近日，航天科工防御技术研究试验中心苏伯泰团队以《薄壁壳体构件力振耦合试验装置设计及应用》为题在《环境技术》2024年第4期上发表最新研究内容，第一作者为苏伯泰。

      为满足某装备薄壁壳体构件在不断重复高/低载荷条件下可靠性试验需求，采用螺杆挤压随形工件的内平衡加载方式设计力加载装置，在振动环境下进行可行性验证，表明该装置满足薄壁壳体构件在（1~350）Hz频率范围内的力振耦合加载需求。

引言

某装备薄壁壳体构件在长期使用过程中，受到力、振动等因素的影响，经历不断重复的高/低载荷交替环境，随着时间的增加，有可能产生疲劳、磨损、过应力等物理损伤，以及材料老化、构件变形、层间分离等物理性能的衰退。为满足薄壁壳体构件的可靠性验证需求，需设计力振耦合试验系统。

力和振动的解耦方式一直是环境试验中面临的难题。张黎对飞行器舵翼构件在振动环境下的静力加载技术进行了研究，采用液压作动筒柔性加载方式，引入橡皮绳组过度，组成柔性静力加载系统，对多点静力加载通道间的静动耦合进行了消除，实现了舵翼构件的力振耦合加载需求。该方式对构件施加多点集中应力，而针对本文中薄壁壳体构件，要求施加分布式载荷，且力的施加位置在壳体内壁面，采用“油缸+橡皮绳组+钢丝绳”组合的柔性加载方式不能满足薄壁壳体构件的力振耦合加载需求。

为消除试验系统静动耦合干涉，拟采用内平衡静力加载方式，即通过螺杆挤压随形工件设计力加载装置，力加载装置整体固定在振动台面，薄壁壳体构件伴随加载装置共同运动，从而满足力振耦合加载需求。

本文介绍了针对薄壁壳体构件的力振耦合加载装置设计过程，分析了其中的关键技术，并通过试验进行了可行性验证，结果表明力加载装置满足薄壁壳体构件在（1~350）Hz振动频率范围内的长时稳定加载需求。

力振耦合试验装置设计

1、试验对象及要求

根据大致形状，某装备薄壁壳体构件分为两类，分别简称为半球构件和双曲构件。两类构件示意图如图1所示。在实际加载中存在两种状态，即单独加载半球构件和单独加载双曲构件。静力试验采用与半球构件和双曲构件内切的随形工件对其实施静力加载，静力加载载荷范围为（0~30）kN。振动试验按照GJB150.16A-2009《军用装备实验室环境试验方法第16部分：振动试验》执行，设备振动通过施加于固定法兰间接作用于构件上。

图1 两类构件示意图及其坐标定义

2、装置设计方案

为解决试验过程中力和振动施加方式的解耦难题，采用内平衡静力加载方式设计力加载装置。力加载装置构成如图2所示，由锁紧横梁、加载螺杆、加载横梁、球窝连接件、球窝导向柱、导向卡环、力传感器、加载球头和振动夹具等组成。力加载装置样机如图3所示。

图2 力加载装置三维模型

图3 力加载装置样机

加载球头与薄壁壳体构件内壁面形状和尺寸完全一致，随形工件粘附一层软质材料，通过加载螺杆对加载球头施加轴向拧紧力矩，进而加载球头将力载荷传递给构件。该装置采用加载球头可替换设计，使用同一加载装置，只需更换加载球头，能够实现不同尺寸和形状构件的轴向载荷施加。如图4所示，加载球头内部掏空，可降低装置质量；采用加筋设计，可保证加载球头强度和刚度的使用需求。力传感器紧连加载球头，用于对加载载荷进行监测。球窝连接件、球窝导向柱和导向卡环组合设计，如图5所示，一方面可降低各部件同轴度偏差所产生的横向载荷，另一方面可消除因加载球头转动而产生的扭矩。静力加载装置尺寸较小、质量较低，可通过振动夹具底座与振动台台面简易刚性连接。

图4 不同形状和尺寸加载球头

图5 导向和传递组件

通过螺杆施加轴向载荷，在强振动环境下预紧力容易大幅度衰减。为保证强振动环境下力加载装置长时可用，通过如图6所示锁紧横梁对加载螺杆固锁，使振动环境下加载螺杆预紧力不会在短时间内明显降低。齿形凹槽和锁紧凹槽配合使用，可保证加载螺杆转动任意角度时都能够被锁紧，即保证通过加载螺杆施加于构件的力载荷无极可调。通过6~8个锁紧螺杆可更好的保证对加载螺杆的锁紧效果。

图6 加载螺杆锁紧方式

装置可行性验证结果分析

1.正弦振动

为对装置的可行性进行验证，以双曲构件为研究对象，设置力载荷初始值约为27.9kN，对装置进行了正弦扫频振动试验，扫频范围（10~1500）Hz，加速度1g，扫频速率1.5oct/min。采用3点平均控制方式，3个加速度传感器均布在双曲构件法兰。控制点响应谱如图7所示，相比于参考谱，在频率400Hz以上出现明显变化，表明装置在较高频率范围内产生明显共振。

