综合载荷环境下高超声速飞行器结构多场联合强度试验技术

针对当前高超声速飞行器结构综合环境强度验证技术的迫切需求,开展考虑气动力、高温、噪声及机械振动等载荷的多场联合强度试验设计,提出了多系统集成方法,给出了多载荷联合加载解耦方法与控制策略,基于行波管建立了多场联合试验平台,对平台关键环境影响因素进行了分析,给出了具体的解决途径,最后基于该试验平台完成了某舵面构件的气动力/高温/噪声/振动多场联合试验,得到了联合载荷作用下结构应变、加速度及位移等响应的时域与频域变化特征,试验表明,多场联合环境下结构的响应水平较高,结构更容易发生破坏,通过该试验验证了多场联合试验技术的可行性及有效性,可为复杂载荷环境下高超声速飞行器结构的地面强度试验验证提供有力的技术支撑。     

1 500℃极端高温环境下高超声速飞行器轻质隔热材料热/振联合试验

远程高超声速飞行器处于极为恶劣的气动加热与振动耦合环境中,长时间的高温与振动载荷相互叠加会导致飞行器热防护材料出现裂纹、错位、剥离或脱落,甚至会引发致命的安全事故。因此热防护材料在极端高温环境下的地面热/振联合试验测试,对于高超声速飞行器的安全可靠性设计极为重要。建立高温与振动复合试验环境,设法解决轻质多孔隔热材料在强振动下,表面温度难于准确测量与控制的难题,制作水冷式隔热装置保护价格昂贵的振动激励设备等,实现了1 500℃高温环境下高超声速飞行器轻质隔热材料的热/振联合试验。得到非金属隔热材料陶瓷纤维板内部的断裂形貌及裂纹断面特征。根据试验前、后材料的表观及微观变化以及内部结合剂的变化等试验结果,对材料进行改进。经过试验测试后,达到了使用要求。本文建立的1 500℃极端高温环境下的热/振联合试验系统及试验结果为远程高超声速飞行器热防护材料的抗振动能力评估、隔热效果确定以及材料性能的改进提供了重要支撑。     

热声联合作用下金属薄壁结构动态响应分析

未来飞行器在服役过程中会遇到气动热、力、振动、噪声等多种载荷联合作用的严酷环境,其结构设计、分析与试验验证面临巨大的技术挑战.针对受热结构在随机噪声载荷作用下的动态响应问题,采用基于顺序耦合策略的谱分析法分析热声耦合动态响应.通过对典型结构的仿真分析,给出了响应均方根应变和功率谱密度响应等计算结果,并与试验结果从数值和形态上进行了比较.结果表明,结构受热后各阶局部模态频率降低明显,功率谱密度响应曲线峰值对应的频率发生明显的前移,随机噪声载荷引起的响应均方根应变很小,并且仅能激起结构的局部模态,分析与试验结果在趋势与数值上均吻合较好,具有较好的工程实用性.     

1200℃高温环境下板结构热模态试验研究与数值模拟

高超声速飞行器高马赫数飞行时,翼、舵及垂尾等板形姿态控制结构将会面临极为严酷的高温环境,为了获得难于实测的结构在高温与振动复合环境下的热模态参数,本文将瞬态气动热试验模拟系统与振动试验系统相结合,建立了高温热/振联合试验测试系统,实现了高达1200℃热环境下矩形板结构的模态频率等关键振动参数的试验测试。同时,对矩形板结构的热模态特性进行了数值计算,并将试验结果与计算结果进行对比验证。试验中通过自行研制的耐高温陶瓷导杆引伸装置将结构上的振动信号传递至高温热场之外,使用常温加速度传感器对振动信号进行参数识别;并运用时-频联合分析技术对试验数据进行分析处理。本文所获得的高温环境(200~1100℃)下矩形板结构的模态频率的试验结果与数值计算结果取得了比较好的一致性,验证了本试验方法的可信性及可用性。本研究结果为高超声速飞行器翼舵结构在高温环境下的振动特性分析以及安全可靠性设计提供了重要的试验手段和参考依据。     

风扇轴高/低周复合疲劳试验方法研究及设计

为了实现风扇轴在轴向力、主扭矩、振动扭矩和旋转弯矩载荷联合作用下，真实模拟试验件边界环境，且不引入额外载荷的要求下进行高/低周复合疲劳（HCF/LCF）试验.采用机械设计技术、液压技术、计算机技术和数据采集技术，提出了轴向力、主扭矩、振动扭矩和旋转弯矩载荷的加载方法，建立了4种载荷的控制系统和标定系统，并设计了大涵道比涡扇发动机风扇轴试验器.试验器利用计算机测控系统，通过信号提取、电液伺服阀和机械系统可同时实现轴向力、主扭矩、振动扭矩和旋转弯矩载荷的协调加载.结果表明:试验器高周载荷加载频率可达到9Hz，低周疲劳载荷加载精度优于±0.12%，振动扭矩载荷加载精度优于±2%，92.75%的旋转弯矩加载数据精度优于±5%，旋转弯矩误差范围为±9%.试验器具有良好的重复性和线性度.      

