在G防工業(yè)和航空航天工業(yè)中 ,飛行器在高加 速度運(yùn)動時還常伴隨著熱、振動等沖擊作用 .為保證 這些飛行器能夠在飛行中正常工作 ,要求其表面材 料及內(nèi)部電子儀器設(shè)備必須經(jīng)受得起這種外在的沖 擊. 因此 ,對飛行器在正式工作前做高線加速度— 熱 — 振動復(fù)合模擬環(huán)境試驗(yàn)具有重要的意義 ,它常常 能反映出飛行器在單一環(huán)境試驗(yàn)手段下不能反映的 故障 ,是確保飛行器質(zhì)量和可靠性的重要手段
[1, 2 ] . 為此 ,美G在 20世紀(jì) 60年代起建造了一些模擬發(fā) 射階段的綜合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備 ,并趨向大型化 ,如圣地 亞實(shí)驗(yàn)室改進(jìn)后振動 - 離心復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的** 大標(biāo)稱加速度為 240g ,
離心機(jī)旋轉(zhuǎn)臂長達(dá) 8. 8 m, 振動臺頻率范圍為 1～ 5 000 Hz; 美G SandinG家 實(shí)驗(yàn)室在 20世紀(jì) 80年代末建起了
離心機(jī)和振動臺 綜合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備“ Vibrafug e”的
離心機(jī)臂為 8. 7 m;法G原子能委員會試驗(yàn)中心也有一臺臂長達(dá) 13m m的離心機(jī). 我G雖然對離心機(jī)為主體的復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備作過一些研究
[ 3～ 5] ,但成套的可用于此類復(fù)合環(huán)境的設(shè)備未見報道 .
為了對一些關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行探索 ,配合今后G家大型試驗(yàn)設(shè)備的建造 ,按一定比例建造了仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ?,如圖 1所示 ,主要由離心機(jī)、振動臺和環(huán)境溫度箱三個部分組成 ,其離心機(jī)臂的有效長度為
1. 0 m ,振動臺的頻率范圍為 10～ 500 Hz. 因?yàn)樵陔x
心機(jī)臂上裝有振動臺 ,在振動臺整個工作范圍內(nèi) ,可能與機(jī)臂發(fā)生共振 ,因此有必要全面了解離心機(jī)的振動特性.但由于技術(shù)的原因 ,離心機(jī)在回轉(zhuǎn)狀態(tài)下難以進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn) ,本文只對離心機(jī)靜止固有頻率和振型進(jìn)行了測試 ,而通過有限元方法彌補(bǔ)模態(tài)試驗(yàn)的不足 ,得到離心機(jī)的固有特性隨轉(zhuǎn)速變化的特性 ,為隔振系統(tǒng)的設(shè)計提供重要的依據(jù).
圖 1 高線加速度下熱與振動復(fù)合環(huán)境系統(tǒng)
Fig. 1 Sy stem of the rmo-v ibration combined envi ron-ment unde r high linea r acceler atio n
1 旋轉(zhuǎn)機(jī)臂有限元力學(xué)模型
離心機(jī)有限元網(wǎng)格劃分如圖 2所示. 離心機(jī)繞主軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動 (主軸為 y 向 ) ,除了受到空氣的阻力、振動臺傳遞到機(jī)臂上的力以外 ,還受到自身離心力場的作用 ,根據(jù)變分原理可以得到離心機(jī)臂有限元振動方程
[6 ]:
|
|
¨ |
|
|
|
· |
|
|
[M ]{ |
W}+ |
( [C ]+ 2K[Cc ] ) { W}+ ( [K ]- K2 [Mc ]) {W} |
|
|
= { c }+ |
{ |
}+ { |
R |
} |
( 1) |
|
Ψ |
|
P |
|
|
式 ( 1)中 , [M ], [C ], [K ]分別為離心機(jī)臂結(jié)構(gòu)總質(zhì)量矩陣、總阻尼矩陣、總剛度矩陣; 2K[Cc ]為科氏加速度引起的阻尼; K
2 [Mc ]為轉(zhuǎn)動而引起的單元剛度軟化矩陣; {Qc } , {P } , {R }分別為離心力等效節(jié)點(diǎn)載荷向量、表面力等效節(jié)點(diǎn)載荷向量和集中力等效節(jié)點(diǎn)載荷向量.
如果不計阻尼影響 ,由方程 ( 1)得到動力學(xué)系統(tǒng)
圖 2 離心機(jī)有限元模型
Fig. 2 Element model o f the centrifug er
( 離心機(jī)和振動臺等 )不考慮旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的特征方程
為[7 ]
:
|
[M ] [Υ] [Λ]= [K ] [Υ] |
( 2) |
式 ( 2)中 , [Υ]為振型矩陣 , [Λ]為譜矩陣. 此時 ,該系統(tǒng)的模態(tài)只與結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量有關(guān) . 考慮旋轉(zhuǎn)效應(yīng)時的特征方程為
[5 ]:
[M ] [Υ] [Λ]= ( [K ] - K
2 [Mc ]) [Υ] ( 3)
方程 ( 3)中的總體剛度矩陣引入了旋轉(zhuǎn)軟化矩陣 K
2
[ Mc ],系統(tǒng)的模態(tài)不僅與結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量有關(guān) , 還與系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)速度有關(guān). 考慮到質(zhì)量矩陣 [Mc ]和總體剛度矩陣是正定的 ,引入了旋轉(zhuǎn)軟化矩陣使動力學(xué)系統(tǒng)剛度降低 , 系統(tǒng)的固有頻率將降低. 如果
|[K ] - K
2 [Mc ]|≤ 0時 ,系統(tǒng)將失穩(wěn).