图7 正弦扫频振动响应谱

装置共振必然对振动环境下力载荷的长时稳定施加产生影响，为了对此有清晰认识，分别在400Hz和1200Hz下进行定频振动试验，试验量级从5g逐步提升到20g，力载荷初始值约为27.9kN。振动环境下力载荷变化如图8所示，从前两秒的放大图中可以看出，在振动应力未施加之前，采集到的力载荷背景噪声均为±30N左右。随着振动量级增大，两个频率下的力载荷波动幅度均随之增大，且通过红色圆点连线表明力载荷波动的程度与振动量级呈现出近似线性关系。试验过程中，力加载装置固定于振动台台面，伴随薄壁壳体构件共同振动，装置和构件惯性力的不同导致加载球头与构件之间往复挤压，因而力载荷沿初始值对称上下波动，且上下波动幅度几乎相同。随着振动量级增大，薄壁壳体构件与力加载装置所受惯性力差距增大，与初始力载荷存在更明显的叠加效应，因而力载荷波动幅度随振动量级增大几乎呈线性关系增长。薄壁壳体构件实际工作时承受不断重复的高/低载荷条件，力加载装置可有效赋予构件真实的环境效应。

（a）400Hz定频振动

（b）1200Hz定频振动

图8 定频振动环境下力载荷响应结果

为了进一步明确装置共振对力载荷波动的影响程度，对两个频率下采集到的力载荷进行归一化处理，即将每一时间对应的力载荷与整个时域范围内力载荷平均值做比值，得到归一化处理结果，如图9所示。相比于非共振点（400Hz），共振点（1200Hz）的力载荷波动幅度在任意振动量级下都急剧增大，显然共振频率下的力载荷波动不仅仅由惯性力的差距引起，更多源自于系统共振使力加载装置各部件之间的碰撞造成。薄壁壳体构件在实际使用时，未出现如此剧烈的共振现象，因此当振动频率较高时，力加载装置难以赋予构件实际工作时真实的高/低载荷条件。该构件常用工作环境下的振动频率不超过350Hz，而该装置在400Hz以内未出现明显共振现象，因此可有效用于模拟构件在真实工作环境下的力振耦合条件，满足薄壁壳体构件在力和振动耦合环境下的可靠性试验需求。

图9 定频振动环境下力载荷归一化处理结果

2.随机振动

进一步对双曲构件开展了随机振动试验，随机振动谱型如图10所示，总均方根加速度逐步从1g提升至6g。采用3点平均控制方式，3个加速度传感器安装位置与正弦振动试验时相同。为反应静力初始值对力载荷波动的影响程度，所施加的初始力载荷分别约为10.8kN和27.9kN。随机振动环境下的力载荷响应结果如图11所示，与正弦振动相似，随着振动量级增大，力载荷的波动幅度随之增大，且力载荷波动幅度与振动量级也表现为近似线性增长关系。

图10 随机振动谱型

（a）（1~350）Hz随机振动，初始静力10.8kN

（b）（1~350）Hz随机振动，初始静力27.9kN

图11 随机振动环境下力载荷响应结果

与图9相同，对随机振动环境下的力载荷响应结果做归一化处理，结果如图12所示。随着构件承受初始静力的增大，在任意振动量级下力载荷波动幅度均随之增大。在较低频率范围内，力载荷波动由构件和力加载装置惯性力差异导致的往复挤压引起，当施加的初始静力更大时，加载球头和构件的挤压程度更为明显，因而相同惯性力差异造成更大幅度的力载荷波动，这与构件实际使用时的环境一致，即构件承受更大压力时，振动环境下的高/低载荷波动幅度更为明显。

图12 随机振动环境下力载荷归一化处理结果

结论与展望

本文论述了针对薄壁壳体构件的力振耦合试验系统设计方案，并通过试验进行了可行性验证，结果表明：

1)采用螺杆挤压随形工件的内平衡静力加载方式，可解决力载荷和振动应力同时施加的解耦问题；

2)由于内平衡力加载装置构成较为复杂，在较高频率范围内存在明显共振，但频率400Hz以下时能够长时稳定运行；

3)在振动环境下，力载荷以初始值为基准上下波动，随着振动量级增大，力载荷波动幅度呈现近似线性增长关系；

4)在相同振动量级下，施加的初始静力增大时，力载荷波动幅度随之增大，可有效模拟构件实际工作时的高/低载荷条件。

本装置当初始静力和振动量级一定时，难以有效对力载荷在振动环境下的波动幅度进行调节，后续可通过在本装置中添加不同弹性部件对此进一步探索。

引用本文：

苏伯泰,陈耀,庞家志,刘小珍,师钰,李佳昌.薄壁壳体构件力振耦合试验装置设计及应用[J].环境技术,2024,42(04):11-16.