传递特性可视化实验平台
技术领域
本发明属于机匣动力学特性实验技术领域，涉及一种薄壁机匣结构动力学特性实验装置，特别涉及一种薄壁机匣结构振动能量传递特性实验平台，尤其适用于航空发动机薄壁机匣，用以实现航空发动机薄壁机匣结构在激振力作用下的全局振动能量传递路径可视化，得出全局振动能量传递特性，实现薄壁机匣振动的有效控制和抑制，继而可实现薄壁机匣结构在多种固定支承方式、激励载荷情况下的全局振动能量传递特性可视化实验研究，为航空发动机薄壁机匣结构动力学行为分析以及机匣与整机振动控制与抑制的研究提供实验测量方案和硬件支持。
背景技术
随着对航空发动机推重比要求的不断提高，机匣结构被设计的越来越薄，以减轻重量，提高推重比。机匣作为航空发动机主要的承力和传力部件，承受并传递多种振动载荷。薄壁机匣进一步加强了航空发动机部件间振动的耦合，引起航空发动机复杂的整机振动特性，危及航空发动机运行的安全性和可靠性。
结构中振动的传播本质上是振动能量的传递。航空发动机转动部件激励产生的振动载荷本质上以振动能量的形式通过支板传递至机匣结构，在机匣上传递并与其他部件的振动相互耦合、相互影响。因此，研究航空发动机机匣振动能量传递模式和主要传递路径，对航空发动机机匣及整机振动控制和抑制具有重要意义。
目前，振动能量传递特性实验测量手段主要包括接触法和非接触法。接触法主要通过安装在结构表面的应变片、加速度传感器等设备进行直接测量，这些传感器的质量、阻尼等特性会直接影响被测结构的振动响应，从而影响振动能量传递特性的测量精度和准确性，并且这种局部点测量无法得出振动结构的全局振动能量传递特性。非接触法主要通过水听器、激光多普勒测速仪等设备进行间接测量，大多基于声学或光学原理，其实验设备复杂而精密、对环境噪声和光源强度等实验测量条件要求苛刻以及信号降噪、重构等测量数据后处理过程繁琐，限制了该方法在存在法兰接触等非线性结构中的应用。
压力敏感涂料测量技术是利用高分子有机物受激后发出荧光或磷光的光致发光特性和具有顺磁特性的氧分子对这些受激发光物质显著去活作用的“氧猝灭”效应，以适当波长激发光源使覆盖在受测物体表面具有的光敏分子胶体涂层发出荧光或磷光，由光学图像拍摄设备捕捉涂层表面的亮度图像，经过图像处理和亮度与压力转换，获得受测物体表面压力分布图谱的测量方法。振动结构表面压力与振动能量传递特性有关，经过数据处理便可测得薄壁机匣结构振动能量传递特性矢量图。因此，基于压力敏感涂料的非接触式振动能量传递特性测量手段，可实现航空发动机薄壁机匣结构全局振动能量传递特性实验测量，在航空发动机机匣及整机振动控制与抑制方面具重要应用价值。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种薄壁机匣结构振动能量传递特性可视化实验平台，尤其适用于航空发动机薄壁机匣结构，通过在薄壁机匣结构本体上敷设光学压力敏感涂料，基于压力敏感涂料的非接触式振动能量传递特性测量手段，薄壁机匣结构本体在激振器作用下产生振动，压力敏感涂料受到激光光源照射而被激发，真空环境下CCD相机捕捉薄壁机匣结构本体表面声压变化，传输到图像采集与控制系统，得出薄壁机匣结构振动能量传递矢量场图，继而实现薄壁机匣结构在多种固定支承方式、激励载荷情况下的全局振动能量传递特性可视化实验研究，为航空发动机薄壁机匣结构动力学行为分析以及机匣与整机振动控制与抑制的研究提供实验测量方案和硬件支持。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：
一种薄壁机匣结构振动能量传递特性可视化实验平台，尤其适用于航空发动机薄壁机匣结构，至少包括一实验台基座、一光学透明真空箱、一薄壁机匣结构本体、一激振器、一激光光源、一CCD相机和一图像采集与控制单元，其特征在于，
所述光学透明真空箱固定设置在所述实验台基座上，且至少所述光学透明真空箱的顶壁由光学透明材质制成；
