CN114720365A - 高温环境下薄壁结构屈曲大变形后热模态试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

高温环境下薄壁结构屈曲大变形后热模态试验系统及方法，涉及航空航天技术领域，本申请对于夹具模块，一方面使用金属橡胶弹簧垫片来对薄壁结构的边界进行约束固定，金属橡胶弹簧垫片还可以用来隔离薄壁结构表面的热量传递至夹具引起夹具在高温环境下刚性减弱，另一方面，金属橡胶弹簧垫片在高温环境下仍具有良好隔振密封的效果，进一步稳定夹具模块的刚性约束，本申请利用三轴精密滑动平台、带刻度的升降装置与激振器组成的可调移动式激振器装置能有效地在薄壁结构发生热屈曲大变形后仍对薄壁结构进行振动激励，有效地解决了高温环境下薄壁结构热屈曲大变形后热模态试验连续振动激励的问题。

Description

高温环境下薄壁结构屈曲大变形后热模态试验系统及方法

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，具体为高温环境下薄壁结构屈曲大变形后热模态试验系统及方法。

背景技术

随着航空航天技术的发展，飞行器上的结构越来越注重采用轻量化结构，如飞机蒙皮和舱体，其中薄壁结构就是其中一种典型的结构方式，但大部分薄壁结构加工工艺复杂且存在刚性弱等特点，因此普遍采用加筋的方式来提高薄壁结构的刚性和强度。

飞行器在大气层内高马赫数长时间飞行过程中，会经历着严酷的气动加热，使飞行器表面温度跨越几百甚至上千度，引起严重的“热障”问题，从而显著改变结构模态参数，影响结构的稳定性。薄壁结构表面受热后将要膨胀，而内部结构温度低且刚度大，限制了其表面的膨胀，进而薄壁结构受到壁板平面方向的压应力作用。当压应力达到一定值以后，薄壁结构会产生很大的横向变形，使得结构发生翘曲或者鼓包，这种现象称为热屈曲。在高温环境下，热屈曲行为具有突发性，薄壁结构材料本身的热物性与力学性能变得复杂具有明显的非线性，严重破坏薄壁结构的稳定性。然而，对于薄壁结构来说，热屈曲会产生大变形，进而在地面试验时激振器无法对结构进行正常激励。此外，基于薄壁结构试件制造成本高且工艺复杂，采用不断试错测量的方式显然不符合工程实际，迫切需要一种便携式可调激振器位置的装置来对薄壁结构热屈曲大变形后的热模态试验进行测试。

现有的对结构在高温环境下大多采用振动台、扬声器和激振器三种方式。振动台本身的噪声过大对薄壁结构振动试验干扰较大且需要在振动台上进行夹具转接，因此无法模拟自由边界下薄壁结构的振动激励，且振动台运行时产生的噪声对振动测试也有影响；扬声器是一种非接触的激励方式，对试验环境的要求很高，响应信号中试验本身环境和热环境的影响较大；激振器是通过激振杆对薄壁结构进行振动激励，对于轻量化的薄壁结构，在结构表面进行打孔一方面增加附加质量和附加刚度的影响，另一方面破坏了结构件本身的结构特性，针对这种线性，有学者采用脉冲序列激励的方式【白云鹤等公开的申请专利《结构热模态试验连续脉冲序列激励装置》，专利号：CN107655647A】对结构进行激励，激振器的激振杆不需要与结构件通过螺栓打孔进行连接，很好地解决了激振杆对薄壁结构产生附加质量和附件刚度的影响，但是，在高温环境下薄壁结构发生热屈曲大变形现象且冷却后薄壁结构可能会自动恢复平面状态会损坏刚性导引杆，如何便捷有效地调整激振器位置，进而在薄壁结构热屈曲大变形后进行连续振动激励成为我们急需解决的问题。

现有的试验测量技术中对于薄壁结构热屈曲大多采用静态压缩方式进行测量，目前针对薄壁结构热屈曲大变形后热模态试验鲜有报道。一方面与薄壁结构在热环境下结构本身变形不大，通过增大信号发生器的激励幅值和与激振器相连接的功率放大器的功率即可有效地对薄壁结构进行激励；另一方面，现有大多数薄壁结构的边界约束存在着较大的热应力释放，在试验过程中几乎不会出现明显的热屈曲大变形现象【程昊等发表的《壁板结构热屈曲后模态特性试验》(振动、测试与诊断)2019，39(2)：306-310，443】。因此，大多数学者对于薄壁结构热屈曲后热模态试验的研究大多在理论研究与仿真分析上，对地面热试验的方式进行验证研究较少。