PEEK卡箍载荷及耐环境性能研究

为支撑型号设计选用,针对P型和马鞍型两种结构的聚醚醚酮卡箍进行了拉伸载荷试验和多种环境试验,分析了振动与冲击、温度老化、液体浸渍、湿度、盐雾等环境试验条件对产品性能的影响,试验得到了卡箍最易失效的受力方向以及不同安装方式、不同温度条件下的拉伸载荷数据。研究表明:PEEK卡箍在试验环境温度下拉伸性能比较稳定;在湿热环境下易出现开胶现象;在振动与冲击、温度老化等环境载荷下能保证结构完整和性能稳定,可以在一定条件下代替金属箍带卡箍。     

热振环境下钛合金薄壁结构疲劳寿命

由于钛合金薄壁结构长时间在飞行热振环境下结构内部产生不断变化的应力,可能引起结构疲劳失效,因此借助振动试验台搭建了高温振动疲劳测试系统,测定了20、150℃和300℃温度条件下钛合金悬臂薄板结构的随机振动S-N疲劳曲线,并建立了上述温度条件下钛合金悬臂薄板结构的疲劳寿命预测表达式,根据其计算得到的预测寿命与试验件的实际寿命相比误差较小,300℃、45.36 MPa应力水平下误差仅为3.76%。该方法可用于高温随机振动载荷作用下结构的疲劳性能和寿命预测研究。     

航空发动机外部附件振动试验载荷谱编制

编制准确有效的航空发动机附件系统振动试验载荷谱是提高振动环境试验有效性,从而提高附件可靠性的关键手段。 针对行业中采用的振动环境试验载荷谱不能准确考虑实际发动机外部振动环境特征,严重影响振动环境试验有效性的现状,基于 涡扇发动机外部振动环境实测数据,采用离散频谱校正技术和工程截取法将简谐与随机2类振动信号进行分离,并充分考虑振动 环境的非确定性和多工况影响,统计归纳获得2类振动信号的上限值,划分频段并简化实测谱,编制适用于共振驻留试验的简谐 振动试验载荷谱和随机振动试验的随机振动试验载荷谱。结果表明：采用离散频谱校正技术对简谐振动信息具有良好的识别精 度,在强噪声影响下幅值识别误差仍控制在5%以内;采用工程截取法提取随机振动组分具有较高的效率;频谱分频段简化编制载 荷谱的方法既能保留振动能量的频域分布特征,又具有良好的工程应用便捷性。基于实测振动数据所编制的载荷谱能够为航空 发动机外部附件的振动环境试验提供关键输入。     

舰载机全机落震试验方法

舰载机全机落震试验是在实验室环境下测试舰载机着舰时结构动态载荷、动态响应以及机载设备冲击环境下功能可靠性的重要试验手段。本文提出了舰载机全机落震试验的试验方法,并对试验过程中机翼升力模拟、试验件下沉速度控制、试验件航向速度模拟及机体动态载荷测试等试验过程中的关键技术问题提出了解决方案,并通过试验对技术方案进行了验证。最后通过全机落震试验系统验证了试验方法的可行性及有效性,为舰载机着舰动态载荷及响应的测试提供了可行的试验方法,并为舰载机研制提供可靠的试验数据。     

超声速低频大抖振气动弹性载荷试验

为研究超声速条件下结构在流场中所受振动特性和载荷特征,并且确定飞行器的结构安全,需进行相应模型的载荷试验.但是由于风洞尺寸和相似比等因素的限制,在弹性模型设计、激励、标定、测量等各个方面存在较大困难.论文介绍了该试验弹性模型载荷试验过程中涉及的火星进入舱模型动载荷试验技术、小尺度结构载荷测量技术、结构体内部传动激振技术...     

飞机结构件振动环境试验技术初探

阐述了试验载荷谱、激励方式、夹具设计技术、振动控制等四个关键技术。介绍了飞机结构件振动环境与其它载荷及环境的综合试验，同时对振动环境试验的发展趋势作一探讨。     

机载吊舱结构动力学研究

机载吊舱使用环境复杂,常因受到各种动载荷作用而破坏,所以对机载吊舱的结构动力学研究非常必要。本文介绍了某机载吊舱的基本结构,通过结构动力学特性分析和振动冲击试验验证了该吊舱在振动冲击环境下结构强度和机械性能可以满足使用要求,为以后机载吊舱结构设计提供参考。     

