張 偉，由 于，徐 健

（中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西?西安?710065）

高低周復(fù)合載荷是廣泛存在于飛機(jī)機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片、渦輪葉片等結(jié)構(gòu)中的一種載荷形式，以往工程經(jīng)驗(yàn)表明，該復(fù)合載荷的聯(lián)合作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件的使用壽命大幅降低。目前，國內(nèi)外的學(xué)者針對(duì)這種高低周復(fù)合載荷，一般都是通過計(jì)算仿真，或者將高、低周載荷分別施加于結(jié)構(gòu)件上，通過累積損傷的方法來計(jì)算評(píng)估結(jié)構(gòu)件的壽命[1]。此種方法能夠在一定程度上模擬疲勞損傷，但對(duì)于兩種載荷的耦合響應(yīng)分析不足，無法最真實(shí)模擬在高低周復(fù)合載荷下，結(jié)構(gòu)件的損傷模式和壽命分析。同時(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的試驗(yàn)項(xiàng)目都要求在試驗(yàn)過程中模擬最真實(shí)的使用環(huán)境，對(duì)試驗(yàn)件同時(shí)施加幾種不同載荷，且要求同步協(xié)調(diào)加載或者異步加載。因此，研究一種高低周復(fù)合載荷的試驗(yàn)加載技術(shù)，顯得尤為重要。

1 試驗(yàn)加載控制需求

用于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)的加載設(shè)備一般多為液壓作動(dòng)缸、電磁振動(dòng)臺(tái)和激振器。液壓作動(dòng)缸常用于結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度試驗(yàn)中，試驗(yàn)頻率較低，一般不超過10 Hz，通過多點(diǎn)協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)多載荷的協(xié)調(diào)加載。電磁振動(dòng)臺(tái)多用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞試驗(yàn)中，加載頻率可高達(dá)上千赫茲，但推力較小，控制方式一般為加速度控制和位移控制，現(xiàn)有設(shè)備只能實(shí)現(xiàn)單一載荷加載。激振器是利用機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生激勵(lì)力，使被激物件獲得一定形式和大小的振動(dòng)量，從而對(duì)物體進(jìn)行振動(dòng)和強(qiáng)度試驗(yàn)，一般用于模態(tài)試驗(yàn)中[2]。

通過對(duì)高、低周復(fù)合載荷的特點(diǎn)進(jìn)行分析研究，結(jié)合現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備，發(fā)現(xiàn)高周載荷和低周載荷同步協(xié)調(diào)加載的難點(diǎn)在于2種試驗(yàn)載荷的加載方向和加載頻率。

（1）加載方向方面。液壓作動(dòng)缸通過協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)的控制，可以實(shí)現(xiàn)任意方向、多點(diǎn)載荷的施加，但無法滿足高周載荷的加載頻率要求。

（2）加載頻率方面。電磁振動(dòng)臺(tái)滿足高低周復(fù)合載荷的加載頻率要求，但無法實(shí)現(xiàn)2種正交載荷的同步加載。

因此，經(jīng)過分析研究，考慮采用不同設(shè)備分別施加高、低周循環(huán)載荷，2種設(shè)備之間通過同步設(shè)置，從而達(dá)到高低周復(fù)合載荷同步協(xié)調(diào)加載的目的。

2 解決方案

2.1 低周載荷加載控制

尾槳葉片在涵道內(nèi)以額定轉(zhuǎn)速5509 r/min高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的低周離心力載荷為8061.02 N；轉(zhuǎn)速變化的偏差為140 r/min，此偏差引起的低周離心力變化幅值為404.28 N；轉(zhuǎn)速的變化周期為0.2723 s，由周期與頻率的關(guān)系式（1）可以得出，低周循環(huán)載荷的加載頻率為3.67 Hz。

低周循環(huán)載荷的載荷譜如表1所示。

表1 ??低周循環(huán)載荷譜

其中，載荷中值為低周循環(huán)載荷的起始載荷，低周循環(huán)載荷在此中值的基礎(chǔ)上，以一定的載荷幅值進(jìn)行低周循環(huán)[3]。

低周循環(huán)載荷的加載頻率較低，僅為3.67 Hz，低于常規(guī)液壓作動(dòng)缸的加載頻率。因此，考慮采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度試驗(yàn)加載方法，進(jìn)行低周循環(huán)載荷的施加。使用MOOG協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)作為控制器，常規(guī)液壓作動(dòng)缸作為加載執(zhí)行機(jī)構(gòu)，力載荷傳感器作為反饋信號(hào)源，形成閉環(huán)控制，達(dá)到低周循環(huán)載荷的準(zhǔn)確施加。圖1為低周載荷加載控制示意圖，圖2為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)加載實(shí)物圖，圖3為調(diào)試結(jié)果。

圖1 ??低周循環(huán)載荷加載控制示意圖

圖2 ??試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)加載實(shí)物

圖3 ??低周循環(huán)載荷加載調(diào)試

調(diào)試結(jié)果表明，此方法能夠準(zhǔn)確將低周循環(huán)載荷施加至試驗(yàn)件上，加載過程平穩(wěn)，載荷加載準(zhǔn)確，控制精度滿足試驗(yàn)要求。