因此，对于薄壁结构不同边界约束的准确模拟以尽可能降低约束边界内部在加热过程中热应力释放的需求，提供一种新的结构简单、可互换性和通用性好的夹具以便试验测量过程中获得薄壁结构热屈曲大变形现象显得尤为关键。此外，针对薄壁结构热屈曲大变形后难以激励的问题提供一套可调便携式的振动激励方式以便获得薄壁结构热屈曲大变形后热模态参数，对于薄壁结构在航空航天领域进一步的应用推广具有重要的军事工程应用价值。

发明内容

本发明的目的是：针对现有试验方法中薄壁结构热屈曲大变形后难以激励的问题，提出高温环境下薄壁结构屈曲大变形后热模态试验系统及方法。

本发明为了解决上述技术问题采取的技术方案是：

高温环境下薄壁结构屈曲大变形后热模态试验方法，包括以下步骤：

步骤一：模拟薄壁结构边界环境；

步骤二：对薄壁结构试验件1进行加热；

步骤三：对薄壁结构试验件1进行振动激励；

步骤四：获得薄壁结构试验件1在40℃～1000℃温度场环境下的模态特性参数及热屈曲大变形后的振动信号。

进一步的，所述薄壁结构边界环境包括自由边界环境、单边固支边界环境、双边固支边界环境、三边固支边界环境和四边固支边界环境。

进一步的，所述薄壁结构边界环境中自由边界环境模拟通过夹具模块进行，所述夹具模块包括耐高温柔性金属绳21、带刻度调节拉杆19和移动式龙门架17；

所述带刻度调节拉杆19通过滑动滑块18设置在移动式龙门架17上，所述带刻度调节拉杆19上设有滑轮20，所述薄壁结构试验件1通过耐高温柔性金属绳21与滑轮20连接，所述耐高温柔性金属绳21能在滑轮20上滑动；

所述移动式龙门架17底端设有万向转向轮22。

进一步的，所述薄壁结构边界环境中单边固支边界环境、双边固支边界环境、三边固支边界环境和四边固支边界环境模拟通过夹具模块进行，所述夹具模块包括L形固定支座12；

所述薄壁结构试验件1的两面由内向外依次设有约束边界压块14和金属橡胶弹簧垫片16，所述锁紧耐高温钢螺栓15穿过薄壁结构试验件1两面的约束边界压块14和金属橡胶弹簧垫片16，将薄壁结构试验件1固定在L形固定支座12上。

进一步的，所述加热包括全场均匀加热、非均匀加热和瞬态加热。

进一步的，所述步骤二中对薄壁结构进行加热通过热环境模拟模块3进行，所述热环境模拟模块3包括耐高温透明石英玻璃31、高温陶瓷隔热板32和石英灯辐射加热阵列33；

所述耐高温透明石英玻璃31为U形，耐高温透明石英玻璃31中间设有高温陶瓷隔热板32和石英灯辐射加热阵列33。

进一步的，所述步骤二中对薄壁结构进行加热通过热环境模拟模块3进行，具体步骤为：

距离薄壁结构试验件1的一侧表面20-60mm处布置石英灯辐射加热阵列33，利用石英灯辐射加热阵列33给钛合金薄壁结构试验件1的表面进行加热，之后通过可控硅电源35和温度测控系统34经过PID模糊控制对在钛合金薄壁结构试验件1表面粘贴的热电偶温度传感器8进行表面温度测量和监控，薄壁结构试验件1的另一侧使用红外热像仪5对薄壁结构试验件1进行全场温度实时测量，在石英灯辐射加热阵列33的外侧安装有厚度为40-60mm的高温陶瓷隔热板32进行防热扩散屏蔽，并在石英灯辐射加热阵列33的左、右及上侧安装有耐高温透明石英玻璃31进行二次热屏蔽。

进一步的，所述步骤三中对薄壁结构试验件1进行振动激励通过移动式激励模块4进行，所述移动式激励模块4包括三轴精密滑动平台纵向导轨29、三轴精密滑动平台横向导轨28、带刻度升降装置26和激振器25；

所述三轴精密滑动平台横向导轨28设置在三轴精密滑动平台纵向导轨29上，所述带刻度升降装置26通过转接装置27设置在三轴精密滑动平台横向导轨28上，所述激振器25设置在带刻度升降装置26上，所述激振器25与刻度升降装置26通过金属橡胶弹簧垫片16螺栓连接，所述激振器25上设有力传感器24，所述力传感器24上设有耐高温陶瓷刚性导引杆23，所述耐高温陶瓷刚性导引杆23表面设有耐高温反射涂层30；

