熱-聲-振耦合效應(yīng)對薄壁葉片結(jié)構(gòu)應(yīng)變影響的試驗研究

姚澤民，黃首清，劉大志，楊 江，劉守文

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

在航空航天領(lǐng)域，振動和熱變形造成的結(jié)構(gòu)件損傷受到廣泛關(guān)注和深入研究，但是高強(qiáng)噪聲在薄壁結(jié)構(gòu)件上作用造成的動力學(xué)響應(yīng)乃至損傷卻常常被忽略。以航天發(fā)動機(jī)葉片為例，隨著轉(zhuǎn)速和推重比的不斷提高，高強(qiáng)離心載荷和氣動載荷在導(dǎo)致振動載荷的同時也會造成高強(qiáng)噪聲環(huán)境，同時葉片工作時也常常處于高溫狀態(tài)，這種以高強(qiáng)噪聲為特點的熱-聲-振耦合環(huán)境可能導(dǎo)致葉片的損傷乃至失效[1-3]。在航天領(lǐng)域，太陽電池陣、天線、導(dǎo)彈等也都會經(jīng)受不同程度的嚴(yán)苛的聲振耦合乃至熱-聲-振耦合環(huán)境[4-6]。因此，開展熱-聲-振耦合試驗及其效應(yīng)研究很有必要。美國針對導(dǎo)彈、飛機(jī)等產(chǎn)品制定了相關(guān)的熱-聲-振試驗方法[7]。在熱-聲-振耦合機(jī)理研究領(lǐng)域，相關(guān)研究主要集中于對聲振耦合現(xiàn)象及考慮燃燒的熱-聲-振耦合的研究。韓佳等[8]在某型軸流式壓氣機(jī)高壓一級轉(zhuǎn)子的試驗中證實了葉片振動和噪聲之間的關(guān)系—噪聲信號特征頻率與葉片異步振動同時出現(xiàn)，并認(rèn)為其主要的影響因素有壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速、壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)狀態(tài)等參數(shù)。耿志遠(yuǎn)[9]研究了軸流式壓氣機(jī)葉片的聲振耦合理論，并對試驗臺進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，試驗研究了射流的形成和特性，試驗中葉片用平板模擬。Pozarlik 等[10]利用ANSYS-CFX 軟件研究了燃燒不穩(wěn)定條件下的流-固-熱耦合作用，對燃燒室結(jié)構(gòu)振動模態(tài)和聲場模態(tài)以及結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)和聲壓響應(yīng)進(jìn)行了模擬和試驗分析。沙云東等[11-12]基于聲振耦合理論，采用耦合的有限元/邊界元法分析了四邊固支高溫合金矩形薄壁結(jié)構(gòu)的熱屈曲和跳變響應(yīng)特性。楊焱等[13]針對航空航天飛行器中的監(jiān)控單元，建立了考慮熱膨脹效應(yīng)和熱軟化效應(yīng)的熱-結(jié)構(gòu)動力學(xué)控制及有限元模型，并進(jìn)行了聲振耦合數(shù)值分析。Zuchowski等[14]以航天某飛行器壁為例，指出高超聲速飛行器壁在研究設(shè)計階段必須考慮高溫對結(jié)構(gòu)的聲振響應(yīng)及疲勞壽命的影響。Blevins等[15]基于有限元方法分析了某跨大氣層高超聲速飛行器關(guān)鍵壁板的熱疲勞壽命大幅下降原因等。

綜上所述，目前針對熱-聲-振耦合，尤其是非燃燒環(huán)境的熱-聲-振耦合的模擬和試驗研究很少，特別是缺少基于相關(guān)試驗數(shù)據(jù)的熱-聲-振耦合效應(yīng)研究。葉片（如發(fā)動機(jī)、壓氣機(jī)葉片）作為典型的薄壁結(jié)構(gòu)，其工作環(huán)境極為惡劣，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中除了要承受離心載荷、氣動載荷之外還要承受高溫、強(qiáng)噪聲和振動等多種載荷，容易產(chǎn)生疲勞破壞。本文設(shè)計了熱-聲-振耦合試驗裝置和測控系統(tǒng)，針對發(fā)動機(jī)薄壁葉片結(jié)構(gòu)開展熱-聲-振耦合試驗研究，并對單應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)和多應(yīng)力耦合效應(yīng)進(jìn)行定量分析。

