閆 松，李 斌，李斌潮，李 鋒

(西安航天動力研究所液體火箭發(fā)動機技術重點實驗室，西安710100)

三維掃描測振技術在液體火箭發(fā)動機模態(tài)試驗中的應用

閆 松，李 斌，李斌潮，李 鋒

(西安航天動力研究所液體火箭發(fā)動機技術重點實驗室，西安710100)

針對傳統(tǒng)的黏貼振動傳感器的模態(tài)試驗方法存在附加傳感器質量影響及振型空間分辨率不高等問題，研究了利用激光測振系統(tǒng)和機器人平臺對復雜結構進行三維掃描振動測試的方法。并以液體火箭發(fā)動機(LRE)推力室和氧化劑入口管為例，通過三維掃描測振技術對二者進行模態(tài)測試，獲取了空間分辨率極高的模態(tài)振型，定量分析了傳感器附加質量對管路模態(tài)測試的影響，研究結果表明三維掃描測量方法具有精度高、測試速度快、測點數量不受限制等優(yōu)勢。

三維掃描;激光測振;液體火箭發(fā)動機;機器人

0 引 言

液體火箭發(fā)動機特別是中國新一代高壓補燃液氧煤油發(fā)動機采用補燃循環(huán)提高性能，結構中存在大量細管路，且空間走向錯綜復雜，如果其與激勵之間發(fā)生耦合共振，則會在很短時間內產生疲勞斷裂。因此掌握管路的結構動力學特性，避開發(fā)動機試車時的主導頻率，對于其結構完整性有重要意義［1］。試驗模態(tài)分析是了解結構動態(tài)特性的重要手段，一方面可以改進結構設計，避開共振頻率;另一方面可以為有限元模型修正提供準確的試驗結果［2－3］。傳統(tǒng)的模態(tài)試驗方案利用力錘或激振器作為激勵源，采用蜂蠟或者螺栓連接等手段將加速度傳感器固定于被測物體表面，測量各響應測點相對于激勵點的頻響函數，從而得到被測物體的模態(tài)參數［4－5］。這種方法在實際工程應用中存在以下不足:1)試驗測點數量受傳感器及測量通道數限制，測點數量較少，合理布置測點位置存在較大困難，雖然發(fā)展了大量算法用于優(yōu)化布置傳感器，如模態(tài)動能法，有效獨立法等［6－8］，但這些算法大多建立在有限元模型準確的基礎上，限制了其在工程復雜結構上的應用;2)對于輕薄結構或剛度較弱結構存在傳感器附加質量和剛度的影響;3)每一個3向傳感器都需要空間和軸向定位，如果測試結果用于后續(xù)的相關性等分析，傳感器的定位需要很精確，對于管路等弧面結構，實際操作中往往難以實現。

激光測振技術是近年來發(fā)展起來的一種非接觸式振動測試方法，它利用激光多普勒效應，當被測結構發(fā)生移動，接收到的光波頻率會發(fā)生變化，通過測量光波改變的頻率得到被測結構的移動速度。Gade等［9］指出激光測振技術對于輕質、微小，高溫結構的振動測量有獨特優(yōu)勢，且由于激光束可以在很短的時間內掃描許多點，因此相對于傳統(tǒng)方法測試時間更短。Doupe等［10－11］在對FalconSAT－5衛(wèi)星的有限元模型修正時，采用激光測振手段獲取了面板等平整結構的模態(tài)參數，測量了FalconSAT－5衛(wèi)星超過2000個測點的脈沖響應，并研究了修正模型所用測點數目不同對修正結果的影響。但想要獲得三維結構的模態(tài)振型，需要360度移動激光掃描頭，實際應用中存在困難。李暉等［12］通過組建激光旋轉掃描模態(tài)測試系統(tǒng)，實現了對圓柱殼的三維振型的測量。

為了精確獲得復雜結構的模態(tài)參數，我所引進了聯合激光測振系統(tǒng)及機器人平臺的試驗設備，它將3個激光掃描頭安裝固定于一個6自由度的機器人手臂上，通過機器人機械手臂的移動實現對復雜結構的全方位三維掃描測量。Polytec公司的Oliver等［13］曾闡述了該設備工作原理，本文側重于三維掃描測振技術在液體火箭發(fā)動機模態(tài)試驗中的應用研究。通過對液體火箭發(fā)動機推力室和氧化劑入口導管的模態(tài)測試，比較其與傳統(tǒng)測試方法的優(yōu)缺點。

1 試驗原理及方法

圖1為測量系統(tǒng)原理示意圖，測量時，3個激光掃描頭聚焦到同一點，通過不同方向的3個激光掃描頭測量同一點的振動速度，可以得到該點的在空間任意XYZ3個方向的振動速度。激光掃描頭測量得到的光學響應信號由其內部光學器件接收后，傳輸到激光數據采集及控制設備轉換為電信號，通過計算機記錄振動數據。激光掃描頭安裝于機器人機械臂上，通過機械臂的移動實現對被測物體表面的全場掃描。機器人運動路徑由試驗人員在機器人編程面板預先定義，機器人按照定義好的路徑對掃描網格測點逐個進行測量，激光掃描頭的位置信息由機器人控制柜傳遞給主機。采用激振器對被測物體施加激勵，一般采用Burst chirp或Burst random激勵信號，對每個測點采用多次平均測量，PSV測試軟件對響應信號和激勵信號進行數據采集。

試驗步驟如下:

1)試驗準備階段。按試驗所需狀態(tài)固定被測件，連接激振器及力傳感器。通過機器人編程面板操縱移動激光掃描頭到空間某一合適位置M1，記錄此時機器人位置坐標，在被測物體表面定義掃描點，掃描出被測物體該區(qū)域外形輪廓;依次挪動激光掃描頭到其他位置M2，M3，…，記錄機器人位置坐標，同樣定義這些位置的掃描點，直到整個被測物體表面測點定義完畢。

2)自動測試階段。如圖2，程序自動運行，機器人按定義好的路徑運行到預定空間坐標M1，在該位置激光掃描頭對該區(qū)域定義的網格點逐個進行測量，激振器每激勵一次，激光對一個測點響應信號進行一次測量。該區(qū)域所有測量點掃描完畢后，機器人運行到下一預定空間坐標M2，繼續(xù)掃描測量該區(qū)域所對應的網格點，重復以上步驟直到所有測點測量完成。

3)數據后處理階段。對得到的頻響函數進行分析，觀察振動變形等，將數據導出到外部軟件進行模態(tài)分析。

由試驗過程可知，對于不同批次相同產品的模態(tài)測試變得極為方便，因為只需定義一次機器人移動路徑及掃描點，整個測試過程高度自動化。

2 液體火箭發(fā)動機推力室模態(tài)測試

圖3為液體火箭發(fā)動機推力室有限元模型，圖4為通過激光掃描得到的外輪廓特征，即試驗測點模型，對于噴管集液環(huán)以下部位未掃描(集液環(huán)位置見圖3)。整個試驗模型共包括了2573個測點，由不同的顏色組成，顏色的不同代表了自動測試階段機器人是在不同位置完成了對整個模型的三維掃描測量。由于激振器和泵架桿等障礙物遮擋，推力室表面某些區(qū)域激光不能到達，因此模型中有部分“窟窿”。

圖5為傳統(tǒng)的黏貼傳感器試驗模型，受測量通道數及工作量限制，共布置176個測點，由此可見，三維掃描測振技術較以往的黏貼傳感器的試驗測試手段極大的豐富了數據信息。

圖6所示為機器人在某一位置時，激光掃描頭對該區(qū)域的測量點進行逐個掃描測量的過程，綠色的點表示已掃描測量點，藍色點表示待掃描點。圖7和圖8比較了三維掃描試驗結果與傳統(tǒng)試驗結果，圖7(a)、7(b)分別為649.8 Hz下推力室的振動變形及模態(tài)振型，從圖中可以看出三維掃描所得振型各測點振動模式一致，振型分辨率高，而傳統(tǒng)試驗方法所得該階固有頻率為650.2 Hz，與激光測振結果僅相差0.4 Hz，但振型分辨率低，各測點一致性較差。圖8(a)、8(b)分別為737.2 Hz下兩種方法得到的噴管擴張段5節(jié)徑呼吸振型，三維掃描所得振型清晰，而傳統(tǒng)的試驗模型由于測點數量所限，對高階振型分辨力較差，精確的測量結果使得激光測試手段用于相關性分析和故障檢測時具有顯著優(yōu)勢［14］。