所述三轴精密滑动平台纵向导轨29、三轴精密滑动平台横向导轨28、激振器25、力传感器24和带刻度升降装置26四周包覆有耐高温陶瓷隔热毡。

进一步的，所述步骤三中对薄壁结构试验件进行振动激励的具体步骤为：

首先将石英灯辐射加热阵列33以预设加热速率对薄壁结构试验件1进行温度场模拟，同时使用激振器25并通过耐高温陶瓷刚性导引杆23使薄壁结构试验件1产生连续脉冲激励，形成热-振耦合试验环境，当薄壁结构试验件1在热环境下发生热屈曲大变形时，使用带刻度升降装置26调整激振器25的高度，之后通过耐高温透明石英玻璃31观察薄壁结构试验件1热屈曲大变形的弯扭程度调整三轴精密滑动平台横向导轨28和三轴精密滑动平台纵向导轨29，使激振器25上的耐高温陶瓷刚性导引杆23与薄壁结构试验件1表面距离位置在可激励范围，进而实现薄壁结构试验件1热屈曲大变形后进行连续振动激励。

高温环境下薄壁结构屈曲大变形后热模态试验系统，包括：移动式激励模块、测量模块、夹具模块、热环境模拟模块以及热防护模块；

所述夹具模块用于模拟薄壁结构边界环境；

所述热环境模拟模块用于对薄壁结构进行加热；

所述移动式激励模块用于实现薄壁结构热屈曲大变形后热模态试验振动激励；

所述测量模块用于对薄壁结构表面的温度和振动响应信号进行测量；

所述热防护模块使用热屏蔽措施对移动式激励模块、热环境模拟模块、夹具模块、测量模块中受热区域或热传递区域进行直接或间接降温隔热处理。

本发明的有益效果是：

本申请提供高温环境下薄壁结构屈曲大变形后热模态试验系统，对于夹具模块，一方面使用金属橡胶弹簧垫片来对薄壁结构的边界进行约束固定，金属橡胶弹簧垫片还可以用来隔离薄壁结构表面的热量传递至夹具引起夹具在高温环境下刚性减弱，另一方面，金属橡胶弹簧垫片在高温环境下仍具有良好隔振密封的效果，进一步稳定夹具模块的刚性约束，此外，根据薄壁结构的边界预留尺寸，尽可能选用大直径密集排列的螺栓连接来约束薄壁结构的固支边界，以便尽量减少薄壁结构在高温环境下约束边界的热应力释放，这也是绝大部分试验过程中薄壁结构未出现或出现不明显的热屈曲大变形现象的关键原因之一。利用三轴精密滑动平台、带刻度的升降装置与激振器组成的可调移动式激振器装置能有效地在薄壁结构发生热屈曲大变形后仍对薄壁结构进行振动激励，有效地解决了高温环境下薄壁结构热屈曲大变形后热模态试验连续振动激励的问题。与现有技术相比，本发明提供的试验装置采用模块化的方式进行集成，装置结构简洁，具有制作安装方便、测试效率高的优点，为薄壁结构在气动热-振动耦合环境下边界约束模拟、热屈曲大变形后连续振动激励及热现象观察方面提供了新的测试手段，以便更好地在地面开展对薄壁结构有效的热振耦合试验验证。

附图说明

图1为本申请系统结构示意图；

图2为本申请薄壁结构热屈曲大变形后热模态试验流程图；

图3为本申请薄壁结构竖直放置四种不同边界约束示意图；

图4为本申请薄壁结构竖直放置单边固支边界约束示意图；

图5为本申请薄壁结构竖直放置自由边界模拟示意图；

图6为本申请薄壁结构移动式激励示意图；

图7为本申请薄壁结构热环境模拟示意图。

薄壁结构试验件1；夹持模块2；热环境模拟模块3；移动式激励模块4；红外热像仪5；高速相机6；激光测振仪7；温度传感器8；计算机9；信号发生器10；功率放大器11；L型固定支座12；约束边界垫块13；约束边界压块14；锁紧耐高温钢螺栓15；金属橡胶弹簧垫片16；移动式龙门架17；滑动滑块18；带刻度调节拉杆19；滑轮20；耐高温柔性金属绳21；万向转向轮22；耐高温陶瓷刚性导引杆23；力传感器24；激振器25；带刻度升降装置26；转接装置27；三轴精密滑动平台横向导轨28；三轴精密滑动平台纵向导轨29；耐高温反射涂层30；耐高温透明石英玻璃31；高温陶瓷隔热板32；石英灯辐射加热阵列33；温度测控系统34；可控硅电源35。

