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分析复杂力学条件下的振动环境试验技术

作者: 发布时间:2019-11-14 11:40:25 阅读: 116 次

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分析复杂力学条件下的振动环境试验技术

 

摘要:对于飞行器、车辆、船舶等运输工具来说,需要面对多种复杂环境的考验,如烟雾、噪声、湿度、冲击等等。在多种载荷联合的背景下,飞机结构振动试验技术研究频率增加,成为对飞机结构的耐振性能进行评价的主要方式。基于此,本文将针对振动实验设计总体计划,根据样品承受的力与平衡法,对外载荷进行控制,并且探讨在复杂力学条件下,构件振动环境中的实验技术。

关键词:复杂力学;振动环境;载荷模拟

 

引言:振动环境由于具有持久性、特殊性等特征,加之振动发生时周围环境比较复杂,因此成为对运载工具结构、设备的耐振度进行检验的重要方式。从相关数据调查中能够看出,在环境应力导致破坏的情况中,有27%是由于振动问题引发,其中航空涡轮发动机故障中有将近一半的几率与振动有关,因此,在复杂力学条件下对振动环境进行模拟试验研究显得十分必要。

1. 多种载荷联合环境的模拟

对于飞机板状构件来说,需要在同一时间面对振动载荷与气动载荷的双重作用,其中振动载荷是构件与机体相连点所传递,而气动载荷则是直接分布在机体的表面。在试验过程中,借助振动台激励作用,使用夹具与试验部件构建一个完整的系统,分别采用橡皮绳、胶布带、加载板等对载荷内容进行模拟,并且在受试系统中通过内力与外力的形式进行展现。

1.1振动环境模拟

现阶段,对振动环境进行模拟主要采用振动控制仪发出特定信号,将信号传递到功率放大器当中,使驱动振动台发生振动,包括垂直制动、水平振动等,并对振动数据进行采集,将其传输到振动控制仪中,以此来实现对现实振动环境的模拟。另外,在垂直振动试验中,采用夹具对刚度进行控制,以此来保证振动的传递,可以将其应用到对称性较好的结构当中。对于大型部件来说,垂直振动由于对称性较差,必须借助具有较大尺度与刚度的加剧来提升平衡力,因此振动载荷较大,在试验中不易控制。本文将采用台面较大的水平垂直振动方式,通过正确设计夹具的方式,将其固定到平面中,实现对振动环境的模拟。

1.2力学条件模拟

对飞机结构气动载荷进行试验模拟中,通常采用静载方式呈现,按照气动载荷的的分布特征,可以将其划分为均布静载、单点静载等等,按照作用于系统内外分的系统内力与外力。在振动环境试验过程中,力学条件模拟将被附加在荷载试件当中,并且在振动环境下,特别是在试验样品中移量较小,并且能够施加的作用力基本不会发生较大改变,载荷误差方面应与试验要求充分符合。

静载系统中包括试件、夹具与加载系统几个部分,夹具在振动台系统中很容易与加载平衡需求相符合,但是静力系统此时也必将会使夹具系统的重量增加,这将使试件的推力减少,由此可见,此种方式更适用于小型构件。当静载属于系统外力时,由于受振动台系统的制约作用变小,夹具的设计较为轻盈,因此在无形中增加了试验难度,此时静载力施加到夹具系统当中后,势必会通过系统传输到台面中,对台面的正常工作产生干扰,因此应将反向平衡载荷引入到试验当中,借此力量减少静载荷对台面产生的干扰[1]

2. 振动环境动态信号的试验

在振动环境模拟实验的过程中,利用加速度传感器对数据进行采集,并且由控制仪加以辅助,同时为了更加全面的掌握飞机构件在振动环境下产生的动态响应情况,可以采用WBK516A数据采集器以及DASYlab构建虚拟测试器等方式对信息进行处理和研究。在上述两种软件的基础上,构成应变与分析系统,利用硬件实现应变信号采集,以此来提高信号的准确度,充分发挥DASYlab软件的力量,借助虚拟信号记录与分析设备,确保仪器在实验中的可操作性,使实验模拟与真实环境更加接近。

(1)动应变。将应变测点设置在结构设计中的关键位置,包括试件与机体之间相连接的部分,如试件、耳片与其他结构等薄弱位置,在这些位置上粘贴上一些应变化,采用动态数据采集系统对模块进行采集。

(2)加速度。应严格按照国军标中的内容与传感器进行布置与使用,并且利用振动控制仪器对实验构件状态进行检测,同时对系统采用闭环控制。按照测试目标与要求对加速度传感器进行测量,包括集中区域的结构应力、危险区域的位置等,采用WBK516能够对各个模块的加速度信息进行收集,并且将数据信息传输到DASYLab当中进行分析和研究;

(3)数据处理。本文所研究的测试系统主要构成要素为DASYLab与Wave Book/516A构成,并且在517A中采用的采集器、Wave View校准软件、WBK16应变模块、数据采集与分析软件等[2]

3. 复杂力学条件下的振动环境试验

    本次实验主要以板状构件作为研究对象,实验中所使用的夹具能够保障平面的振动完全传递到构件当中,并且构件与夹具相连的位置也将与机体相互连接,在连接的形式与刚度上做到科学恰当。同时,还应充分满足平台在推力方面的要求,采用整体钢结构的方式,对夹具进行设计和加工,其中包括试件与机体相互连接的构件、多种力学条件下的振动等,均需要在相对应的夹具中完成,只有对夹具进行科学有效的设计,才能够保障复杂力学条件下,振动环境实验结果的有效性与可信度。

3.1多点分布静载下的振动试验

在本文研究中,对某种类型飞机的构件故障进行了振动模拟,利用力平衡方案进行,该试验重点在于不但采用橡皮绳对分布静载进行再现,还能够利用其对构件的航向力与受力情况进行模拟,通过力传感器对反向平衡载荷的大小进行传输,以此来展现出多方向施加静载的效果。在本次试验中,利用多点平均控制的方式进行,从试验结果中能够看出,模拟多点气动静载条件下,对振动环境进行模拟,能够使飞机构件的测试需求充分满足,且振动控制十分平衡,测试结果具有较强的有效性。

3.2均布静载下的振动试验

在本次试验中使用GJB150.86—16中的规定内容,对均布静载条件下的宽带振动进行试验,并且采用加速传感器对多样化振动组合进行测试,使用水平台对部件所处的振动环境进行模拟,并使用气囊加载方式对气动载荷进行模拟,将控制点定位在夹具与试件之间,所选四个连接点,通过WBK516A高速动态数据系统对数据发生的改变与连接点位置的变动进行记录。在本次试验当中,共计实施了五种振动工况、三种静载工况,并且对不同组合在加速度方面与应变方面的测试进行分析。从试验结果中能够看出,控制谱曲线的波动不为明显,能够与振动载荷功率密度容差相符合,范围为±3dB,同时静载试验的结果精度十分可观,能够超过10%的精度要求,因此试验结果中的应变与加速度部分具有较强的合理性,能够充分符合对飞机构件进行振动模拟的相关要求[3]

3.3静载内力的振动模拟

    对于本文所研究的这种结构部件来说,当其在外场使用的过程中,很很容易会出现梁断裂、裂皮等问题,对此使用打孔加型材的方式对内部构件进行改进。为了检验改进后的构件与以往构件之间,在抗振动性能上的提高水平,将静载作为内力,对振动环境进行模拟,并且根据记录的数据建立振动试验谱,与以往构件在抗振动性能方面进行对比分析,在相同的安装与激励方式背景下,改造后的构件能够抗击以往构件无法承受的破坏力,在使用寿命上是改造前构件的4.8倍。

结论:综上所述,飞机结构所承受到的力学载荷较为复杂,可以通过单点静载、均不静载等方式来实现,在台面中通过垂直振动与水平振动的方式,使系统能够在静载效应下对构件进行反复多次试验,并且将其应用到新型飞机的研制工作当中,在实验中完成了机体内部载荷平衡操作。同时,在实验过程中能够利用橡皮绳、橡皮气囊等当变形较小的情况下,使载荷能够保持稳定状态,并且将多种静载方式联合起来,完成振动环境实验,为新型飞机的研制提供强有力的技术支持。

参考文献:

[1] 苏里. 利用仿真技术对振动环境试验条件以及航天器展开部件地面动力学试验的修正[D]. 复旦大学, 2015.

[2] 徐冠华. 动力学综合环境试验若干理论及技术问题的研究[D]. 浙江大学, 2014.

[3] 裘德民, 施兵, 毕重强. 力学环境试验中有关失控现象的分析[J]. 电子产品可靠性与环境试验, 2015, 26(5):45-47.