航空发动机成品振动环境分析与试验载荷谱确定

通过对航空发动机成品的振动环境进行试验测试获得其振动环境特征。并在此基础上,依据发动机寿命剖面和任务剖面,采用加权系数法,建立用于成品振动环境试验的载荷谱。     

结构振动疲劳的工程分析方法

介绍了结构振动疲劳的概念；引入了结构在周期振动载荷和随机振动载荷作用下的振动疲劳曲线；提出了振动疲劳的线性和式累积损伤关系式以及振动疲劳的破坏判据；从工程角度给出飞机结构在随机振动载荷作用下的寿命分析方法，即利用正弦共振S-N曲线进行随机分析的方法以及借用声疲劳分析技术计算随机振动疲劳的方法等。     

铝合金振动疲劳同步测量技术研究

随着振动试验技术的不断进步,振动疲劳试验拥有了良好的试验基础,能够进行各种环境下的振动疲劳模拟试验,但目前振动疲劳的测量方法还无法满足振动疲劳试验深入研究的需求。提出铝合金振动疲劳同步测量的方法,同时采用红外监测技术、声发射技术、显微测试技术、应变测试技术等对不同加速度下的铝合金振动疲劳试样进行测量,研究各种测量参数随损伤的变化情况。结果表明:铝合金振动疲劳不同阶段应主要考虑不同的测量参数作为判断损伤的依据,声发射信号可以很好检测到铝合金振动疲劳的裂纹萌生和扩展寿命,红外测得的温升值随着加速度增大是非线性的,铝合金振动疲劳寿命依赖于结构振动频率、阻尼等参数。     

内埋弹舱流动/振动/噪声多场载荷实验

针对内埋武器系统设计面临的多学科交叉问题，通过高速风洞实验，开展内埋弹舱流动/振动/噪声多场载荷实验研究，为内埋弹舱气动/结构一体化设计和作战环境评估提供支撑。基于相似原理，建立内埋弹舱流动/振动/噪声多场载荷实验技术，采用高时间分辨率多场载荷同步测试方法与时频数据处理方法，获取亚、跨、超声速条件下内埋弹舱多场载荷特征，分析多场载荷作用下内埋弹舱流动特性、共振条件和结构响应规律。结果显示，内埋弹舱非定常绕流促进了舱内复杂噪声环境的形成，噪声载荷与结构振动数据呈现强相关性。当舱内噪声模态频率与结构固有频率耦合时，内埋弹舱结构响应明显增强，在噪声载荷主频位置，结构振动谱出现峰值，此时噪声/振动数据相关性最大，且耦合频率范围的噪声谱能量提高显著。     

材料高频振动环境疲劳试验的设想

利用振动台产生振动环境以及刚性质量块产生具有固定频率的交变载荷并作用于疲劳试件上,以1000Hz左右交变载荷激励试件,完成R=-1条件下的材料高频振动环境疲劳试验,实现非共振响应下的材料拉-压疲劳性能试验技术,丰富和发展疲劳试验方法,以满足军民用机械工程的需求。     

碳／碳复合材料薄壁结构在热声载荷作用下的动态响应

高速飞行器中大量使用复合材料薄壁结构,高温和强噪声联合作用的工作环境使复合材料薄壁结构表现出强非线性振动响应特性和复杂的运动形式。以四边固支碳／碳（C／C）复合材料薄壁结构为研究对象,采用有限元法计算了其在不同温度和声压级（SPL）组合下的振动响应。得到了典型的振动响应运动形式,包括屈曲前的随机振动、屈曲后的跳变运动和围绕一个平衡位置的随机振动。结合振动响应的概率密度、功率谱密度,随着温度和声压级的变化,对振动响应的非线性特性进行了分析。结果表明,热载荷和声载荷对响应非线性特性的影响方式不同,强噪声载荷引起的问歇跳变降低了结构的刚度。     

航空发动机整机振动控制技术分析

针对高性能航空发动机结构复杂性和高温高转速工况下动力学稳定性问题,提出了航空发动机转子动力学特性设计分析是振动控制技术的牵引,装配工艺控制技术是关键,振动试验测试技术是依赖手段的整机振动控制技术思路。总结了发动机结构动力学计算分析技术、结构装配工艺优化技术、整机振动测试技术以及多年在发动机试验和试车中遇到的振动故障特征分析经验,分析了目前发动机整机振动控制技术存在的问题,提出了未来工作发展的思路     

航空发动机转速传感器振动试验载荷确定及应用

航空发动机成品振动试验多数参考振动环境试验相关标准执行,没有真正意义上结合成品的振动特性与发动机实测振动环境确定振动试验载荷,导致成品内场试验潜在问题没有暴露出来,外场交付使用问题频发,严重影响发动机可靠性水平.以某型发动机转速传感器为研究对象,详细地阐述了转速传感器振动环境载荷确定的工作流程和方法,提出了基于疲劳次数的正弦振动试验方法并完成了产品的试验验证,发现了壳体裂纹、输出断路等故障,将改进后的产品进行回归验证,故障未再发生.基于实测数据制定的正弦振动试验方法,对转速传感器的结构完整性进行了验证,可为确定传感器类成品试验载荷和验证产品的可靠性水平提供新的方法.