具体实施方式

需要特别说明的是，在不冲突的情况下，本申请公开的各个实施方式之间可以相互组合。

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的高温环境下薄壁结构屈曲大变形后热模态试验方法，包括以下步骤：

步骤一：模拟薄壁结构边界环境；

步骤二：对薄壁结构进行加热；

步骤三：对薄壁结构试验件进行振动激励；

步骤四：获得薄壁结构在40℃～1000℃温度场环境下的模态特性参数及热屈曲大变形后的振动信号。

本申请包括薄壁结构试验件、移动式激励模块、测量模块、夹持模块、热环境模拟模块、热防护模块。

(1)夹持模块是用来模拟薄壁结构自由、单边固支、双边固支、三边固支、四边固支等不同边界环境。对于自由边界环境的模拟，通过耐高温柔性金属绳对薄壁结构进行悬挂，耐高温柔性金属绳一端连接薄壁结构试验件，另一端连接带刻度调节拉杆，带刻度调节拉杆通过耐高温柔性金属绳固定在移动式龙门架承力横梁上，通过调整移动式龙门架位置及带刻度调节拉杆的高度进而较准确平稳地放置薄壁结构试验件的位置。对于单边固支、双边固支、三边固支、四边固支四种固定边界约束的模拟，采用L型固定支座进行薄壁结构边界约束，与采用相同材料对结构件进行焊接一体化的方式不同，本申请通过螺栓对约束边界压板、金属橡胶弹簧垫片、薄壁结构试验件、约束边界垫块和L型固定支座进行连接，其中金属橡胶弹簧垫片一方面起减振隔热和密封的作用，可将薄壁结构试验件的热振引起边界的振动能量进行耗散，另一方面金属橡胶弹簧垫片起弹簧片的作用，能让螺栓更好地将薄壁结构试验件的边界进行约束。值得注意的是，为了尽可能减少螺栓连接带来的热应力释放，此处的薄壁结构试验件边界上的通孔的直径大小及位置需要特别注意，一般薄壁结构试验件边界预留宽度为30mm，所以边界压块和压紧垫块的直径选择18mm左右为宜。通过调整边界压块和压紧垫块配合的对数来对薄壁结构试验件进行单边固支、双边固支、三边固支、四边固支四种不同固支边界约束环境模拟。

(2)移动式激励模块是用来对薄壁结构试验件进行振动激励。薄壁结构加工工艺复杂成本高，在地面进行薄壁结构热-振联合试验时不宜采用不断试错的方式进行,因为大部分发生热屈曲大变形后其结构会发生永久性的翘曲现象。由于薄壁结构厚度很小，大多只有几毫米，对薄壁结构试验件表面打孔进行螺栓刚性连接很容易影响结构整体振动性能，类似于给薄壁结构试验件进行了初始缺陷且给薄壁结构增加的附加质量和附加刚度，因此在薄壁结构试验件上打孔通常是不被允许的。为避免在薄壁结构试验件表面进行打孔，本申请采用连续脉冲激励的方式对薄壁结构试验件进行振动激励，通过激振器激励方向连接力传感器，力传感器另一端连接耐高温刚性导引杆，耐高温陶瓷刚性导引杆另一端与薄壁结构表面调整合理的距离进行振动激励，类似于采用轻质量的力锤在结构上施加随机间隔的力脉冲。使用信号发生器设置振动信号激励的幅值大小及测量频段范围，通过功率放大器来带动激振器对薄壁结构试验件表面产生随机振动信号进而对结构件进行振动激励。由于连续脉冲激励的方式不需要考虑激振器上的耐高温陶瓷刚性导引杆与被测薄壁结构间的机械连接，有效避免了激振器上耐高温陶瓷刚性导引杆及锁紧螺栓带来的附加质量和附加刚度的影响。目前大多数结构件的振动测量均是小变形范围，所以采用上述激振器进行振动激励是可行的，但是，针对薄壁结构试验件在高温环境下产生热屈曲后发生的大变形，上述固定式激振器对结构件是难以直接进行激励的。因此，采用可调移动式激振装置可有效解决热环境下薄壁结构热屈曲大变形后的针对激励问题。可调移动式激振装置由上述固定式激振器、三轴精密滑动平台、带刻度的升降装置一起组成，固定式激振器通过金属橡胶弹簧垫片与带刻度的升降装置的一端进行固定连接，通过带刻度升降装置可调整固定式激振器上下位置，此外，带刻度的升降装置另一端通过锁紧螺栓与三轴精密滑动平台进行固定连接，当薄壁结构发生热屈曲大变形后，通过调整三轴精密滑动平台来带动带刻度的升降装置和固定式激振器进行激励位置的调整，通常情况下只需要往薄壁结构热屈曲大变形方向进行水平移动即可满足振动激励要求，也可以在水平和竖直方向同步实时进行位置调整以达到薄壁结构表面任意位置进行振动激励，有效解决了薄壁结构热屈曲大变形后热模态试验精准调整振动激励位置的问题。

