張佳斌

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

飛行器在高速飛行過(guò)程中，其表面承受著嚴(yán)酷的氣動(dòng)力、熱以及振動(dòng)等多場(chǎng)耦合的情況。地面結(jié)構(gòu)熱強(qiáng)度試驗(yàn)是在地面上進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)模擬飛行器在飛行過(guò)程所遇到的各種復(fù)雜的氣動(dòng)載荷，通常按照飛行曲線進(jìn)行模擬。其中，在模擬氣動(dòng)力時(shí)，由于飛行器的結(jié)構(gòu)形狀、飛行工況的不同，點(diǎn)載荷等效比較困難或者難以達(dá)到加載的要求。針對(duì)這種情況，通常采用充壓的形式進(jìn)行均布力載荷的施加，模擬飛行器在飛行過(guò)程中的受力情況。同時(shí)，由于飛行器在飛行過(guò)程中受到氣動(dòng)熱的影響，為了真實(shí)地模擬其在飛行過(guò)程中結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度等性能，需要進(jìn)行熱-壓耦合試驗(yàn)。

熱-壓耦合試驗(yàn)就是通過(guò)在試驗(yàn)件受載結(jié)構(gòu)或者承載面上施加壓力載荷和熱載荷來(lái)模擬飛行器在飛行過(guò)程中所受到的力熱耦合的載荷。在一些典型熱試驗(yàn)中，根據(jù)試驗(yàn)條件往往需要同時(shí)模擬不同梯度情況下的溫度和載荷的組合，需要多參量同步按照飛行時(shí)序進(jìn)行協(xié)調(diào)加載，真實(shí)地模擬飛行時(shí)結(jié)構(gòu)的溫度、應(yīng)力和變形狀態(tài)[1]。

2 壓力加載形式

壓力試驗(yàn)是通過(guò)對(duì)承載面施加壓力的方式進(jìn)行加載,通常以壓縮氣體、水、油等為介質(zhì)，作用于密閉或封閉空間內(nèi)進(jìn)行壓力載荷的施加。根據(jù)對(duì)試驗(yàn)件的內(nèi)部與外部充壓可分為外壓試驗(yàn)和內(nèi)壓試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)件狀態(tài)以及加載要求可分為自密封和加載囊兩種形式。

2.1 自密封形式

自密封形式通常是在試驗(yàn)件內(nèi)部進(jìn)行的，利用試驗(yàn)件自身結(jié)構(gòu)并設(shè)計(jì)相關(guān)的密封擋板和充壓所使用的進(jìn)出口，如圖1所示，在艙段試驗(yàn)中通過(guò)在加載框設(shè)計(jì)密封槽用于密封，并在擋板上設(shè)計(jì)用于充壓和排壓的接口[2]。

圖1 自密封壓力試驗(yàn)

2.2 加載囊

加載囊采用可塑性較強(qiáng)的橡膠制作而成，將其與試驗(yàn)件的接觸面設(shè)計(jì)成與試驗(yàn)件加載面隨形結(jié)構(gòu)，兩者在試驗(yàn)過(guò)程中完全貼合。在進(jìn)行外部充壓試驗(yàn)時(shí)，設(shè)計(jì)約束工裝，用來(lái)在加載過(guò)程中約束加載囊的變形，使其壓力可以傳遞到試驗(yàn)件表面。對(duì)于內(nèi)部充壓時(shí)，往往通過(guò)試驗(yàn)件作為約束加載囊，實(shí)施有效壓力的加載。對(duì)于多個(gè)壓力加載區(qū)，可通過(guò)在分區(qū)之間設(shè)置隔斷來(lái)達(dá)到分區(qū)加載的目的。圖2所示為加載囊和其約束工裝，加載囊上設(shè)計(jì)用于充壓和排壓的壓力控制口，以及用于顯示觀察的壓力表接口。