由于試驗模態(tài)和有限元模態(tài)的自由度是不一致的，因此需要對有限元模型進行縮聚，以進行相關性分析。三維掃描測振所得每個測點的空間定位很精確，這對于后續(xù)相關性分析非常方便，圖9為同一坐標系下的有限元模型與三維掃描試驗模型，在LMS.virtual.lab中可以自動搜索距離各個試驗測點最近的有限元節(jié)點，實現試驗測點和有限元節(jié)點的自動配對，為下一步模型縮聚做準備，這避免了傳統(tǒng)測試手段需要記錄每個試驗測點的位置坐標，對試驗測點和有限元節(jié)點手動逐個配對的弊端。圖10黃色網格為在最大15 mm容差范圍內，將有限元模型縮聚，僅保留與試驗測點相對應的節(jié)點，共有2179個有限元節(jié)點與試驗模型相對應，黑色圓點表示該試驗測點沒有找到有限元節(jié)點與之對應，主要集中在泵架桿和集液環(huán)上，這是因為有限元模型采用梁單元，而試驗測點位于結構表面，試驗測點與有限元模型的節(jié)點大于15 mm容差的緣故。

3 氧化劑入口管模態(tài)測試

液體火箭發(fā)動機中存在大量的細管路，其與激勵耦合共振問題十分突出。由于推力室中推進劑燃燒激勵頻率較高，因此主要關心的是管路的高階振型，需要在管路上布置較多測點以提高振型分辨率。傳統(tǒng)試驗方法主要有兩個問題:1)管路走向復雜且表面是弧面，將10 mm×10 mm加速度傳感器以20 mm間距布置到管路表面并非易事，且傳感器的空間位置難以準確確定;2)附加傳感器質量和剛度會改變細管路結構動力學特性。

為了具體說明傳感器附加質量對于管路的固有頻率測量的影響，設計了三種不同的試驗狀態(tài)，如圖11，管路上等間距布置了8個塑料底座用來安裝固定振動傳感器，三種狀態(tài)分別為:狀態(tài)1，整個管路中只有8個塑料底座，由于塑料底座重量非常輕，可以認為此時狀態(tài)為管路真實狀態(tài);狀態(tài)2，中間位置布置了一個傳感器，即圖11狀態(tài);狀態(tài)3，安裝8個振動傳感器，此狀態(tài)即是傳統(tǒng)方法進行模態(tài)測試的狀態(tài)。

氧化劑入口管的參數如下:外徑16 mm，內徑12 mm，長度約為 300 mm。傳感器型號 B＆K 4524B，重量約為5克。對于全部三種狀態(tài)，采用激光測試中間位置傳感器附近(圖11激光點位置)的頻響函數，對于狀態(tài)2，采用LMS測試系統(tǒng)記錄中間位置傳感器的頻響函數作為對比驗證。

為了減少隨機誤差影響，盡量使兩種測試手段試驗狀態(tài)一致。激光采用Burst Random激勵信號，平均10次，帶寬2000 Hz，譜線數6400，頻率分辨率為0.3125 Hz，微型激振器激勵(如圖11)。LMS測試同樣采用Burst Random激勵信號，平均10次，帶寬2048 Hz，譜線數8192，頻率分辨率為0.25 Hz，微型激振器激勵，激勵力大小和激光測試方法相同。

圖12為激光對狀態(tài)1(無傳感器，Laser-zero)、狀態(tài)2(只有一個傳感器，Laser-one)、狀態(tài)3(有8個傳感器，Laser-eight)，以及LMS測試系統(tǒng)對于狀態(tài)2 (只有一個傳感器，LMS-one)的頻響函數測試結果。選取500 Hz到1800 Hz之間，如圖12所示狀態(tài)1曲線四個典型的突頻點進行分析。