(3)热环境模拟模块由试验测量温度范围可选用电弧加热器、石墨棒加热器或者石英灯辐射加热器等制备的板状或圆柱状加热阵列对薄壁结构进行全场均匀加热或局部分区非均匀加热，通常情况下，电弧加热器可获得高达3000℃以上的高温环境，石墨棒加热器最高工作温度可达2550℃，石英灯辐射加热器生成的温度一般不能长时间超过1200℃(石英玻璃软化温度在1600℃左右)。考虑到实际使用功率及通常情况下大部分结构功能材料真实服役时的温度环境(大多采用冷却或隔热涂层材料对结构进行降温处理)，所以一般实验室及科研院所大多采用石英灯辐射加热器对结构进行1200℃以下进行高温加热。因此，针对薄壁结构热环境模拟，采用石英灯辐射加热器对结构进行加热。通过可控硅电源、石英灯辐射加热器、反射板及温度测控系统来对薄壁结构进行温度控制。

(4)测量模块包括振动响应测量和实时温度测量两部分。振动响应测量时，针对薄壁结构本身质量轻、厚度小等特点，接触式的耐高温加速度传感器本身及附加电缆产生的附加质量一般难以忽略，而光纤Bragg光栅传感器由于质量轻、热稳定性好、可同时测量应变和温度等优点，有望成为接触式薄壁结构振动响应信号测量手段。此外，为避免高温热场环境影响传感器振动响应信号测量，激光多普勒测振仪(单点束定点型、单光束扫描型及多光束型)、数字图像相关技术(立体摄影测量)和先进光学应力应变分析等非接触式振动响应信号测量方式被引入。针对实时温度测量，可选用接触式的温度传感器和非接触式红外热像仪对薄壁结构表面的温度信号进行测量，其中接触式温度传感器主要由K型热电偶温度传感器(可测1250℃以下的温度)，非接触红外热像仪是一种全场测温设备(通过配备高温镜头可测1500℃以下的温度)。

(5)热防护模块是使用热屏蔽措施对移动式激励模块、热环境模拟模块、夹持模块、测量模块中受热区域或热传递区域进行直接或间接降温隔热处理。对于移动式激励模块和热环境模拟模块，为进一步降低高温热场中的热量通过耐高温陶瓷刚性导引杆传递给力传感器，首先在激振器激励四周合理布置耐高温透明石英玻璃对加热装置两侧及周围部分进行热直接隔离，然后在耐高温陶瓷刚性导引杆上涂一层高温反射涂层并采用隔热棉进一步隔离热场传递出来的热量；此外，在激振器四周采用陶瓷隔热毡进行包覆隔热，与激振器通过螺栓连接的带刻度升降装置之间采用金属橡胶弹簧垫片进行隔热和固定；进一步，带刻度升降装置与三轴精密滑动平台周围均采用陶瓷隔热毡进行包覆隔热。对于夹持模块，除薄壁结构加热区域外，夹持装置受热区域上首先喷涂一层耐高温反射涂层，然后在夹持装置与薄壁结构螺栓连接区域使用金属橡胶弹簧垫片来固定密封连接且隔绝薄壁结构试验件传递给夹具热量来影响整体夹具连接刚性，最后采用陶瓷隔热毡进一步包覆隔热。对于测量模块，如温度信号测量，在薄壁结构热场内采用热电偶温度传感器进行表面温度监控及测量，另一侧采用非接触红外热像仪对薄壁结构全场温度进行测量(由于薄壁结构一般厚度较小，飞行器真实服役环境下大多单面受热，通常情况下采用单边加热的方式进行热环境模拟)；此外，振动响应信号的测量，由于薄壁结构较薄且成型后进行打孔容易造成结构件损坏，而目前市面上耐高温加速度传感器工作温度上限为650℃，更高温度无法使用，因此，可选用激光测振仪和DIC(Digital image correlation)高速相机设备等非接触式光学测量设备对薄壁结构位移、速度等响应信号进行测量。

