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(1.中國(guó)人民解放軍 92578部隊(duì)，北京 100161；2.福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116)

0 引言

管路系統(tǒng)是艦艇內(nèi)部傳輸介質(zhì)的主要通道，同時(shí)也是振動(dòng)和噪聲的主要傳播途徑。如何有效控制管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲對(duì)提升艦艇聲隱身性能有著至關(guān)重要的意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)管路的減振設(shè)計(jì)開(kāi)展了廣泛且深入的研究。Fang和Lyons[1]在20世紀(jì)90年代發(fā)現(xiàn)在充液管路外表面包覆一層阻尼材料可以抑制管路的軸向振動(dòng)，能有效降低管路系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲輻射。劉帆等[2]以內(nèi)部設(shè)有管路的圓柱殼結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，在管路內(nèi)、外側(cè)敷設(shè)不同厚度的橡膠層，發(fā)現(xiàn)敷設(shè)的橡膠層厚度與圓柱殼結(jié)構(gòu)水下減振降噪效果密切相關(guān)。尹志勇等[3]在艦船管道外表面不同位置敷設(shè)不同面積的粘彈性阻尼，并在室溫下對(duì)各種情況下的減振效果進(jìn)行了評(píng)估研究。卜崢嶸等[4]對(duì)高溫高壓蒸汽管道的振動(dòng)特性進(jìn)行分析，給出在保證管系應(yīng)力合格的前提下加裝減振裝置的治理方案。已有的研究主要集中在常溫下管路的減振設(shè)計(jì)，對(duì)溫度因素考慮較少。

在高溫管路減振試驗(yàn)方面，主要技術(shù)途徑為：管路內(nèi)加熱和管路外加熱[5]。肖坤等[6]針對(duì)高溫管路減振難題提出金屬橡膠包覆阻尼結(jié)構(gòu)，并通過(guò)高溫蒸汽發(fā)生裝置產(chǎn)生高溫蒸汽對(duì)管路進(jìn)行內(nèi)加熱，但由于管路表面散熱面積較大，其最高試驗(yàn)溫度僅為100 ℃，無(wú)法有效驗(yàn)證其機(jī)構(gòu)在高溫下的減振性能。采用石英燈進(jìn)行輻射加熱是一種可適應(yīng)結(jié)構(gòu)形狀的高效加熱方式。NASA dryden研究中心就與美國(guó)空軍展開(kāi)合作，對(duì)YF-12整機(jī)開(kāi)展了上千攝氏度級(jí)別的結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)研究，為了達(dá)到目標(biāo)溫度，試驗(yàn)中總共應(yīng)用了15 870支石英燈[7]。彭富豪等[8]設(shè)計(jì)了用于平板結(jié)構(gòu)的熱振耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，并完成板狀結(jié)構(gòu)的減振試驗(yàn)。Ding等[9]針對(duì)設(shè)備基座的復(fù)雜結(jié)構(gòu)研制一套熱振聯(lián)合試驗(yàn)系統(tǒng)，并完成設(shè)備基座的高溫振動(dòng)試驗(yàn)(300 ℃)。衛(wèi)國(guó)等[5]針對(duì)的管路的高溫試驗(yàn)同樣設(shè)計(jì)了平板狀石英燈陣加熱裝置，無(wú)法保證管路的受熱均勻性。

雖然現(xiàn)有技術(shù)可實(shí)現(xiàn)管路的高溫振動(dòng)試驗(yàn)，但其無(wú)法確保結(jié)構(gòu)的受熱均勻性，且高溫環(huán)境無(wú)法準(zhǔn)確模擬。本文將針對(duì)管路系統(tǒng)的特殊結(jié)構(gòu)形式，以石英燈為熱源、搭建弧形加熱工裝，采用LabVIEW進(jìn)行精確溫控，實(shí)現(xiàn)管路系統(tǒng)的高溫振動(dòng)耦合試驗(yàn)，為高溫管路的減振設(shè)計(jì)提供有效的驗(yàn)證途徑。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

