陶永強，關(guān)成啟，金亮，鄒學(xué)鋒，潘凱，李明軒

1. 北京空天技術(shù)研究所，北京 100074

2. 中國飛機強度研究所，西安 710065

噪聲載荷是有一定頻率特性的隨時間、空間分布的隨機壓力載荷，噪聲試驗是薄壁等結(jié)構(gòu)聲疲勞性能評估的關(guān)鍵一環(huán)[1]。隨著高超聲速飛行器的不斷發(fā)展及沖壓發(fā)動機的廣泛應(yīng)用，航空產(chǎn)品正面臨著越來越嚴酷的噪聲環(huán)境，艙內(nèi)設(shè)備所承受的噪聲聲壓可達160 dB，而沖壓發(fā)動機附近聲壓更可高達180 dB[2-3]。噪聲環(huán)境對飛行器帶來的危害將越來越難以忽視，越來越多的飛行器需要通過實驗室噪聲環(huán)境試驗來考核并提升其對噪聲環(huán)境的適應(yīng)能力[4]。

目前，對飛行器的噪聲環(huán)境模擬主要有行波管與混響室兩種試驗方式。就試驗聲場形式而言，混響室更貼合于艙內(nèi)設(shè)備所經(jīng)受的噪聲環(huán)境，行波管更適合于模擬外掛及蒙皮等所承受的噪聲環(huán)境。然而，混響室受限于其聲場產(chǎn)生方式，存在諸如低頻段簡正頻率不足、聲壓級起伏較大，特別是難以產(chǎn)生較高的聲壓級等問題，越來越無法滿足高超聲速飛行器航空產(chǎn)品噪聲試驗的需要。另一方面，行波管則具有頻譜相對均勻、易產(chǎn)生低頻聲場，結(jié)構(gòu)相對簡單，尤其是可以實現(xiàn)較高聲壓頻譜控制[5-6]。Bertin等[7]認為在相同聲譜下，混響室產(chǎn)生的漫射波更易于激發(fā)產(chǎn)品的高頻響應(yīng)；美國空軍懷特實驗室Lee[8]則指出聲頻率在大于產(chǎn)品一階固有頻率且小于數(shù)百赫茲的范圍內(nèi)時，行波管產(chǎn)生的自由行波更易于激發(fā)產(chǎn)品的響應(yīng)，而在更高的頻率范圍內(nèi)，兩種聲場的試驗效應(yīng)幾乎相同；劉澤鋒等[9]通過理論分析指出從產(chǎn)品響應(yīng)角度考慮，聲場直接激發(fā)的響應(yīng)通常比較小，主要是激發(fā)頻率范圍內(nèi)所有簡正頻率而引起產(chǎn)品響應(yīng)，因而不同聲場的影響較小。

目前國內(nèi)外較先進的行波管試驗設(shè)備可實現(xiàn)總聲壓172 dB以上的噪聲頻譜控制，但對于沖壓發(fā)動機附近的部件仍然無法實現(xiàn)噪聲環(huán)境的地面模擬，導(dǎo)致某些飛行器的地面試驗考核不充分，無法釋放飛行試驗風(fēng)險。本文研究內(nèi)容是在當(dāng)前國內(nèi)試驗條件無法滿足明確需求的背景下提出的，當(dāng)前國內(nèi)外相關(guān)飛行器均已經(jīng)提出了總聲壓級高達180 dB的聲疲勞試驗要求(如空軍懷特實驗室、蘭利中心等機構(gòu)[10]，國內(nèi)也已提出了175～182 dB的明確驗證要求)。事實上，無論是國內(nèi)還是國外，目前已經(jīng)具備的試驗?zāi)芰鶡o法滿足相關(guān)要求(聲壓級提高3 dB，所需要的聲源需提高1倍，成本呈指數(shù)級增長，且關(guān)鍵聲源受國外限制)，正是在這樣的背景下，國內(nèi)外均采用將有限能量集中在結(jié)構(gòu)主要響應(yīng)頻率帶寬內(nèi)，以便從響應(yīng)等效的角度有效大幅提升聲加載能力，如美國蘭利中心為了提高其熱聲試驗時聲載荷加載能力，采用窄帶隨機加載的方式[11-12]。國內(nèi)王琰等[13]在研究發(fā)動機轉(zhuǎn)子葉片聲振疲勞特性時采取了減少加載帶寬的方法提高結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。但遺憾的是，目前國內(nèi)外所開展的工作更多的是一種迫于無奈的工程處理方法，對于窄帶與寬帶加載之間到底存在哪些根本區(qū)別，以及如何進行帶寬選擇及其帶來的影響方面，系統(tǒng)開展的相關(guān)基礎(chǔ)研究工作并不多。

為了滿足飛行器驗證的迫切需求，進一步探索并給出高量級寬帶噪聲等效加載影響因素、基本原則和方法，本文以典型多層復(fù)合材料為研究對象，利用有限元軟件分析了多層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在不同帶寬載荷作用下的隨機響應(yīng)和聲疲勞壽命情況，在有限元響應(yīng)分析的基礎(chǔ)上，利用行波管對多層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)開展了寬帶、窄帶響應(yīng)特性噪聲試驗和疲勞性能試驗，獲得了結(jié)構(gòu)在寬帶、窄帶等不同加載帶寬下的壽命及失效模式，研究了等效效果，驗證了等效加載的合理性。

1 響應(yīng)特性的有限元分析

1.1 有限元模型

針對典型復(fù)合材料多層結(jié)構(gòu)采用商用有限元軟件完成了噪聲作用下的響應(yīng)特性研究。典型復(fù)合材料多層結(jié)構(gòu)如圖1所示，沿著厚度方向從下至上依次分別為鋁合金板、膠層、石英面板、氧化鋁氣凝膠、石英面板，其中金屬面板的尺寸為380 mm×380 mm，面板、膠層、氣凝膠的尺寸為300 mm×300 mm，金屬面板的厚度為3 mm，膠層的厚度為0.5 mm，下面板的厚度為0.5 mm，氣凝膠的厚度為27 mm，上面板的厚度為2 mm。金屬、膠層、面板的材料參數(shù)如表1所示，表中：E為彈性模量；μ為泊松比；ρ為密度。氣凝膠的材料參數(shù)如表2所示，表中：E1、E2、E3分別為x、y、z方向的彈性模量；G12、G23、G13分別為xOy、yOz、xOz面的剪切模量。

利用MSC. