CN112697365A - 一种基于形位等效反推控制的热振动试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于形位等效反推控制的热振动试验装置和试验方法，属于热环境试验测试技术领域，解决了现有的试验技术无法满足高温热环境下的振动试验的问题。本发明的基于形位等效反推控制的热振动试验装置，包括振动台、热源、工装、温度传感器和加速度传感器；所述振动台包括底座、振动台本体和振动台台面，所述振动台用于对试验件加载振动，所述工装安装在振动台台面上，用于夹持试验件，所述热源用于加热试验件。本发明通过利用可以固定加速度传感器的振动台台面，以及利用与试验件处于同一加热温区下的金属工装固定温度传感器，从而实现热、振动联合试验，满足了高温环境和振动条件同时施加的试验要求。

Description

一种基于形位等效反推控制的热振动试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及热环境试验测试技术领域，尤其涉及一种基于形位等效反推控制的热振动试验装置及试验方法。

背景技术

超声速飞行器在长时间超声速飞行时，由于空气的粘性摩擦，受到严酷的气动加热效应，使得飞行器结构表面温度上升，极高的温度及温度梯度会改变飞行器结构热物理参数和力学性能，从而导致飞行器结构的力学特性发生变化，导致结构弯曲、扭转刚度下降，对飞行器的强度、稳定性、控制产生严重影响，极大影响了飞行器结构的可靠性。

热振动试验主要模拟飞行器飞行过程中的气动加热和振动复合环境，用以研究/考核飞行器热结构的动强度/刚度特性和安装位置上热、振动响应特性。通过在地面试验热振动中，可以模拟飞行过程中的热振动复合环境，验证飞行器结构的耐久性和完整性。

由于1200℃高温热环境的影响，对试验件表面热、振动控制点传感器的安装提出了挑战，尤其是非金属结构，表面粘接传感器的胶受热后特性发生变化，极易从试验件上脱落，中断试验。另一方面，由于加速度传感器的耐热性较差，无法在高温条件下工作，因此，无法同时进行热试验和振动试验。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于形位等效反推控制的热振动试验装置及试验方法，用以解决现有的试验技术无法满足高温热环境下的振动试验的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种基于形位等效反推控制的热振动试验装置，包括振动台、热源、工装、温度传感器和加速度传感器。

所述振动台包括底座、振动台本体和振动台台面，所述振动台用于对试验件加载振动，所述工装安装在振动台台面上，用于夹持试验件，所述热源用于加热试验件。

进一步地，所述工装使用耐高温金属材料。

进一步地，所述热源为石英灯加热器。

进一步地，所述热源与试验件表面距离为50-100mm。

进一步地，所述加速度传感器包括第一加速度传感器和第二加速度传感器，所述第一加速度传感器安装在试验件上，所述第二加速度传感器安装在振动台台面上。

进一步地，所述温度传感器包括第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一温度传感器安装在试验件上，所述第二温度传感器固定在工装上。

一种基于形位等效反推控制的热振动试验方法，使用上述技术方案所述的基于形位等效反推控制的热振动试验装置；

所述试验方法包括以下步骤：

步骤1：在常温状态下进行振动调试，得到振动台台面的控制谱；

步骤2：在加温状态下进行温度调试，得到工装上响应的第二温度-时间曲线；

步骤3：以调试后得到的振动台台面的控制谱和工装上响应的第二温度-时间曲线为控制输入，开展正式热振试验。

进一步地，所述步骤1包括：

步骤1.1：常温状态下，在试验件上粘贴第一加速度传感器，在振动台台面上粘贴第二加速度传感器；

步骤1.2：以试验件上的第一加速度传感器为振动控制点，振动台台面上的第二加速度传感器为振动测量点，对试验件施加振动，记录振动台台面上振动测量点的频谱曲线；

步骤1.3：将振动控制点和振动测量点互换，以第二加速度传感器输出得到的第二频谱曲线作为控制谱，再次调试试验获得新的振动台台面控制谱。

进一步地，所述步骤2包括：

步骤2.1：在试验件上粘贴第一温度传感器，在工装上固定第二温度传感器：

步骤2.2：以试验件上的第一温度传感器作为温度控制点，工装上的第二温度传感器为温度测量点，记录工装上第二温度传感器响应的第二温度-时间曲线：

步骤2.3：将温度控制点和温度测量点互换，将第二温度传感器记录的第二温度-时间曲线作为控制输入，再次调试试验获得新的工装上响应的第二温度-时间曲线。

进一步地，步骤3中，对试验件加载振动激励和温度载荷，考察试验件在试验中是否发生破坏。

进一步地，所述石英灯加热器的覆盖面积比试验件和工装的面积大20％-30％。

进一步地，步骤2.1中，工装安装第二温度传感器的位置与试验件处于同一加热温区内。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)本发明通过利用可以固定传感器的媒介，间接实现热振动联合试验的闭环控制，满足了高温热环境和振动条件同时施加的试验要求。

(2)本发明通过利用形位等效关系，实现高温情况下的振动试验。

(3)本发明通过加速度传感器和温度传感器实现形位等效关系，调试简单，试验准备周期短，成本低。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例的基于形位等效反推控制的热振动试验装置示意图；

图2为本发明实施例的温度传感器布置示意图。

附图标记：

201-试验件，202-振动台台面，203-第一加速度传感器，204-第二加速度传感器，205-工装，206-第一温度传感器，207-第二温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

超声速飞行器在飞行时，同时受到高温(如，1200℃)及振动的影响，为了考察飞行器结构的稳定性，需要在地面试验中考察飞行器能否同时承受高温和振动环境。但由于加速度传感器无法在高温条件下工作，且试验件表面粘贴的温度传感器在高温振动情况下容易脱落，中断试验。因此，无法直接对试验件进行热振动试验。

本发明的一个具体实施例，如图1至图2所示，公开了一种基于形位等效反推控制的热振动试验装置，用于对非金属复合材料试验件进行热振动试验。

试验装置包括试振动台、热源、工装205、温度传感器和加速度传感器。振动台包括底座、振动台本体和振动台台面202。底座用于支撑本实施例的试验装置，振动台本体能够产生机械振动，用于对试验件201施加振动，振动台台面202用于安装工装205并传递振动。

工装205安装在振动台台面202上，工装205用于夹持试验件201。

需要说明的是，本发明实施例的工装205为耐高温金属材料(如，高温合金)，从而使得温度传感器能够焊接在工装205上，避免试验过程中温度传感器在振动的影响下脱落，且使得工装205在试验中能够承受高温的作用，保证试验的可靠性。

热源用于加热试验件201。优选地，本发明实施例的热源为石英灯加热器，石英灯以热辐射方式加热试验件201，同一个加热器覆盖的辐射区域即为同一个加热温区；石英灯加热器与试验件201平行放置，为保证热场均匀性，加热器覆盖面积比试验件与工装的面积大20％-30％，加热器与试验件表面距离为50-100mm。

温度传感器包括第一温度传感器206和第二温度传感器207，第一温度传感器206在温度调试过程中粘贴在试验件101上，用于调试过程中试验件201的温度检测，正式试验前拆下第一温度传感器206。第二温度传感器207焊接在工装205上，用于调试和正式试验过程中的温度检测。

加速度传感器包括第一加速度传感器203和第二加速度传感器204，第一加速度传感器203在振动调试过程中粘贴在试验件201上，用于调试过程中试验件201的振动检测，正式试验前拆下第一加速度传感器203。第二加速度传感器204固定在振动台台面202上，用于调试和正式试验过程中的振动检测。

实施例2

本发明的一个具体实施例，公开了一种基于形位等效反推控制的热振动试验方法，使用实施例1的试验装置，具体地，本发明实施例的基于形位等效反推控制的热振动试验方法包括以下步骤：

步骤1：在常温状态下进行振动调试，得到振动台台面202的控制谱：

本实施例中，振动台和试验件201的振动通过加速度传感器检测，由于加速度传感器不耐高温，所以，加速度传感器的调试需在常温状态下完成。具体地，振动调试包括以下步骤：

步骤1.1：常温状态下，在试验件201上粘贴第一加速度传感器203，在振动台台面202上粘贴第二加速度传感器204：

在非金属试验件201上表征试验件振动特性的位置上粘贴第一加速度传感器203，粘贴位置根据试验件所处的使用环境及约束条件确定，一般通过试验前的仿真计算确定；在处于非加热区域的振动台台面202上安装第二加速度传感器204。

步骤1.2：以试验件201上的第一加速度传感器203为振动控制点，振动台台面202上的第二加速度传感器204为振动测量点，对试验件201施加振动，记录振动台台面202上振动测量点的频谱曲线：