試驗(yàn)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包括兩部分：熱環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)和振動(dòng)激勵(lì)試驗(yàn)系統(tǒng)。熱環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)精確生成管路振動(dòng)試驗(yàn)需要的高溫環(huán)境，振動(dòng)激勵(lì)試驗(yàn)系統(tǒng)模擬管路所受的外部載荷并采集管路的振動(dòng)響應(yīng)，兩個(gè)系統(tǒng)共同作用從而實(shí)現(xiàn)不同溫度下管路系統(tǒng)的振動(dòng)特性試驗(yàn)。

圖1 高溫管路熱振耦合試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

以高溫管路減振吊架為例，目標(biāo)管路兩端通過(guò)管路吊架固定在安裝基座上面。兩個(gè)基座再通過(guò)T型螺栓緊固在兩個(gè)T型槽重載鑄鐵平臺(tái)上，形成固定約束邊界條件。在管路中點(diǎn)正下方為一臺(tái)安裝于升降臺(tái)上的電磁激振器，電磁激振器可以通過(guò)升降臺(tái)來(lái)調(diào)節(jié)所處高度，從而改變激振桿與管路之間的預(yù)緊力。在管路中點(diǎn)正上方安裝一個(gè)加速度傳感器以測(cè)量此處的加速度信號(hào)。由于管路系統(tǒng)左右兩端呈中心對(duì)形式，考慮試驗(yàn)成本和試驗(yàn)操作簡(jiǎn)便性，僅在管路一端吊架處安裝石英燈加熱器，以模擬實(shí)際振動(dòng)工況中的高溫環(huán)境。管路吊架以螺紋連接的方式安裝有溫度傳感器，其電阻值將隨著溫度改變而改變，溫度變送器對(duì)該信號(hào)進(jìn)行調(diào)理并將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路放大后傳遞給NI-DAQ多功能數(shù)據(jù)采集卡，NI采集卡將收到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳遞給上位機(jī)，操作人員可在電腦上經(jīng)LabVIEW程序處理后給予NI采集卡相關(guān)指令，NI采集卡通過(guò)控制固態(tài)繼電器的通斷電狀態(tài)來(lái)調(diào)節(jié)石英燈加熱器的通電狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)管路的加熱與保溫工作。

2 熱環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

高溫環(huán)境生成與控制主要由自制的石英燈加熱系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示，該加熱系統(tǒng)由12根長(zhǎng)600 mm，管徑15 mm的石英燈作為輻射熱源，每根石英燈額定功率為1 500 W，以并聯(lián)方式安裝在石英燈固定板上。石英燈固定板的材質(zhì)為可以承受1 300 ℃高溫的310S不銹鋼。為降低石英燈加熱系統(tǒng)對(duì)周邊環(huán)境的加熱導(dǎo)致人員健康損傷和設(shè)備損害，同時(shí)更好地利用石英燈熱源對(duì)工裝進(jìn)行加熱，對(duì)石英燈固定板的表面進(jìn)行拋光處理，以利于反射石英燈光線。另一個(gè)方面，在石英燈固定板和金屬隔熱板中間填充一層硅酸鋁隔熱層，以起到更好的保溫隔熱作用。石英燈加熱器通過(guò)加熱器支架安裝在底部鑄鐵平臺(tái)上，保持石英燈與管路的相對(duì)位置。

圖2 石英燈加熱器

所用石英燈的燈絲為碳纖維單螺旋結(jié)構(gòu)，其由碳纖維發(fā)熱體繞制而成，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 石英加熱管

根據(jù)實(shí)際參數(shù)，利用有限元方法(ANSYS, Transient Thermal)對(duì)加熱裝置進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，確保管路能可靠地加熱到目標(biāo)溫度，并進(jìn)行有效的結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整，使管路能充分被加熱，減少電能損耗。采用文獻(xiàn)[9]和[10]提出的石英燈加熱模型，可將12根石英燈管簡(jiǎn)化為等體積的圓柱體，其體積熱流為21 220.66 kW/m2。石英燈加熱系統(tǒng)中所用的材料主要包括310S不銹鋼，石英，304不銹鋼，硅酸鋁纖維，它們的熱物理性如表1所示。另外石英和不銹鋼的發(fā)射率分別為0.9和0.8，其余材料吸收率均設(shè)為0.8。

為了模擬周圍空氣與各部件自然對(duì)流，給模型各部件表面施加對(duì)流換熱系數(shù)，其中不銹鋼隔熱板外側(cè)及管路表面對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)為15 W/(m2·K)，石英燈陣固定板內(nèi)側(cè)和吊架表面對(duì)流換熱系數(shù)均設(shè)為8 W/(m2·K)。

表1 石英燈加熱系統(tǒng)各材料的熱物理性

由瞬態(tài)熱分析得到加熱器模型溫度分布及吊架溫度分布如圖4所示。由圖4可知，石英燈固定板內(nèi)側(cè)表面出現(xiàn)最高溫度，其值為1 221.4 ℃，低于310S不銹鋼材料的熔點(diǎn)溫度(1 300 ℃)。吊架最高溫度出現(xiàn)在外環(huán)上，其值為928.38 ℃，低于304不銹鋼材料的熔點(diǎn)溫度(1 398 ℃)。由于吊架內(nèi)環(huán)處要安裝金屬橡膠，此區(qū)域要作為重要考察對(duì)象，而此處大部分區(qū)域的溫度都保持在500 ℃左右，且溫度分布較為均勻，滿足試驗(yàn)要求。

圖4 瞬態(tài)熱分析溫度分布

在上位機(jī)利用LabVIEW進(jìn)行溫度控制程序的編制與調(diào)試，溫度控制程序流程圖如圖5所示。溫度控制原理為：采集目標(biāo)區(qū)域的溫度并判斷實(shí)際溫度與目標(biāo)溫度的偏離程度，若實(shí)際溫度未達(dá)到目標(biāo)溫度值的下限則控制石英燈陣進(jìn)行滿功率輻射加熱；若實(shí)際溫度已超過(guò)目標(biāo)溫度值的上限則停止石英燈陣的加熱控制；若實(shí)際溫度介于目標(biāo)溫度的上下限之間則控制石英燈陣處于半功率(半負(fù)荷)輻射加熱。

圖5 LabVIEW溫度控制流程圖

為了驗(yàn)證瞬態(tài)熱分析的正確性，控制石英燈加熱器將吊架直接加熱到500 ℃，測(cè)溫點(diǎn)選取在吊架下方兩螺栓中間處，將實(shí)際溫升曲線與有限元仿真溫升曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，在吊架開(kāi)始升溫時(shí)，由于燈管通電時(shí)間較短，熱源自身存在升溫的過(guò)程，這使得吊架實(shí)際溫度比仿真溫度低2～3 ℃。在40～65 ℃溫度范圍內(nèi)，實(shí)際溫升曲線與仿真溫升曲線重合程度較高。當(dāng)溫度高于70 ℃時(shí)，由于實(shí)際試驗(yàn)中熱流損耗大于仿真中的理想情況(即對(duì)流系數(shù)不變)，使得實(shí)際溫度總是比仿真溫度低5～7 ℃。當(dāng)溫度達(dá)到500 ℃時(shí)，上位機(jī)開(kāi)始控制燈管通斷電，使實(shí)際溫度保持在500 ℃左右，而仿真溫度由于熱源恒定，溫度還會(huì)再上升一點(diǎn)。

圖6 實(shí)際與仿真溫升對(duì)比曲線

3 振動(dòng)激勵(lì)試驗(yàn)系統(tǒng)

如圖1上側(cè)所示，振動(dòng)激勵(lì)試驗(yàn)系統(tǒng)所用設(shè)備包括：數(shù)據(jù)采集器，電磁激振器，功率放大器，壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器，IEPE加速度傳感器，具體參數(shù)如表2所示。

