热环境下结构固有振动特性试验及分析

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1、航空学报Dec．252016V01．37No．S1$32．837ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000．6893ON11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．crlhkxb@buaa．edu．ca热环境下结构固有振动特性试验及分析谭光辉*，李秋彦，邓俊成都飞机设计研究所，成都610091摘要：高超声速飞行器在气动热环境中，其固有频率和振型会受温度升高的影响而发生变化，从而其颤振特性也要发生改变。本文建立了适用于工程应用的飞行器翼面结构热模态试验方法及试验装置，为验证该方法的有效性，针对高超声速飞行器翼面结构特征，设计和制造了钛

2、合金翼面盒段试验件，测试了高温环境翼面热模态。开展了单面加热、双面加热、温度呈梯度分布加热和随时间变化加热等几种加热方式对比试验，试验结果表明，温度升高对结构模态特性影响明显；且该试验方法具有很高的工程实用价值，可应用于飞行器翼面结构热模态试验；同时，建立了试验件有限元模型，开展了热模态分析，对试验结果和分析结果进行了对比分析和讨论，结果具有较高的一致性。关键词：高超声速；热颤振；热模态试验；热模态分析；地面共振试验(GVT)中图分类号：V215．3文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)S1一$32—06随着现代飞行器尤其是尖端航空武器装备向高速化发展，气动加热问题越来越突出

3、。气动热可导致结构温度升高，而高温可导致结构材料弹性模量等物理特性发生变化，从而影响飞行器结构的刚度。同时，翼面结构受热过程中不均匀的温度分布会产生热应力，也会对结构刚度产生影响。美国X-15验证机就曾因为气动加热影响其结构刚度和模态特性，导致垂尾发生颤振。因此，开展高超声速飞行器中气动热对结构模态特性和颤振特性的影响研究就显得非常重要n]。若暂不考虑气动力的影响，热环境下飞行器结构模态特性(简称热模态)是影响高超声速飞行器颤振特性的主要因素。目前大部分研究集中在以有限元分析方法来研究气动热对结构模态特性和颤振特性的影响[2-43。而为了获取结构在热环境下准确的模态特性，并验证热模态分析方法

4、的准确性，指导热模态分析，热模态试验就显得很有必要。热模态试验是通过热环境下模态试验的方法研究结构在热环境下动力学特性的一种多学科试验。由于要同时解决加热及热控技术、热防护技术和高温环境模态测试等多项技术难题，技术难度非常大。Vosteen等[53在早期开展了简单平板、楔形板和多墙结构试验件热模态试验，但试验件相对比较简单，不能很好地反应飞行器结构特征，同时受试验条件限制，没有获得高温环境下的模态振型。SpiveyE61针对X一37C／SIC结构开展了热模态试验研究，研究了结构模态频率随温度的变化规律，但由于受传感器灵敏度随温度变化的影响，并没能获得结构热模态振型。目前国内此类试验开展的还不

5、多，但高超声速飞行器的研制对结构热模态试验技术提出了迫切需求m。麻连净和蔡骏文嘲介绍了一种长杆激收稿日期：2016—04—25；退修13期：2016—05—11；录用日期：2016—05—13；网络出版时间：2016—06—2413：16网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20160624．1316．004．html*通讯作者．Tel．：028—65020242E-mail：tgh0419@163．corn}

6、甬梧武t谭光辉。李秋彦，邓俊．热环境下结构雷有振动特性试验及分薪[JI．航空学报·2016，37(SD：$32-$37．TANGH，LI

7、QY，DENGJ．Testandanalys『sofnaturalmodalcharacteristicsofawingmodalwiththermaleffect￡Jj．ActaAeronauticaetAstronau-ticaSinica，2016，37(S，)：S32一S37．谭光辉，等：热环境下结构固有振动特性试验及分析振下热模态试验方法，获得了频率随温度的变化规律。苏华昌等凹3采用激光位移传感器进行了舵面热模态试验方法研究，获取了舵面频率随温度的变化规律，但并未模拟不同温度场的效果。吴大方等[1叩针对单层梯形翼面结构，以引伸杆的形式测量高温翼面结构振动响应，开展了热一振耦合试验研

8、究，获得了结构频率随温度升高的变化规律。本研究针对飞行器翼面结构，设计了钛合金翼面盒段试验件，探索了一种以激光测振仪和高温加速度传感器测振，以激振台激励，可适用于工程应用的翼面结构热模态试验技术。同时，开展了单面加热、双面加热、温度呈梯度分布加热和随时间变化热辐射加热等几种加热方式对比试验，获得了多种热分布情况下试验件固有频率及模态随温度升高的变化规律，并开展了加热速率对模态频率的影响研究。最后，建立了试验件