本申请一种高温环境下薄壁结构热屈曲大变形后热模态试验系统及方法的操作步骤如下：(1)根据薄壁结构边界状态使用夹具模块进行边界模拟，尽可能减少约束边界热应力释放，并做好夹具模块热防护措施；(2)使用热环境模块对薄壁结构进行加热，使加热器与薄壁结构的距离在合理位置，一般取20mm-60mm为宜，并在加热阵列周围使用耐高温透明石英玻璃进行热隔离，便于观察试验现象的同时有效避免高温过程中偶然问题直接对外界产生破坏；(3)搭建移动式激振器模块，通过带刻度升降装置快速调整激振器的高度，在薄壁结构发生热屈曲大变形后使用三轴精密滑动平台实时调整激振器上耐高温陶瓷刚性导引杆与薄壁结构表面的距离，实现薄壁结构热屈曲大变形后热模态试验振动激励；(4)使用热电偶温度传感器对薄壁结构表面的温度信号进行实时监测控制及测量，并使用红外热像仪对薄壁结构全场温度变化情况进行实时测量；此外，使用激光测振仪或DIC高速相机设备对高温环境薄壁结构的振动响应信号，以便获得薄壁结构从室温至高温环境(包括热屈曲前和热屈曲后)下的振动特性参数的变化规律。

本申请主要面向由铝合金、钛合金、高温合金和复合材料等航空航天用先进材料制备的薄壁结构，为热-振联合环境下薄壁结构热屈曲大变形后热模态试验连续振动激励和约束边界模拟提供技术手段。

实施例：

如图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示，本申请包括薄壁结构试验件、移动式激励模块、测量模块、夹持模块、热环境模拟模块、热防护模块。

以热振动测试试验件TC4(Ti-6Al-4V)钛合金薄壁结构为例进行说明本申请的具体实施方式。

钛合金薄壁结构试验件1通过锁紧耐高温钢螺栓15、金属橡胶弹簧垫片16、成对的约束边界垫块13和约束边界压块14固定在L型固定支座12上，金属橡胶弹簧垫片16在高温环境下仍有良好的弹性、密封和隔热减振的效果，可在宽温域环境(-80℃～1000℃)下保持良好的力学性能，保证边界约束下的强度和刚度，边界夹持宽度为30mm，在成对的约束边界垫块13和约束边界压块14中心圆点间隔30mm位置处密排布置固定点，使用尺寸规格为M18螺栓进行密排约束，考虑到金属橡胶弹簧垫片16在制备过程及实际工作状态，金属橡胶弹簧垫片16内圈通孔直径比螺栓的直径宽1～2mm，最大程度减少约束边界缝隙之间的热应力释放，形成单边固支、双边固支、三边固支、四边固支等四种不同边界约束形式；此外，通过耐高温柔性金属绳21、滑轮20、带刻度调节拉杆19、滑动滑块18、移动式龙门架17和万向转向轮22搭建了钛合金薄壁结构试验件1的自由边界模拟形式，滑动滑块18可水平调整悬挂位置，通过带刻度调节拉杆19和万向转向轮22搭配使用可准确灵活地调整钛合金薄壁结构试验件1在空间内任意位置，便于激振器25上的耐高温陶瓷刚性导引杆23进行连续振动激励。

距离钛合金薄壁结构试验件1的一侧表面约20-60mm处布置一排石英灯辐射加热阵列33，给钛合金薄壁结构试验件1的表面进行加热，模拟在高马赫数飞行时薄壁结构所处的单面气动热环境全场均匀加热、非均匀加热和瞬态加热。通过可控硅电源35和温度测控系统34经过PID模糊控制对在钛合金薄壁结构试验件1表面粘贴的可测1200℃高温的K型热电偶温度传感器8进行表面温度测量和监控，另一侧使用可测高达1500℃的高德智感D系列红外热像仪5对钛合金薄壁结构试验件1进行全场温度实时测量。为防止试验温度环境高达上千摄氏度而对外部环境产生干扰，试验时在石英灯辐射加热阵列33的外侧安装有厚度为40-60mm能耐1600℃高温的高温陶瓷隔热板32进行防热扩散屏蔽，并在石英灯辐射加热阵列33的左、右及上侧安装有耐高温透明石英玻璃31进行二次热屏蔽，耐高温透明石英玻璃31便于观察试验现象的同时有效避免高温过程中偶然问题直接对外界产生破坏，保障试验人员安全。