2.2 高周載荷加載控制

尾槳葉片在涵道內(nèi)以額定轉(zhuǎn)速5509 r/min 高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)受到來自于空氣的定常氣動(dòng)力。經(jīng)過計(jì)算，該氣動(dòng)力大小為99.11 N；同時(shí)由于涵道支撐定子的干涉作用，該氣動(dòng)力會(huì)產(chǎn)生一個(gè)周期性的變化，經(jīng)過計(jì)算，該力的變化幅值為16.84 N；額定轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的變化頻率為91.82 Hz。這一周期性變化的氣動(dòng)力即為高周循環(huán)載荷。高周循環(huán)載荷的載荷譜如表2所示。

表2 ??高周循環(huán)載荷譜

其中，載荷中值為高周循環(huán)載荷的起始載荷，高周循環(huán)載荷在此中值的基礎(chǔ)上，以一定的載荷幅值進(jìn)行高周循環(huán)。

高周循環(huán)載荷的加載頻率為91.82 Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了一般液壓作動(dòng)缸的加載頻率，因此無法使用液壓作動(dòng)缸加載這一方案。經(jīng)過研究分析，采取的試驗(yàn)方案為將力載荷經(jīng)過標(biāo)定后，轉(zhuǎn)化為位移量載荷，通過電磁振動(dòng)臺(tái)施加位移載荷，從而達(dá)到氣動(dòng)力載荷施加的目的。該技術(shù)方案不僅滿足氣動(dòng)載荷施加的頻率要求，而且解決了電磁振動(dòng)臺(tái)在施加力載荷時(shí)無法施加中值載荷的問題。振動(dòng)控制儀作為控制器，電磁振動(dòng)臺(tái)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加速度傳感器采集到的加速度信號(hào)經(jīng)過兩次積分，得到位移量，該位移量作為反饋，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)閉環(huán)控制。圖4為高周載荷加載示意圖，圖5為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)加載實(shí)物。

圖4 ??高周循環(huán)載荷加載控制示意圖

圖5 ??試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)加載實(shí)物

調(diào)試結(jié)果表明，此方法能夠?qū)⒏咧苎h(huán)載荷準(zhǔn)確施加至尾槳葉片上，加載過程平穩(wěn)可靠，加載精度滿足試驗(yàn)要求。

2.3 同步協(xié)調(diào)加載研究

兩種載荷的同步協(xié)調(diào)加載，利用兩種控制器所帶的相應(yīng)的輸入輸出接口，通過觸發(fā)的方式來實(shí)現(xiàn)，具體如圖6所示。

圖 6??同步連接圖

振動(dòng)控制儀的輔助輸出端在試驗(yàn)開始時(shí)，會(huì)輸出一個(gè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有同樣大小和頻率的電壓信號(hào)，此電壓信號(hào)可以作為高低電平觸發(fā)信號(hào)，提供給觸發(fā)繼電器。軟件設(shè)置如圖7所示。

圖7 ??同步信號(hào)輸出設(shè)置

高低電平觸發(fā)繼電器接收振動(dòng)控制儀輸出的高低電平信號(hào)，控制繼電器輸出端的通或斷；觸發(fā)方式可以通過跳線選擇高電平觸發(fā)或者低電平觸發(fā)，本試驗(yàn)采用高電平觸發(fā)。輸出接常閉端，吸合前與com端短接，吸合后懸空。

MOOG協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)的數(shù)字輸入端接收來自繼電器的通斷信號(hào)，在軟件中設(shè)置腳本程序，當(dāng)接收到信號(hào)后，執(zhí)行自動(dòng)啟動(dòng)試驗(yàn)的腳本文件，一個(gè)循環(huán)周期結(jié)束自動(dòng)停止。

在數(shù)字輸入端口di_3_1的屬性中，斷開動(dòng)作（Opening action）中選擇執(zhí)行動(dòng)作為腳本文件（Rtfe script），腳本文件名處（Opening script name）輸入要執(zhí)行的腳本文件：qd。打開腳本文件qd，進(jìn)入編輯頁面，輸入自動(dòng)啟動(dòng)試驗(yàn)加載的命令：Start，保存并退出。軟件的相關(guān)設(shè)置如圖8所示。

圖8 ??同步觸發(fā)動(dòng)作設(shè)置

通過測(cè)試，同步觸發(fā)的時(shí)間不超過0.3 s，證明該方法切實(shí)可行，可以實(shí)現(xiàn)兩種載荷的同步協(xié)調(diào)加載。

3 結(jié)????論

本文針對(duì)高低周復(fù)合載荷的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備的試驗(yàn)?zāi)芰?，提出了一種新的高低周復(fù)合載荷加載控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高低周復(fù)合載荷的同步協(xié)調(diào)加載。此試驗(yàn)技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）可實(shí)現(xiàn)高、低周循環(huán)載荷的單獨(dú)加載控制。

（2）可實(shí)現(xiàn)高、低周復(fù)合循環(huán)載荷的同步協(xié)調(diào)加載控制。

（3）高周、低周循環(huán)載荷的加載技術(shù)成熟，無技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

（4）利用現(xiàn)有設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)，無需增加額外的設(shè)備，減少試驗(yàn)成本。

（5）該試驗(yàn)方法對(duì)此類高低周復(fù)合載荷試驗(yàn)通用。