所述薄壁机匣结构本体、激振器设置在所述光学透明真空箱内，其中，所述薄壁机匣结构本体通过其边缘的法兰边和密封件固定连接在所述光学透明真空箱的内侧壁上，并将所述光学透明真空箱分隔为相互独立的上腔室和下腔室，且所述上腔室、下腔室分别设有一与外部真空抽吸设备连通的真空抽吸管路；所述激振器顶部的激振头抵接在所述薄壁机匣结构本体的下表面，所述激振器固定设置在一激振器支撑架上，所述激振器支撑架通过连接件可拆卸地设置在一激振器移动平台上，所述激振器移动平台固定设置在所述光学透明真空箱的底部，通过改变所述激振器支撑架在所述激振器移动平台上的连接位置，以调节所述激振器的位置，实现所述激振器在不同位置对所述薄壁机匣结构本体进行激励；
所述薄壁机匣结构本体的上表面设有压力敏感材料涂层，所述压力敏感材料涂层用以捕捉薄壁机匣本体的近场声压；
所述激光光源、CCD相机设置在所述光学透明真空箱的外部并位于其上方，其中，所述激光光源的设置位置需要满足可照射到所述薄壁机匣结构本体上表面的整个压力敏感材料涂层，所述CCD相机的设置位置需要满足可捕捉整个压力敏感材料涂层表面的亮度图像；
所述CCD相机、激振器均与所述图像采集与控制单元通信连接，所述图像采集与控制单元用以向所述激振器输出激励控制信号，并用以对所述CCD相机采集的亮度图像进行处理，获得薄壁机匣结构本体的全局振动能量传递特性矢量场图。
优选地，所述光学透明真空箱为一顶部封闭、底部开口的箱体，所述箱体的底部边缘通过法兰边及密封件固定设置在所述实验台基座上。
优选地，所述上腔室、下腔室的真空抽吸管路上均设有抽气阀和压力表组件，可实现薄壁机匣结构本体的上下表面在不同压力下的振动能量传递特性实验测量以及压差载荷下的振动能量传递特性实验测量。
优选地，所述激光光源、CCD相机分别通过支撑件固定连接在所述光学透明真空箱的顶部外缘。
优选地，压力敏感材料，根据振动声压和实验环境温度的不同，可选为卟啉类光敏分子、金属钌多吡啶络合物或芘类衍生物。
本发明的薄壁机匣结构振动能量传递特性可视化实验平台中，将敷设有光学压力敏感材料涂层的薄壁机匣结构本体安装于光学透明真空箱内，其原因在于真空环境有利于提高测量机匣本体近场声压的灵敏度。在真空环境下，通过敷设在薄壁机匣外壁面的压力敏感涂层捕捉机匣近场声压，从而获得薄壁机匣结构全局振动能量传递特性矢量场图。在光学透明真空箱外侧壁面安装有2个由压力表和抽气阀组成的组件，薄壁机匣密封连接安装于透明真空箱内时，可实现由薄壁机匣分割的上下两个腔室不同压力环境(0.02MPa～0.1MPa)模拟。
同现有技术相比，本发明的薄壁机匣结构振动能量传递特性可视化实验平台，尤其适用于航空发动机薄壁机匣结构，通过在薄壁机匣结构本体上敷设光学压力敏感材料涂层，基于光学压力敏感涂料的非接触式振动能量传递特性测量手段，薄壁机匣结构在激振器作用下产生振动，压力敏感涂料受到激光光源照射而被激发，真空环境下CCD相机捕捉薄壁机匣结构表面声压变化，传输到图像采集与控制单元，得出薄壁机匣结构振动能量传递矢量场图，继而可实现在不同支承条件、激振位置和振动激励类型下薄壁机匣结构全局振动能量传递特性可视化实验研究。
附图说明
图1是本发明的薄壁机匣结构振动能量传递特性可视化实验平台的本体结构示意图。
附图标记说明：
1光学透明真空箱2激光光源3CCD相机(电荷耦合设备)4激振器5薄壁机匣结构本体6光学压力敏感材料涂层7图像采集与控制单元8压力表9抽气阀10激振器支撑架11激振器移动平台12实验台基座
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”等，仅是参考附图的方向。