1 試驗裝置及測控系統(tǒng)

1.1 試驗裝置

試驗裝置依托溫-濕-振三綜合試驗設(shè)備，采用紅外燈+大功率揚(yáng)聲器+振動臺的試驗方案。由于發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)中溫度一般在150 ℃以上，而每個紅外燈的功率為500 W，故設(shè)計3盞紅外燈并聯(lián)組合成燈陣，利用SR23溫控儀自動控制溫度。利用工裝將葉片固定在振動臺上，葉片與工裝間用隔熱聚四氟乙烯材料隔開。大功率揚(yáng)聲器放置在振動臺邊框上，聲強(qiáng)計固定在燈陣的上方，試驗過程中關(guān)閉試驗箱大門。這種試驗方案既可以避免揚(yáng)聲器、聲強(qiáng)計不耐高溫的不足，還可以充分利用三綜合試驗箱形成簡易的密閉空間并控制噪聲范圍。熱-聲-振耦合試驗裝置布局如圖1，實物如圖2所示。

圖1 熱-聲-振耦合試驗裝置布局Fig.1 The configuration of thermal-acoustics-vibration coupling test facility

圖2 熱-聲-振耦合試驗裝置實物Fig.2 The photo of thermal-acoustics-vibration coupling device

1.2 試驗測控系統(tǒng)

在熱-聲-振耦合試驗過程中，通過控制施加的聲強(qiáng)的大小、葉片的實際溫度數(shù)據(jù)以及振動臺輸入的振動量級來獲得各種試驗工況下應(yīng)變儀中應(yīng)變片的變化情況，進(jìn)而分析熱環(huán)境、噪聲環(huán)境、振動環(huán)境及熱-聲-振耦合環(huán)境對葉片的效應(yīng)。發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片動頻實測在0～52 000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的一階諧振頻率為1069.1～1 759.7 Hz。因此，綜合考慮到振動臺的實際情況，在實際試驗中，將溫度控制在某個溫度臺階上，借由聲波控制器施加某個量級的聲壓，用振動臺施加250～2500 Hz的振動掃頻，觀測并分析應(yīng)變儀中應(yīng)變片的形變情況。

2 試驗對象及測點

考慮到葉片質(zhì)量和表面積小，設(shè)計用銅-康銅類熱電偶代替鉑電阻來測量葉片頂部和底部的溫度。鑒于力學(xué)傳感器形狀較大，難以用于測量可粘貼空間較小的葉片的響應(yīng)，在本次試驗中使用壓阻型應(yīng)變片來測量葉片的受力情況。每個葉片粘貼3個應(yīng)變片，通過觀察應(yīng)變儀中的微應(yīng)變，獲知產(chǎn)品的受力狀況。葉片安裝以及應(yīng)變片和溫度測點粘貼位置如圖3所示。

圖3 葉片、工裝以及應(yīng)變片和溫度測/控點粘貼位置示意Fig.3 The blade installed on the test fixture, and the measurement points

3 熱-聲-振耦合試驗分析

首先考察聲、振單一環(huán)境和熱+振動載荷下的應(yīng)變響應(yīng)，然后再考察熱-聲-振綜合載荷下的應(yīng)變響應(yīng)，對比分析熱-聲-振耦合效應(yīng)對葉片徑向應(yīng)變的影響規(guī)律。

3.1 聲激勵下的應(yīng)變響應(yīng)