表1 傳感器附加質量影響分析Table 1 Analysis of the effect of sensor's added mass

表1給出了對應于狀態(tài)1四個突頻，其他三個測試狀態(tài)所對應的峰值頻率點。從表1及圖12中可以看出，對于本試驗考察的氧化劑入口管，三種狀態(tài)下激光測得的前兩個突頻位置的頻響函數基本重合，說明在小于830 Hz時，傳感器附加質量影響還不顯著，但8個傳感器狀態(tài)在680 Hz處額外出現了一個峰值;當大于830 Hz時，采用8個傳感器所得的頻響函數與真實的頻響函數相差較大，說明8個傳感器附加質量改變了原管路的結構動力學特性，此時測試結果已不能反映管路真實的模態(tài)特征。而附加一個傳感器所得頻響函數趨勢上與真實的頻響函數一致，只是由于附加質量的影響造成峰值對應的頻率稍有下降。在第3個峰值(1231.875 Hz)相比真實狀態(tài)(1270 Hz)下降了3%，采用8個傳感器時在1011.875 Hz有一個峰值，無法判斷該處是否對應真實狀態(tài)1270 Hz處的峰值;采用一個傳感器第4個峰值(1479.0625 Hz)相比真實狀態(tài)(1485.3125 Hz)下降了0.42%，而采用8個傳感器對應該區(qū)域沒有明顯峰值。

LMS方法和激光測振方法對于狀態(tài)2測量的頻響函數趨勢一致，但峰值對應的頻率和幅值稍有差異，這可能是由于傳感器高頻段的測量誤差，及由于管路表面的弧形，傳感器定位的方向與激光的坐標系方向不完全一致導致。

通過以上分析可知，對于所關心的管路高頻段，僅采用一個傳感器的附加質量造成固有頻率降低最大達3%，這足以對我們的判斷帶來混淆，而采用8個傳感器進行模態(tài)測試將可能導致錯誤的結果。與傳統(tǒng)測試方法相比，三維掃描測振的方法特別適合于測試該類細管的振動問題，測點空間位置定位準確且測點數多，對于分析高頻振動對應的復雜振型十分有利。如圖13所示為激光掃描頭在兩個空間坐標位置處掃描得到的整個氧化劑入口管模型(與傳感器附加質量分析采用的不是同一臺產品)。圖14為管路的高階振型，各測點振動速度的方向和大小均不同，采用三維掃描測振技術可以精確獲取其振動模式，各測點一致性較好。相比于傳統(tǒng)的試驗方法，三維掃描測振技術的效率更高，完成整個試驗過程只花費不到10分鐘。

4 結 論

通過激光測振系統(tǒng)與機器人平臺結合，可以實現對被測物體的360度掃描測量。其優(yōu)點如下:1)不用黏貼振動傳感器，測點數目多，增加測點數目很方便，不會顯著增加工作量，無傳感器附加質量的影響。2)振型的準確度高，一致性好。3)測試過程自動化，對同一批次的產品只需一次編程就可實現多次測量。4)可以實現對于微小、高溫、輻射等場合下，傳統(tǒng)方式無法實現的模態(tài)測試。

由其測試原理可知，三維掃描測振技術存在如下缺點:1)只能測量被測結構外表面的振動情況，對于內部及有遮擋的區(qū)域無能為力。2)對于自由－自由狀態(tài)的模態(tài)測試，定義完掃描點后，這些點的空間位置坐標就已經確定了，整個測試過程被測物體不能移動。3)由于機器人手臂長度限制，激光掃描頭能達到的空間范圍有限，因此被測物體尺寸不能太大?？傊?，激光測振手段拓寬了模態(tài)試驗的能力范圍，提高了模態(tài)測試的精度。隨著激光測振這種非接觸式測試手段的普及，將會進一步促進相關性分析、誤差定位、模型修正、故障檢測等相關學科的發(fā)展。

［1］ 梁俊龍，譚永華，孫宏明.補燃發(fā)動機總體布局動態(tài)設計研究［J］.火箭推進，2005，31(4):1－7.［Liang Jun-long，Tan Yong-hua，Sun Hong-ming.Dynamic design research of stagedcombustion engine overalllayout［J］.JournalofRocket Propulsion，2005，31(4):1－7.］

［2］ 丁繼峰，韓增堯，馬興瑞.大型復雜航天器結構有限元模型的驗證策略研究［J］.宇航學報，2010，31(2):547－555.［Ding Ji-feng，Han Zeng-yao，Ma Xing-rui.Finite element verification strategy of large complex spacecraft［J］.Journal of Astronautics，2010，31(2):547－555.］

［3］ Ewins D J.Modal testing:theory and practice［M］.Letchworth: Research Studies Press，1995.