如图1所示，本发明的薄壁机匣结构振动能量传递特性可视化实验平台，尤其适用于航空发动机薄壁机匣结构，可用以实现航空发动机薄壁机匣结构在激振力作用下的全局振动能量传递路径可视化，得出全局振动能量传递特性，实现薄壁机匣振动的有效控制和抑制。具体而言，如图1所示，本发明的薄壁机匣结构振动能量传递特性可视化实验平台，由光学透明真空箱1、激光光源2、CCD相机(电荷耦合设备)3、激振器4、薄壁机匣结构本体5、光学图像采集与控制单元7、压力表8、抽气阀9、激振器支撑架10、激振器移动平台11、实验台基座12等部件组成。其中，光学透明真空箱1固定设置在实验台基座12上，且至少光学透明真空箱1的顶壁由光学透明材质制成；薄壁机匣结构本体5、激振器4设置在光学透明真空箱1内，其中，薄壁机匣结构本体5通过其边缘的法兰边和密封件固定连接在光学透明真空箱1的内侧壁上，并将光学透明真空箱1分隔为相互独立的上腔室和下腔室，且上腔室、下腔室分别设有一与外部真空抽吸设备连通的真空抽吸管路；激振器4顶部的激振头抵接在薄壁机匣结构本体5的下表面，激振器4固定安装在激振器支撑架10上，激振器支撑架10通过连接件可拆卸地设置在激振器移动平台11上，激振器移动平台11固定设置在光学透明真空箱1的底部，通过改变激振器支撑架10在激振器移动平台11上的连接位置，以调节激振器4的位置，实现激振器4在不同位置对薄壁机匣结构本体5进行激励；薄壁机匣结构本体5的上表面设有压力敏感材料涂层6，压力敏感材料涂层6用以捕捉薄壁机匣本体5的近场声压；激光光源2、CCD相机3设置在光学透明真空箱1的外部并位于其上方，其中，激光光源2的设置位置需要满足可照射到薄壁机匣结构本体5的上表面的整个压力敏感材料涂层6，CCD相机3的设置位置需要满足可捕捉整个压力敏感材料涂层6表面的亮度图像；CCD相机3、激振器4均与图像采集与控制单元7通信连接，图像采集与控制单元7用以向激振器4输出激励控制控制信号，并用以对CCD相机3采集的亮度图像进行处理，获得薄壁机匣结构本体5的全局振动能量传递特性矢量场图。
更加具体地，本发明的薄壁机匣结构振动能量传递特性可视化实验平台中：薄壁机匣结构本体5，优选地，在其外表面涂有压力敏感材料6，在激光光源3照射下被激发，捕捉薄壁机匣结构本体5外表面的近场声压，通过CCD相机3捕捉整个压力敏感材料涂层6表面的亮度图像，通过图像采集与控制单元7进行图像和数据处理，获得薄壁机匣结构本体5的全局振动能量传递特性矢量场图。
光学透明真空箱1，优选地，在外侧壁面安装有2个由压力表8和抽气阀9组成的组件，可实现由薄壁机匣结构本体5分割的上下两个腔室不同压力环境(0.02MPa～0.1MPa)模拟，实现薄壁机匣结构本体5的上下表面在不同压力下的振动能量传递特性实验测量以及压差载荷下的振动能量传递特性实验测量。
激振器移动平台11，优选地，开设有8×8的螺纹孔方阵，可实现激振器4在不同位置对薄壁机匣结构本体5进行激励。
本发明的薄壁机匣振动能量传递特性可视化实验平台，其工作原理为：
薄壁机匣结构本体5外表面喷涂有光学压力敏感材料涂层6，并通过法兰边固定到光学透明真空箱1的内壁上。激振器4通过法兰边固定到激振器支撑架10，通过调整激振器支撑架10在激振器移动平台11上的位置，以满足对薄壁机匣结构本体5激振位置的要求，并通过法兰边固定到激振器移动平台11上。将带有薄壁机匣结构本体5的光学透明真空箱1通过法兰安装边固定到基座12上，两者在法兰安装边上通过胶圈密封，以实现真空密闭环境。激光光源2和CCD相机(电荷耦合设备)3通过法兰边固定到光学透明真空箱1的顶部外缘。
实施方式一：激振器作用下薄壁机匣振动能量传递特性可视化实验研究
薄壁机匣结构本体5通过螺栓连接固定于光学透明真空箱1内壁，关闭位于光学透明真空箱1外侧壁面下侧的由压力表8和抽气阀9组成的组件，由于薄壁机匣结构本体5在光学透明真空箱1内壁非密封连接，上下腔室连通，通过上侧压力表8和抽气阀9组件将整个光学透明真空箱1内腔抽成所需真空环境，关闭抽气阀9。通过图像采集与控制单元7输出薄壁机匣结构激励信号，由激振器4作用在薄壁机匣结构本体5上。薄壁机匣结构本体5受到激振器4作用而振动，激发光源2照射到整个敷设光学压力敏感材料涂层6的薄壁机匣结构本体5上，使光学压力敏感材料涂层6发出荧光，由CCD相机3捕捉涂层表面的亮度图像，经过图像采集与控制单元7的图像处理和亮度与压力转换过程，获得薄壁机匣结构本体5全局表面压力分布图谱。在图像采集与控制单元7中，由全局表面压力分布便可得出全局法向速度分布，进一步便可得出薄壁机匣结构本体5的全局振动能量分布及其振动能量传递矢量图。