發(fā)動機(jī)在工作時會發(fā)出高強(qiáng)度噪聲，而高聲強(qiáng)噪聲中所包含的高強(qiáng)聲波激振對發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)件的破壞威脅實為一種不可忽視的因素。當(dāng)其中所包含的高強(qiáng)聲波頻率與轉(zhuǎn)子葉片的某階固有頻率或其整數(shù)倍、分?jǐn)?shù)倍相同且聲強(qiáng)足夠大時，轉(zhuǎn)子葉片就會發(fā)生共振（主共振或次諧共振），還可能發(fā)生由聲波激起的氣體流場氣動特性和流場結(jié)構(gòu)變化而導(dǎo)致的顫振。因此，研究高聲波頻率對發(fā)動機(jī)葉片固有特性的影響非常必要。對葉片在常溫下進(jìn)行250～2500 Hz、3g量級的掃頻振動試驗，觀測其應(yīng)變響應(yīng)情況，應(yīng)變儀中顯示的觀測結(jié)果如圖4所示。在聲壓級為121 dB噪聲時，從圖中可以看出掃頻即可激勵出最高19.67 μE（μE是微應(yīng)變的單位符號，表示長度相對變化量）的微應(yīng)變；發(fā)動機(jī)葉片的一階諧振頻率在1074 Hz左右。

圖4 常溫下250～2500 Hz聲激勵掃頻典型應(yīng)變響應(yīng)Fig.4 Strain of the blade in 250～2500 Hz swept test under acoustic excitation at room temperature

3.2 振動激勵下的應(yīng)變響應(yīng)

利用振動臺作為激勵信號，對該發(fā)動機(jī)葉片進(jìn)行與高聲強(qiáng)激勵同樣量級的掃頻振動試驗，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯?g量級振動掃頻激勵出的微應(yīng)變?yōu)?9.10 μE，和利用高聲強(qiáng)激勵的效果相比，相差不到50%。這說明，利用高強(qiáng)噪聲作為振動激勵和振動臺激勵的效果基本相同，某些情況下，可以利用高強(qiáng)噪聲作為振動激勵信號代替振動臺進(jìn)行振動試驗。

圖5 常溫下250～2500 Hz振動掃頻典型應(yīng)變響應(yīng)Fig.5 Strain of the blade in 250～2500 Hz swept vibration test at ordinary temperature

3.3 熱+振動激勵下的應(yīng)變響應(yīng)

葉片工作時所處環(huán)境溫度較高，使葉片的機(jī)械性能發(fā)生變化，并在葉身產(chǎn)生熱應(yīng)力場；同時，葉片在工作時會受到自身離心力以及葉柵中氣體的凈壓力。這些載荷使葉片的振動頻率及模態(tài)與室溫靜態(tài)時存在一定的差異，從而給葉片的設(shè)計改型及強(qiáng)度分析帶來挑戰(zhàn)，需要充分考慮溫度載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力對葉片振動頻率及振型的影響。圖6顯示的是150 ℃下進(jìn)行振動掃頻的微應(yīng)變響應(yīng)情況。可以看出：溫度對葉片的一階諧振頻率及振型有一定的影響，但與常溫下的單純振動造成的應(yīng)變相比，影響不是很明顯。

圖6 150 ℃下的250～2500 Hz振動掃頻典型應(yīng)變響應(yīng)Fig.6 Strain of the blade in 250～2500 Hz swept test at 150 ℃

3.4 熱-聲-振耦合下的應(yīng)變響應(yīng)

從以上單個環(huán)境因素施加在發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片時的應(yīng)變響應(yīng)來看，熱應(yīng)力、高聲強(qiáng)、振動激勵等都是能夠造成發(fā)動機(jī)葉片振型發(fā)生變化的重要因素，熱應(yīng)力對葉片的形變量影響相對較小，聲波和振動對葉片的形變影響相對較大。在發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中，經(jīng)常同時存在著高溫、高聲強(qiáng)和振動的環(huán)境，為此，本文考察熱-聲-振耦合環(huán)境對發(fā)動機(jī)葉片的應(yīng)變響應(yīng)，結(jié)果如圖7和表1所示?？梢钥闯?，熱-聲-振耦合效應(yīng)較為明顯，然并非簡單疊加，而是明顯高于熱、聲、振單一應(yīng)力的效果但小于三者的簡單疊加：熱-聲-振耦合應(yīng)力（150 ℃，3g振動掃頻，1095 Hz & 129 dB聲定頻）下的應(yīng)變（18.53 μE）比純振動（低溫60 ℃，3g振動掃頻）下的應(yīng)變（11.93 μE）高出55%，比熱-振耦合應(yīng)力（高溫150 ℃，3g振動掃頻）下的應(yīng)變（16.15 μE）高出 15%。