具体地，以试验件201上的第一加速度传感器203为振动控制点，振动台台面202上的第二加速度传感器204为振动测量点，通过振动台的激振器施加振动激励，第一加速度传感器201能够检测到试验件1的振动并输出第一频谱曲线，第二加速度传感器203能够检测振动台台面202的振动并输出第二频谱曲线。

对输入的振动进行调试，使得第一加速度传感器203输出的第一频谱曲线符合试验要求规定，即第一频谱曲线符合正式试验时需要对试验件201所要加载的振动条件。记录此时振动台台面202上第二加速度传感器204的第二频谱曲线。

本发明实施例所给定的振动条件包括频率范围(随机振动取20～2000Hz)、总均方根加速度(20g)以及功率谱密度谱型，由此确定振动台控制频谱。加速度传感器测量加速度，通过振动台控制器生成功率谱密度和均方根值加速度。

步骤1.3：将振动控制点和振动测量点互换，以第二加速度传感器204输出得到的第二频谱曲线作为控制谱，再次调试试验获得新的振动台台面202控制谱：

将步骤1.2中的振动控制点和振动测量点互换，即以第二加速度传感器204为振动控制点，以第一加速度传感器203为振动测量点，以步骤1.2中记录的第二加速度传感器204的第二频谱曲线作为控制谱，得到第一加速度传感器203的新的第一频谱曲线。

调整振动台振动量级，以修正第二加速度传感器204的控制谱，直到第一加速度传感器203得到的新的第一频谱曲线与试验要求规定的功率谱密度曲线相同，或两者之间的偏差小于±3dB。则调试完成，获取最终的振动台台面的控制谱。

步骤2：在加温状态下进行温度调试：

本发明实施例的热源为石英灯加热器，以热辐射方式加热试验件，同一个加热器覆盖的辐射区域即为同一个加热温区；石英灯加热器与试验件平行放置，为保证热场均匀性，加热器覆盖面积比试验件与工装的面积大20％，加热器与试验件表面距离50mm-100mm。

根据辐射换热理论，处于同一个加热温区下的两个表面，一个表面对另一个表面的角系数为定值，物体的表面温度及发射率的改变只影响该物体向外发射的辐射能大小而不影响其在空间的分布，因而不影响辐射能落到其他表面上的百分数。所谓角系数，是指一个表面发出的辐射能中落到另一个表面上的百分数，在角系数为定值的情况下，可以用一个表面的接收的能量反推另一个表面的所接收的能量，即两个表面之间存在形位等效关系。

具体地，温度调试包括以下步骤：

步骤2.1：在处于同一个温区下的试验件201和工装205上分别布置温度传感器：

温度调试前，先拆下试验件201上粘贴的第一加速度传感器201，然后在试验件201上粘贴第一温度传感器206，在工装205上固定第二温度传感器207。

需要说明的是，工装205安装第二温度传感器207的位置需要与试验件201处于同一加热温区内，优选地，工装205上布置第二温度传感器207的位置靠近试验件201粘贴第一温度传感器206的位置，从而降低形位等效的误差。

需要说明的是，工装205为耐高温金属材料(如，高温合金)，第二温度传感器207固定(如，焊接)在工装205上。

步骤2.2：以试验件201上的第一温度传感器206作为温度控制点，工装205上的第二温度传感器207为温度测量点，记录工装205上第二温度传感器207响应的第二温度-时间曲线：

具体地，使用热源对试验件201加热，以试验件201上的第一温度传感器206为温度控制点，工装205上的第二温度传感器207为温度测量点，通过对试验件201加温，第一温度传感器206能够输出第一温度-时间曲线，第二温度传感器207能够输出第二温度-时间曲线。

通过PID控制调试热源输出功率，使得第一温度传感器206输出的第一温度-时间曲线符合试验要求规定，即第一温度-时间曲线符合正式试验时需要对试验件201加载的温度-时间曲线。记录此时工装205上第二温度传感器207的第二温度-时间曲线。

步骤2.3：将温度控制点和温度测量点互换，将第二温度传感器207记录的第二温度-时间曲线作为控制输入，再次调试试验获得新的工装205上响应的第二温度-时间曲线：

将步骤2.2中的温度控制点和温度测量点互换，即以第二温度传感器207为控制点，以第一温度传感器206为测量点，以步骤2.2中记录的第二温度-时间曲线作为温度输入，得到第一温度传感器206的新的第一温度-时间曲线。