［4］ 邱吉寶，王建民.運載火箭模態(tài)試驗仿真技術研究新進展［J］.宇航學報，2007，28(3):515－521.［Qiu Ji-bao，Wang Jian-min.The recent progresses on research into modal test simulation techniques for launch vehicles［J］.Journal of Astronautics，2007，28(3):515－521.］

［5］ 黎定仕，張以都，王慶.導引頭部件結構動態(tài)特性分析［J］.宇航學報，2008，29(3):799－803.［Li Ding-shi，Zhang Yidu，Wang Qing.Analysis of dynamic characteristics of guidance head components［J］.Journal of Astronautics，2008，29(3): 799－803.］

［6］ 何龍軍，練繼建，馬斌，等.基于距離系數－有效獨立法的大型空間結構傳感器優(yōu)化布置［J］.振動與沖擊，2013，32 (16):13－18.［He Long-jun，Lian Ji-jian，Ma Bin，et al.Optimal sensor placement for large space structures based on distance coefficient-effective independence method［J］.Journal of Vibration and Shock，2013，32(16):13－18.］

［7］ 劉偉，高維成，李惠，等.基于有效獨立的改進傳感器優(yōu)化布置方法研究［J］.振動與沖擊，2013，32(6):54－62.［Liu Wei，Gao Wei-cheng，Li Hui，et al.Improved optimal sensor placement methods based on effective independence［J］.Journal of Vibration and Shock，2013，32(6):54－62.］

［8］ 榮雙龍，李傳日，徐飛，等.實驗模態(tài)分析最佳測試點選取方法的優(yōu)化［J］.北京航空航天大學學報，2014，40(4):536－543.［Rong Shuang-long，Li Chuan-ri，Xu Fei，et al.Method optimization of optimum measurement point selection in experiential modal analysis［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2014，40(4):536－543.］

［10］ Doupe C C，Swenson E D，George L E，et al.Finite element model tuning with 3D mode shapes from FalconSAT－5［C］.50th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures， Structural Dynamics，and Materials Conference，Palm Springs，California，May 4－7，2009.

［11］ Doupe C C，Swenson E D，George L E，et al.Finite element model tuning with varying experimental data density［C］.AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference，Illinois，Chicago，August 10－13，2009.

［12］ 李暉，孫偉，許卓，等.基于激光旋轉掃描的約束態(tài)薄壁圓柱殼模態(tài)振型測試新方法［J］.振動與沖擊，2014，33(16): 155－159.［Li Hui，Sun Wei，Xu Zhuo，et al.Experimental method of laser rotating scanning to measure mode shapes of constrained thin cylindrical shell［J］.Journal of vibration and shock，2014，33(16):155－159.］

［13］ Oliver D E，Schuessler M.Fully automated robot-based 3－dimensional vibration measurement system for modal analysis and structural health monitoring［C］.Proceedings of the IMACXXVII，Orlando，Florida USA，February 9－12，2009.

［14］ Ewins D J，Stanbridge A B，Dimaio D.Continuous-scanning LDV Full-Field measurement of vibration deflection shapes for modal analysis［C］.Proceedings of the IMAC-XXVII，Orlando，Florida USA，February 9－12，2009.

通信地址:西安市長安區(qū)15號信箱11分箱(710100)

電話:(029)85207148

E-mail:ys060599@126.com

(編輯:張宇平)

Application of 3-D Scanning Vibrometry Technique in Liquid Rocket Engine Modal Test

YAN Song，LI Bin，LI Bin-chao，LI Feng
(Science and Technology on Liquid Rocket Engines Laboratory，Xi’an Aerospace Propulsion Institute，Xi’an 710100，China)

There are some problems with the traditional modal test method by pasting vibration sensors，such as influences of additional sensor mass，low mode shape resolution，etc.In order to solve these problems，3-D scanning measuring technique based on laser Doppler vibrometry and robot platform are studied.Taking the case of liquid rocket engine(LRE)combustion chamber and oxidant entrance pipe，modal tests based on 3-D scanning measuring technique are carried out and high spatial resolution mode shapes are obtained.The effect of the additional mass of the sensors on the pipe modal test results is analyzed quantitatively.The results show that 3-D scanning measuring method has the advantage of high precision，fast test speed，and unlimited number of measuring points，etc.

3-D scanning;Laser Doppler vibrometry;Liquid rocket engine;Robot

V416.2

A

1000-1328(2017)01-0097-07

10.3873/j.issn.1000-1328.2017.01.013

閆 松(1988－)，男，博士生，主要從事液體火箭發(fā)動機結構動力學建模、模型修正及模態(tài)試驗研究。

2016-05-22;

2016-08-14