圖7 熱-聲-振耦合效應(yīng)試驗結(jié)果對比Fig.7 Comparison among test results of seperate and coupled thermal-acoustics-vibration actions

表1 熱聲振耦合試驗結(jié)果數(shù)據(jù)Table 1 Data of thermal-acoustic-vibration test results

由于在試驗過程中，施加的聲壓量級不夠大，而且振動臺振動和聲波引起的振動相位不一定完全一致，造成熱-聲-振耦合試驗的效果有限，但可以反映出明顯的耦合效應(yīng)，在實際工程中會對葉片壽命產(chǎn)生明顯影響，應(yīng)當(dāng)予以考慮。究其原因是：處于發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的葉片在高聲強(qiáng)的激勵下產(chǎn)生振動，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)模態(tài)發(fā)生變化，而其周圍的可壓縮流體介質(zhì)因葉片振動的作用而產(chǎn)生壓縮或伸張運(yùn)動，引起介質(zhì)中聲波的傳播；與此同時，葉片結(jié)構(gòu)也同樣受到介質(zhì)中聲場的反作用力，這種反作用力作為聲載荷同樣會影響葉片的振動[16]；加之發(fā)動機(jī)艙內(nèi)又有高溫高壓的環(huán)境，高溫?zé)嵝?yīng)令結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生變化進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性發(fā)生改變，同時使材料性質(zhì)隨溫度發(fā)生變化，而且在快速的交變應(yīng)力作用下會加快引發(fā)裂紋的萌生、擴(kuò)展，最終導(dǎo)致壁板、蒙皮等結(jié)構(gòu)疲勞破壞[17]，進(jìn)而表現(xiàn)為葉片應(yīng)變量產(chǎn)生很大的峰值；另外噪聲載荷對諧振頻率有所影響，表現(xiàn)為諧振峰有所漂移（從1095 Hz漂移到1101 Hz）。

通過實際監(jiān)測，可以得到發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片在實際運(yùn)行過程中的一階諧振頻率為1069.1 Hz，與本次利用模擬試驗裝置測得的一階頻率相當(dāng)相近，證實了本文中設(shè)計的試驗裝置是有效的。

4 結(jié)論及建議

本文針對薄壁葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計了熱-聲-振耦合試驗裝置及測控系統(tǒng)，進(jìn)行了熱-聲-振耦合試驗，主要結(jié)論如下：

1）紅外燈+大功率揚(yáng)聲器+三綜合振動臺的方案可實現(xiàn)熱-聲-振耦合環(huán)境模擬，具有局部加熱和控溫以避免損傷揚(yáng)聲器、利用三綜合試驗箱形成簡易混響室并控制噪聲范圍、利用原有的振動測控系統(tǒng)等優(yōu)點，可滿足150 ℃高溫、130 dB噪聲的研究需要；

2）噪聲可以激勵出與振動等量級的應(yīng)變，聲壓級僅為121 dB的噪聲（發(fā)動機(jī)實際極限噪聲可達(dá)150 dB以上）掃頻即可激勵出最高19.67 μE的微應(yīng)變，而3g量級振動掃頻激勵出的微應(yīng)變?yōu)?9.10 μE；

3）熱-聲-振耦合效應(yīng)較為明顯，但并非簡單疊加，而是明顯高于熱-聲-振單一應(yīng)力的效果但小于三者的簡單疊加，本文試驗中熱-聲-振耦合應(yīng)力下的應(yīng)變比純振動下的應(yīng)變高出55%，比熱-振耦合應(yīng)力下的應(yīng)變高出15%。

由于本文中的熱-聲-振耦合試驗中噪聲強(qiáng)度比較低，加熱溫度不夠高，應(yīng)變響應(yīng)還難以造成結(jié)構(gòu)損傷，更高量級的熱-聲-振耦合可能表現(xiàn)出新的特點，所以，今后可開展進(jìn)一步的試驗和理論研究。