在高温环境下对薄壁结构进行热振耦合试验时，石英灯辐射加热阵列33以预设加热速率对钛合金薄壁结构试验件1进行温度场模拟，同时使用激振器25通过耐高温陶瓷刚性导引杆23使钛合金薄壁结构试验件1产生连续脉冲激励，形成热-振耦合试验环境。涂有耐高温反射涂层30以进一步防止高温环境对耐高温陶瓷刚性导引杆23热量传递至激振器25上。此处需要特别说明的是，耐高温陶瓷刚性导引杆23是不与钛合金薄壁结构试验件1直接通过螺栓刚性连接，而是采用连续脉冲激励的方式在结构表面进行点激励，类似于常温环境下人为使用力锤对结构进行单点激励，进一步减弱高温环境传导至力传感器24和激振器25，加热试验之前在力传感器24和激振器25四周包覆有耐高温陶瓷隔热毡进行热防护屏蔽。由于边界约束如两边固支约束钛合金薄壁结构试验件1在高温环境下发生热屈曲大变形，原先设置的信号发生器10上的幅值范围及功率放大器11放大倍数无法对钛合金薄壁结构试验件1进行振动激励，发现在热屈曲大变形下通过调大信号发生器10上的幅值范围及功率放大器11放大倍数仍无法对钛合金薄壁结构试验件1进行激励，使用三轴精密滑动平台和带刻度升降装置26可有效调整激振器25的位置，一方面使用带刻度升降装置26调整激振器25的高度，另一方面通过耐高温透明石英玻璃31观察钛合金薄壁结构试验件1热屈曲大变形的弯扭程度，联合调整三轴精密滑动平台横向导轨28和三轴精密滑动平台纵向导轨29，使激振器25上的耐高温陶瓷刚性导引杆23与钛合金薄壁结构试验件1表面距离位置在可激励范围，进而实现在钛合金薄壁结构试验件1热屈曲大变形后进行连续振动激励。为避免高温环境对三轴精密滑动平台的影响，在三轴精密滑动平台四周包覆有耐高温陶瓷隔热毡进行热防护屏蔽。在热屈曲大变形前后使用高速相机6或激光测振仪7对钛合金薄壁结构试验件1进行振动响应信号测量，同时测量力传感器24上的输入激励信号，进而通过振动分析系统对振动信号进行数据处理，获得在热振耦合试验环境下热屈曲大变形前后钛合金薄壁结构试验件1高温模态试验参数，为研制飞行器在极端热环境下的边界约束模拟及热屈曲大变形后的高温振动模态试验提供试验测量手段，本申请的薄壁结构热屈曲大变形后热模态试验连续激励系统及方法具有极为重要的军事工程应用价值。

需要注意的是，具体实施方式仅仅是对本申请技术方案的解释和说明，不能以此限定权利保护范围。凡根据本申请权利要求书和说明书所做的仅仅是局部改变的，仍应落入本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.高温环境下薄壁结构屈曲大变形后热模态试验方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：模拟薄壁结构边界环境；

步骤二：对薄壁结构试验件(1)进行加热；

步骤三：对薄壁结构试验件(1)进行振动激励；

步骤四：获得薄壁结构试验件(1)在40℃～1000℃温度场环境下的模态特性参数及热屈曲大变形后的振动信号。

2.根据权利要求1所述的高温环境下薄壁结构屈曲大变形后热模态试验方法，其特征在于所述薄壁结构边界环境包括自由边界环境、单边固支边界环境、双边固支边界环境、三边固支边界环境和四边固支边界环境。

3.根据权利要求2所述的高温环境下薄壁结构屈曲大变形后热模态试验方法，其特征在于所述薄壁结构边界环境中自由边界环境模拟通过夹具模块进行，所述夹具模块包括耐高温柔性金属绳(21)、带刻度调节拉杆(19)和移动式龙门架(17)；

所述带刻度调节拉杆(19)通过滑动滑块(18)设置在移动式龙门架(17)上，所述带刻度调节拉杆(19)上设有滑轮(20)，所述薄壁结构试验件(1)通过耐高温柔性金属绳(21)与滑轮(20)连接，所述耐高温柔性金属绳(21)能在滑轮(20)上滑动；

所述移动式龙门架(17)底端设有万向转向轮(22)。

4.根据权利要求2所述的高温环境下薄壁结构屈曲大变形后热模态试验方法，其特征在于所述薄壁结构边界环境中单边固支边界环境、双边固支边界环境、三边固支边界环境和四边固支边界环境模拟通过夹具模块进行，所述夹具模块包括L形固定支座(12)；

所述薄壁结构试验件(1)的两面由内向外依次设有约束边界压块(14)和金属橡胶弹簧垫片(16)，所述锁紧耐高温钢螺栓(15)穿过薄壁结构试验件(1)两面的约束边界压块(14)和金属橡胶弹簧垫片(16)，将薄壁结构试验件(1)固定在L形固定支座(12)上。