圖2 加載囊和約束工裝

3 加熱方式

結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)中，通常采用傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射等3種基本方式對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加熱，包括以石英燈/石墨為代表的輻射加熱、以電阻絲為代表的接觸加熱和以高溫空氣/燃?xì)鉃榇淼膶?duì)流加熱。本文討論的熱-壓耦合試驗(yàn)采用輻射加熱和傳導(dǎo)加熱兩種形式。

3.1 輻射加熱

石英燈是結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)中輻射加熱的典型代表，其采用鎢絲螺旋結(jié)構(gòu)并密封于石英玻璃管中，管內(nèi)充有惰性氣體，防止鎢絲升華使石英玻璃變黑，影響玻璃的透光性。石英燈在通電后，燈絲溫度快速升高，通常達(dá)2000℃以上，最高可達(dá)3200℃。因其尺寸小、功率大、熱效率高、熱慣性小等優(yōu)點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)熱強(qiáng)度試驗(yàn)中廣泛使用。加熱器一般采用圖3所示的形式，石英燈固定于銅質(zhì)水冷導(dǎo)流條上，內(nèi)部做成空腔通水冷卻，導(dǎo)流條上設(shè)計(jì)電極，用于石英燈通電。

圖3 石英燈加熱器模型

進(jìn)行加熱器設(shè)計(jì)時(shí)，采用式(1)估算加熱器輸出功率，根據(jù)試驗(yàn)需要的功率密度進(jìn)行石英燈規(guī)格和排列方式的選擇。

P=q/η

(1)

式中，P為加熱器單位面積輸出功率，kW/m2；q為結(jié)構(gòu)表面吸收的熱流密度，kW/m2；η為加熱器熱效率。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，加熱器熱效率一般可取40%-50%。

根據(jù)溫升要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)表面吸收的熱流密度的估算。

q=cρδ(dT/dt)

(2)

式中，c為試件的比熱容，J/(kg·℃)；ρ為材料密度，kg/m3；δ為試件厚度，m；dT/dt為試件表面溫升速率，℃/s。

考慮結(jié)構(gòu)高溫存在熱損失的影響，其主要為熱輻射損失，可采用斯蒂芬-玻爾茲曼黑體定律，即：

(3)

式中，qs為試件的熱損失，kW/m2；ε為試件表面黑度系數(shù)，一般取0.85；σ為斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)，取5.67×10-11kW/(m2K4)；Tw為試件表面的熱力學(xué)溫度，K。

結(jié)合式(2)、式(3)可預(yù)估加熱時(shí)試件表面的熱流密度，根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定加熱器的加熱功率，得到石英燈加熱器的設(shè)計(jì)規(guī)格。石英燈加熱一般采用控制器，通過(guò)調(diào)節(jié)石英燈兩端的電壓控制石英燈功率輸出，以滿足不同的功率需求。

3.2 熱傳導(dǎo)加熱

熱傳導(dǎo)加熱是發(fā)熱體與試件相接觸，通過(guò)表面之間的熱傳導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)加熱。常采用的加熱元件為鎳鎘電熱絲，通過(guò)柔性高硅氧布或者陶瓷套管進(jìn)行絕緣和密布編制。圖4所示為常用加熱帶，加熱帶通過(guò)給電極通電進(jìn)行加熱，正常情況下工作溫度可達(dá)1100℃。電熱絲加熱由于其熱慣性較大，同時(shí)由于接觸熱阻的存在，熱交換效率較低，多用于恒溫控制。

圖4 高硅氧布和陶瓷加熱帶

熱傳導(dǎo)加熱最大的優(yōu)勢(shì)是可以把均布的力學(xué)載荷施加到加熱帶上，通過(guò)加熱帶傳遞力學(xué)載荷，而不影響其加熱效果。加熱帶一般用于恒溫加熱試驗(yàn)，通過(guò)控制固態(tài)繼電器的開斷達(dá)到控溫的目的。