通过调试热源输出功率，修正第二温度传感器207的第二温度-时间曲线，直到第一温度传感器206的新的第一温度-时间曲线与试验要求规定的温度-时间曲线一致，或两者之间的误差小于1％，则调试完成，得到最终的第二温度-时间曲线。

步骤3：以调试后得到的振动台台面202的控制谱和工装205上响应的第二温度-时间曲线为控制输入，开展热振试验：

具体地，首先拆除试验件201上的第一温度传感器206。根据形位等效关系，以调试后得到的台面控制谱数据和工装205上响应的第二温度-时间曲线为控制输入，按照时间历程要求，对试验件201加载振动激励和温度载荷，考察试验件在试验中是否发生破坏。若试验件未发生破坏，则其结构设计满足使用要求；若试验件发生破坏，则记录破坏的形式及位置，为后续结构设计改进提供技术参考。

本发明提供的一种基于形位等效反推控制的热振动试验装置和试验方法，克服了高温(如，1200℃)环境下采集、测量和热防护等因素的限制，实现了非金属结构件的热振动试验，为指导、验证超声速飞行器的设计提供了重要指导意义。

综上所述，本发明实施例提供的一种基于形位等效反推控制的热振动试验装置和试验方法，通过利用可以固定加速度传感器的振动台台面，实现高温环境下的试验件的振动测试；通过利用与试验件处于同一加热温区下的金属工装固定温度传感器，实现振动环境下的温度测试，从而实现热、振动联合试验，满足了高温环境和振动条件同时施加的试验要求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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。

Claims (10)

1.一种基于形位等效反推控制的热振动试验装置，其特征在于，包括振动台、热源、工装(205)、温度传感器和加速度传感器。

2.根据权利要求1所述的基于形位等效反推控制的热振动试验装置，其特征在于，所述振动台包括底座、振动台本体和振动台台面(202)，所述振动台用于对试验件(201)加载振动，所述工装(205)安装在振动台台面(202)上，用于夹持试验件(201)，所述热源用于加热试验件(201)。

3.根据权利要求2所述的基于形位等效反推控制的热振动试验装置，其特征在于，所述工装(205)使用耐高温金属材料。

4.根据权利要求3所述的基于形位等效反推控制的热振动试验装置，其特征在于，所述热源与试验件表面距离为50-100mm。

5.根据权利要求1所述的基于形位等效反推控制的热振动试验装置，其特征在于，所述温度传感器包括第一温度传感器(206)和第二温度传感器(207)。

6.根据权利要求5所述的基于形位等效反推控制的热振动试验装置，其特征在于，所述第一温度传感器(206)安装在试验件(201)上，所述第二温度传感器(207)固定在工装(205)上。

7.一种基于形位等效反推控制的热振动试验方法，其特征在于，使用权利要求1-6所述的基于形位等效反推控制的热振动试验装置；

所述试验方法包括以下步骤：

步骤1：在常温状态下进行振动调试，得到振动台台面(202)的控制谱；

步骤2：在加温状态下进行温度调试，得到工装(205)上响应的第二温度-时间曲线；

步骤3：以调试后得到的振动台台面(202)的控制谱和工装(205)上响应的第二温度-时间曲线为控制输入，开展热振试验。

8.根据权利要求7所述的基于形位等效反推控制的热振动试验方法，其特征在于，所述步骤1包括：

步骤1.1：常温状态下，在试验件(201)上粘贴第一加速度传感器(203)，在振动台台面(202)上粘贴第二加速度传感器(204)；

步骤1.2：以试验件(201)上的第一加速度传感器(203)为振动控制点，振动台台面(202)上的第二加速度传感器(204)为振动测量点，对试验件(201)施加振动，记录振动台台面(202)上振动测量点的频谱曲线。

9.根据权利要求8所述的基于形位等效反推控制的热振动试验方法，其特征在于，所述步骤1还包括：

步骤1.3：将振动控制点和振动测量点互换，以第二加速度传感器(204)输出得到的第二频谱曲线作为控制谱，再次调试试验获得新的振动台台面(202)控制谱。

10.根据权利要求7所述的基于形位等效反推控制的热振动试验方法，其特征在于，步骤3中，对试验件(201)加载振动激励和温度载荷，考察试验件在试验中是否发生破坏。

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