5.根据权利要求3或4所述的高温环境下薄壁结构屈曲大变形后热模态试验方法，其特征在于所述加热包括全场均匀加热、非均匀加热和瞬态加热。

6.根据权利要求5所述的高温环境下薄壁结构屈曲大变形后热模态试验方法，其特征在于所述步骤二中对薄壁结构进行加热通过热环境模拟模块(3)进行，所述热环境模拟模块(3)包括耐高温透明石英玻璃(31)、高温陶瓷隔热板(32)和石英灯辐射加热阵列(33)；

所述耐高温透明石英玻璃(31)为U形，耐高温透明石英玻璃(31)中间设有高温陶瓷隔热板(32)和石英灯辐射加热阵列(33)。

7.根据权利要求6所述的高温环境下薄壁结构屈曲大变形后热模态试验方法，其特征在于所述步骤二中对薄壁结构进行加热通过热环境模拟模块(3)进行，具体步骤为：

距离薄壁结构试验件(1)的一侧表面20-60mm处布置石英灯辐射加热阵列(33)，利用石英灯辐射加热阵列(33)给钛合金薄壁结构试验件(1)的表面进行加热，之后通过可控硅电源(35)和温度测控系统(34)经过PID模糊控制对在钛合金薄壁结构试验件(1)表面粘贴的热电偶温度传感器(8)进行表面温度测量和监控，薄壁结构试验件(1)的另一侧使用红外热像仪(5)对薄壁结构试验件(1)进行全场温度实时测量，在石英灯辐射加热阵列(33)的外侧安装有厚度为40-60mm的高温陶瓷隔热板(32)进行防热扩散屏蔽，并在石英灯辐射加热阵列(33)的左、右及上侧安装有耐高温透明石英玻璃(31)进行二次热屏蔽。

8.根据权利要求7所述的高温环境下薄壁结构屈曲大变形后热模态试验方法，其特征在于所述步骤三中对薄壁结构试验件(1)进行振动激励通过移动式激励模块(4)进行，所述移动式激励模块(4)包括三轴精密滑动平台纵向导轨(29)、三轴精密滑动平台横向导轨(28)、带刻度升降装置(26)和激振器(25)；

所述三轴精密滑动平台横向导轨(28)设置在三轴精密滑动平台纵向导轨(29)上，所述带刻度升降装置(26)通过转接装置(27)设置在三轴精密滑动平台横向导轨(28)上，所述激振器(25)设置在带刻度升降装置(26)上，所述激振器(25)与刻度升降装置(26)通过金属橡胶弹簧垫片(16)螺栓连接，所述激振器(25)上设有力传感器(24)，所述力传感器(24)上设有耐高温陶瓷刚性导引杆(23)，所述耐高温陶瓷刚性导引杆(23)表面设有耐高温反射涂层(30)；

所述三轴精密滑动平台纵向导轨(29)、三轴精密滑动平台横向导轨(28)、激振器(25)、力传感器(24)和带刻度升降装置(26)四周包覆有耐高温陶瓷隔热毡。

9.根据权利要求8所述的高温环境下薄壁结构屈曲大变形后热模态试验方法，其特征在于所述步骤三中对薄壁结构试验件进行振动激励的具体步骤为：

首先将石英灯辐射加热阵列(33)以预设加热速率对薄壁结构试验件(1)进行温度场模拟，同时使用激振器(25)并通过耐高温陶瓷刚性导引杆(23)使薄壁结构试验件(1)产生连续脉冲激励，形成热-振耦合试验环境，当薄壁结构试验件(1)在热环境下发生热屈曲大变形时，使用带刻度升降装置(26)调整激振器(25)的高度，之后通过耐高温透明石英玻璃(31)观察薄壁结构试验件(1)热屈曲大变形的弯扭程度调整三轴精密滑动平台横向导轨(28)和三轴精密滑动平台纵向导轨(29)，使激振器(25)上的耐高温陶瓷刚性导引杆(23)与薄壁结构试验件(1)表面距离位置在可激励范围，进而实现薄壁结构试验件(1)热屈曲大变形后进行连续振动激励。

10.高温环境下薄壁结构屈曲大变形后热模态试验系统，其特征在于包括：移动式激励模块、测量模块、夹具模块、热环境模拟模块以及热防护模块；

所述夹具模块用于模拟薄壁结构边界环境；

所述热环境模拟模块用于对薄壁结构进行加热；

所述移动式激励模块用于实现薄壁结构热屈曲大变形后热模态试验振动激励；

所述测量模块用于对薄壁结构表面的温度和振动响应信号进行测量；

所述热防护模块使用热屏蔽措施对移动式激励模块、热环境模拟模块、夹具模块、测量模块中受热区域或热传递区域进行直接或间接降温隔热处理。

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