4 壓力控制方式

結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)中，試驗(yàn)壓力通常在1.0MPa以內(nèi)，采用電磁閥和比例閥作為執(zhí)行元件來(lái)進(jìn)行壓力控制，可以滿足試驗(yàn)條件。圖5所示為壓力試驗(yàn)控制示意圖，壓力源通常采用空壓站提供的氣壓或者由柱塞式壓力泵提供，可提供壓力范圍為0.8MPa～1.0MPa。試驗(yàn)時(shí)，控制器通過(guò)壓力變送器進(jìn)行壓力值的采集，并與命令值進(jìn)行比較，通過(guò)相應(yīng)的算法對(duì)充壓閥和排壓閥進(jìn)行控制，完成對(duì)試驗(yàn)件所需壓力的調(diào)節(jié)。

圖5 壓力試驗(yàn)控制示意圖

4.1 電磁閥控制

電磁閥是利用電磁線圈通電后產(chǎn)生磁力吸引克服彈簧的壓力帶動(dòng)閥芯動(dòng)作，可實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能，可作為用來(lái)控制流體的自動(dòng)化基礎(chǔ)元件，控制液體、氣體等，通過(guò)控制開斷來(lái)調(diào)整介質(zhì)流通，達(dá)到控制壓力的目的。

電磁閥控制壓力通常采用一對(duì)電磁閥來(lái)完成，一個(gè)控制充壓(DO1)，一個(gè)控制排壓(DO2)。根據(jù)實(shí)際情況，電磁閥可以選擇常開閥或者常閉閥。本文中的控制方式所依據(jù)的電磁閥為常閉閥，其控制邏輯如圖6所示。

圖6 電磁閥控制邏輯

設(shè)置電磁控制的誤差帶，其值分別為E1、E2、E3和E4。

Error=Command-Feedback

上式中，Error為誤差；Command為命令值；Feedback為反饋值。

故E1、E2為小于0的數(shù)，E3、E4為大于0的數(shù)。

從圖中的控制邏輯可知，對(duì)于充壓電磁閥來(lái)講：

對(duì)于排壓電磁閥來(lái)講：

控制器通過(guò)誤差來(lái)判斷充壓和排壓電磁閥的通斷，實(shí)時(shí)控制試驗(yàn)所需的壓力，實(shí)現(xiàn)恒壓或者按壓力時(shí)間曲線進(jìn)行加載。

4.2 電磁比例閥控制

電磁比例閥是一種通過(guò)控制電磁力來(lái)調(diào)節(jié)薄膜開口大小的執(zhí)行元件，相較于電磁閥的開斷，其可以通過(guò)調(diào)節(jié)閥開度的大小來(lái)完成更為精準(zhǔn)的加載[3]。采用經(jīng)典PID對(duì)電磁比例閥進(jìn)行控制，其算法為：

式中，e(t)為誤差；kp、ki、kd為比例、積分和微分參數(shù)。

為了滿足加載速率較高的試驗(yàn)需求，采用前饋補(bǔ)償PID控制算法，圖7所示為控制算法框圖。

圖7 帶前饋補(bǔ)償?shù)腜ID

控制算法可表示為：

式中，F(xiàn)為前饋參數(shù)；R為期望值。

前饋補(bǔ)償算法可有效提高加載速率，其參數(shù)的選擇一般可依據(jù)當(dāng)前加載速率需要打開閥開度的50%～70%進(jìn)行預(yù)估，可以有效增加系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小超調(diào)量。

4.3 電液伺服閥控制

電液伺服閥是電液伺服控制中的關(guān)鍵元件，是一種通過(guò)接受模擬電信號(hào)后相應(yīng)輸出調(diào)制的流量和壓力的液壓控制閥，其具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制精度高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，通常使用在液壓作動(dòng)缸上，用來(lái)控制液壓缸的收放進(jìn)行加載控制。