实施方式二：瞬时压力脉冲载荷作用下薄壁机匣振动能量传递特性可视化实验研究
实施方式二与实施方式一的区别在于薄壁机匣结构本体5的激励加载方式不同。在实施方式二中，薄壁机匣结构本体5通过垫片密封连接固定于光学透明真空箱1内壁，光学透明真空箱1被薄壁机匣结构本体5划分为上下两个密闭腔室。分别通过位于光学透明真空箱1外侧壁面上、下侧的由压力表8和抽气阀9组成的组件使这两个密闭腔室达到不同压力的真空环境，关闭这两个抽气阀9。通过快速开启下侧抽气阀9，使透明真空箱下侧密闭腔室迅速升压，形成对薄壁机匣结构的瞬时压力脉冲载荷。其他过程与实施方式一相同。
通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (5)

1.一种薄壁机匣结构振动能量传递特性可视化实验平台，尤其适用于航空发动机薄壁机匣结构，至少包括一实验台基座、一光学透明真空箱、一薄壁机匣结构本体、一激振器、一激光光源、一CCD相机和一图像采集与控制单元，其特征在于，
所述光学透明真空箱固定设置在所述实验台基座上，且至少所述光学透明真空箱的顶壁由光学透明材质制成；
所述薄壁机匣结构本体、激振器设置在所述光学透明真空箱内，其中，所述薄壁机匣结构本体通过其边缘的法兰边和密封件固定连接在所述光学透明真空箱的内侧壁上，并将所述光学透明真空箱分隔为相互独立的上腔室和下腔室，且所述上腔室、下腔室分别设有一与外部真空抽吸设备连通的真空抽吸管路；所述激振器顶部的激振头抵接在所述薄壁机匣结构本体的下表面，所述激振器固定设置在一激振器支撑架上，所述激振器支撑架通过连接件可拆卸地设置在一激振器移动平台上，所述激振器移动平台固定设置在所述光学透明真空箱的底部，通过改变所述激振器支撑架在所述激振器移动平台上的连接位置，以调节所述激振器的位置，实现所述激振器在不同位置对所述薄壁机匣结构本体进行激励；
所述薄壁机匣结构本体的上表面设有压力敏感材料涂层，所述压力敏感材料涂层用以捕捉薄壁机匣本体的近场声压；
所述激光光源、CCD相机设置在所述光学透明真空箱的外部并位于其上方，其中，所述激光光源的设置位置需要满足可照射到所述薄壁机匣结构本体上表面的整个压力敏感材料涂层，所述CCD相机的设置位置需要满足可捕捉整个压力敏感材料涂层表面的亮度图像；
所述CCD相机、激振器均与所述图像采集与控制单元通信连接，所述图像采集与控制单元用以向所述激振器输出激励控制信号，并用以对所述CCD相机采集的亮度图像进行处理，获得薄壁机匣结构本体的全局振动能量传递特性矢量场图。
2.根据上述权利要求所述的薄壁机匣结构振动能量传递特性可视化实验平台，其特征在于，所述光学透明真空箱为一顶部封闭、底部开口的箱体，所述箱体的底部边缘通过法兰边及密封件固定设置在所述实验台基座上。
3.根据上述权利要求所述的薄壁机匣结构振动能量传递特性可视化实验平台，其特征在于，所述上腔室、下腔室的真空抽吸管路上均设有抽气阀和压力表组件，可实现薄壁机匣结构本体的上下表面在不同压力下的振动能量传递特性实验测量以及压差载荷下的振动能量传递特性实验测量。
4.根据上述权利要求所述的薄壁机匣结构振动能量传递特性可视化实验平台，其特征在于，所述激光光源、CCD相机分别通过支撑件固定连接在所述光学透明真空箱的顶部外缘。
5.根据上述权利要求所述的薄壁机匣结构振动能量传递特性可视化实验平台，其特征在于，压力敏感材料，根据振动声压和实验环境温度的不同，可选为卟啉类光敏分子、金属钌多吡啶络合物或芘类衍生物。
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