表2 振動(dòng)激勵(lì)試驗(yàn)系統(tǒng)主要設(shè)備

當(dāng)振動(dòng)激勵(lì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，上位機(jī)通過(guò)VT-9002的信號(hào)輸出通道將正弦掃頻信號(hào)輸出至功率放大器進(jìn)行放大以驅(qū)動(dòng)電磁激振器對(duì)管路目標(biāo)激振部位施加期望的外部激勵(lì)。安裝在激振器與激振桿之間的動(dòng)態(tài)力傳感器可實(shí)時(shí)測(cè)量激振器所輸出的動(dòng)態(tài)力信號(hào)，并輸入到數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行激振力的反饋控制。將IEPE壓電式加速度傳感器安裝在目標(biāo)測(cè)點(diǎn)可實(shí)時(shí)測(cè)量管路的振動(dòng)響應(yīng)，并由VT-9002的輸入通道實(shí)時(shí)采集。

4 高溫管路熱振耦合試驗(yàn)

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的管路減振試驗(yàn)系統(tǒng)的可行性，搭建了高溫管路熱振耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖7所示。將一根外徑108 mm,內(nèi)徑100 mm的304不銹鋼管分別經(jīng)剛性吊架和阻尼吊架安裝在試驗(yàn)系統(tǒng)中。分別對(duì)剛性連接管路及阻尼吊架連接管路進(jìn)行5～300 Hz頻率范圍內(nèi)的正弦掃頻激勵(lì)試驗(yàn)，設(shè)置試驗(yàn)溫度分別為20 ℃、100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃。采集各傳感器在不同溫度條件下的響應(yīng)信號(hào)，對(duì)比不同溫度下阻尼吊架對(duì)管路振動(dòng)響應(yīng)特性的影響。

圖7 高溫管路熱振耦合試驗(yàn)系統(tǒng)

考慮工程實(shí)際中低階固有頻率所攜帶的能量占比較高，其對(duì)管路系統(tǒng)的影響遠(yuǎn)大于高頻共振。為了使高溫管路振動(dòng)試驗(yàn)符合工程實(shí)際并縮短試驗(yàn)時(shí)間，下面將重點(diǎn)考察管路系統(tǒng)的一階模態(tài)。利用安裝基座上的加速度響應(yīng)測(cè)點(diǎn)采集的振動(dòng)加速度響應(yīng)信號(hào)和電磁激振器激勵(lì)管路的激振力可獲得管路的振動(dòng)加速度導(dǎo)納Z(振動(dòng)加速度基準(zhǔn)值為10-6m/s2)。

(1)

式中，a為安裝基座測(cè)點(diǎn)布置的加速度響應(yīng)，F(xiàn)為激振點(diǎn)輸入力。

高溫管路熱振耦合試驗(yàn)結(jié)果如圖8～9和表3所示，其中剛性吊架管路的四階模態(tài)對(duì)應(yīng)阻尼吊架管路的三階模態(tài)。

圖8 剛性吊架管路加速度阻抗曲線

圖9 阻尼吊架管路加速度導(dǎo)納曲線

由圖8和圖9可知，溫度對(duì)剛性吊架管路和阻尼吊架管路的振動(dòng)響應(yīng)都有一定的影響。溫度越高，管路系統(tǒng)各階模態(tài)的共振頻率都隨之減小，且振動(dòng)加速度導(dǎo)納整體呈下降趨勢(shì)。

由表3可知，隨著溫度升高，一階模態(tài)處的插入損失逐漸升高，500 ℃下的插入損失與常溫下的插入損失之間的差值為1.219 94 dB。二階模態(tài)和三階模態(tài)處的插入損失隨溫度升高其值出現(xiàn)波動(dòng)，不再單調(diào)遞增，不同溫度下的插入損失最大差值分別為1.318 63 dB和0.644 79 dB。

表3 不同溫度條件下各階模態(tài)下的插入損失(dB)

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)船舶高溫管路減振試驗(yàn)難題，以石英燈陣為輻射熱源，設(shè)計(jì)了高溫管路熱振耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，同時(shí)基于LabVIEW開(kāi)發(fā)了石英燈陣溫控程序，通過(guò)有限元分析與實(shí)際加熱測(cè)試驗(yàn)證了所研制的溫度加載模塊能滿足不同溫度的加熱需求，最后通過(guò)剛性吊架高溫管路與阻尼吊架高溫管路的對(duì)比試驗(yàn)表明所研制的試驗(yàn)系統(tǒng)可用于不同溫度背景下的管路減振試驗(yàn)驗(yàn)證。