圖8所示為由電液伺服閥和保護(hù)電磁閥組成的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，其中2為電磁閥，3為單向節(jié)流閥，4為方向閥，5為液控閥，6為伺服閥，A和B為充壓口。當(dāng)2打開時(shí)，3、4鎖死，油路打通可以工作，伺服閥通過(guò)控制信號(hào)作用，來(lái)控制滑塊位置。當(dāng)A與高壓油路P導(dǎo)通時(shí)，則B與回油T導(dǎo)通，此時(shí)A中充壓；當(dāng)A與回油T導(dǎo)通時(shí)，則B與高壓油路P導(dǎo)通，此時(shí)B中充壓。分析原理可知，當(dāng)用伺服閥進(jìn)行充壓時(shí)，需要堵塞A、B其中之一。電液伺服閥由于其工作壓力往往在21MPa，可用于結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)中的超高壓試驗(yàn)，控制精度較高。

圖8 電液伺服閥結(jié)構(gòu)

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)采用MTS協(xié)調(diào)加載控制器進(jìn)行，該控制器主要用于液壓伺服加載，通過(guò)計(jì)算通道、加熱輸出限幅，并結(jié)合熱試驗(yàn)的特點(diǎn)進(jìn)行二次開發(fā)，可進(jìn)行熱-壓試驗(yàn)。

在某項(xiàng)試驗(yàn)中，利用加載囊和高硅氧布加熱帶的形式進(jìn)行加載和加熱，采用電磁閥和固態(tài)繼電器作為控制執(zhí)行器，溫度保持100℃，壓力載荷采用分級(jí)加載方式進(jìn)行，其控制曲線如圖9所示。在加載過(guò)程中，由于采用誤差帶控制形式，反饋值出現(xiàn)了類似于鋸齒狀形式，曲線跟隨性很好，反饋值波動(dòng)較明顯。

圖9 電磁閥控制曲線

以石英燈加熱和電磁比例閥為執(zhí)行器的試驗(yàn)，采用PID控制方式，根據(jù)實(shí)時(shí)誤差進(jìn)行計(jì)算，精確控制輸出的大小，實(shí)時(shí)調(diào)整，控制精度高，曲線跟隨性好，可有效消除其穩(wěn)態(tài)誤差；以電液伺服閥為執(zhí)行器，由于其可在較高壓力下工作，對(duì)于超高壓試驗(yàn)具有良好的控制效果，控制曲線如圖10所示。

對(duì)比采用不同的執(zhí)行元件進(jìn)行的試驗(yàn)，從結(jié)果分析可以看出：

(1)采用電磁閥作為執(zhí)行器的控制曲線雖然可以滿足試驗(yàn)要求，但其波動(dòng)較大，電磁閥控制的特性決定了其難以消除靜態(tài)誤差。

(2)采用比例閥作為執(zhí)行器的控制曲線較為光滑，控制精度較高。采用電液伺服閥可以控制較高的壓力，但其對(duì)油液的潔凈度要求較高。

(a)電磁比例閥曲線

(b)電液伺服閥曲線圖10 電磁比例閥和電液伺服閥控制曲線

(3)加熱方式的選擇可提高溫度的控制精度；石英燈加熱方式相比于使用固態(tài)繼電器的接觸加熱來(lái)說(shuō)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高。

(4)相比較不同的執(zhí)行器，電磁閥的價(jià)格較低，控制算法簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)較易；電磁比例閥和電液伺服閥價(jià)格較高，控制算法復(fù)雜，但控制精度高。

6 總 結(jié)

本文討論了結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)中熱-壓耦合試驗(yàn)常用的加載方法，討論了不同的加熱加載設(shè)計(jì)思路，結(jié)合不同的執(zhí)行元件在熱-壓耦合試驗(yàn)中的基本控制原理，分析了各自的控制算法，結(jié)合試驗(yàn)對(duì)比了各種控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)，為試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持。