當(dāng)計及離心力 {Qc }而引起的剛度硬化時 ,方程 ( 1)特征問題則變?yōu)?nbsp;
[5 ]:
[M ] [Υ] [Λ]= ( [K ]+ [KW ] - K
2 [Mc ]) [Υ] ( 4)
式 ( 4)中 , [KW ]為剛度硬化矩陣 . 如果離心力使結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力 ,則剛度硬化矩陣為正定的 ,結(jié)構(gòu)的抗彎剛度加強(qiáng); 如果離心力使結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力 , 則剛度硬化矩陣為負(fù)定的 ,結(jié)構(gòu)的抗彎剛度減弱.
2 離心機(jī)模態(tài)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?br />
建立如圖 3所示模態(tài)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?,確定測點(diǎn)和激勵點(diǎn)位置 ,根據(jù)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和試驗(yàn)需要 ,測點(diǎn)的總數(shù)為 309個 , 選擇了 61X , 60Y , 61Z 方向作為激振點(diǎn).振動加速度響應(yīng)信號輸入電荷放大器 ,再送入動態(tài)測試系統(tǒng) ,同時 ,激振器力信號傳入電荷放大器 , 再送入動態(tài)測試系統(tǒng) . 動態(tài)測試系統(tǒng)對輸入的激振力信號和系統(tǒng)響應(yīng)信號進(jìn)行分析處理后 ,得到系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù) ,然后 ,通過模態(tài)參數(shù)識別和分析計算 ,得到模型離心機(jī)靜態(tài)的各階固有頻率和振型. 動態(tài)測試系統(tǒng)采用南京汽輪機(jī)廠的 CRAS系統(tǒng) .
振動加速度的輸出產(chǎn)生很大的影響.
( 2)第三、四階振型是離心機(jī)臂作為懸臂梁的擺
動 ,如圖 5( c)、 ( d)所示 . 這兩階振型主要反映了離心機(jī)臂與離心機(jī)主軸之間的連接剛度較弱 .其中 ,第
三階振型擺動的方向?yàn)樨Q直方向 ,這階振型除了對振動臺的激勵比較敏感以外 ,對離心機(jī)推力軸承的安裝精度要求很高 ,一旦與水平面不垂直 ,在機(jī)臂回轉(zhuǎn)一周時 ,機(jī)臂上下擺動一次 ,這不但會引起機(jī)臂豎直方向的振動 ,而且也使振動臺附加了豎直方向的振動. 第四階振型擺動的方向與離心機(jī)轉(zhuǎn)動的方向一致 ,當(dāng)離心機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定時很容易激起這階振型的振動.
( 3)第五階振型與動平衡裝置的振動有關(guān) ,如圖 5( e)所示. 動平衡裝置既能整體地前后移動 ,以調(diào)節(jié)前后力矩平衡 ,又能通過電機(jī)拖動質(zhì)量塊沿動平衡裝置的滑軌上下移動 ,以調(diào)節(jié)離心機(jī)臂上下質(zhì)量和力矩的平衡 ,但由于動平衡裝置及支承臺板的剛度較差 ,給離心機(jī)帶來了附加的振動. 因此 ,為了提高動平衡裝置固有頻率 ,應(yīng)采用剛度較好的平衡倉式裝置 ,且支承臺板應(yīng)采用加強(qiáng)筋 ,提高其抗彎剛度.
( 4)第六階振型為機(jī)臂前端溫度箱扭轉(zhuǎn)振型 ,如
圖 5( f )所示 . 振動臺臺面位于溫度箱內(nèi)部 ,通過支承彈簧與溫度箱連接 ,由于支承彈簧橫向剛度較大 , 當(dāng)機(jī)臂作扭振時 ,會引起臺面整體扭振 ,給試件附加了扭轉(zhuǎn)角加速度. 要想提高機(jī)臂扭振頻率 ,要對離心
機(jī)臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造 ,**好的方法是鋼板卷制焊接形成筒狀構(gòu)成機(jī)臂或通過鑄造形成筒狀中空的機(jī)臂 ,使有效質(zhì)量遠(yuǎn)離扭轉(zhuǎn)軸 , 達(dá)到提高抗扭剛度的效果.
( 5)第七、八階振型是離心機(jī)臂高階彎曲振型 ,
如圖 5( g )、 ( h)所示 .
4 結(jié) 論
通過對離心機(jī)臂有限元計算和模態(tài)試驗(yàn) ,可以得到以下初步結(jié)論:
( 1)離心機(jī)臂靜態(tài)時的固有頻率有限元計算結(jié)果與模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果符合得較好 .在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下 ,旋轉(zhuǎn)軟化效應(yīng)使得**、二階固有頻率隨著離心機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而減小 ,而剛度硬化使得離心機(jī)兩階以上與彎曲振型有關(guān)的固有頻率隨著離心機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而略有增加.
( 2)離心機(jī)臂的固有頻率較密集 ,前幾階自振頻率處于振動臺的工作頻率范圍內(nèi) ,因此要避免振動臺在這些頻率附近工作. 若振動臺必須在這些頻率附近工作或振動臺在作掃頻試驗(yàn)時 ,則要在振動臺和離心機(jī)臂之間加隔振系統(tǒng)及減振措施 ,防止與機(jī)臂發(fā)生共振.
( 3)通過離心機(jī)振型分析可知 ,離心機(jī)轉(zhuǎn)速對振型幾乎沒有影響 ,因此離心機(jī)臂靜態(tài)時有限元計算振型和模態(tài)試驗(yàn)振型在一定的范圍內(nèi)可以反映旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的振型; 通過離心機(jī)振型分析同時明確了各固有頻率對應(yīng)的振動形態(tài) ,指出離心機(jī)剛度的薄弱環(huán)節(jié) ,為離心機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計和改造提供了有效的理論支持.
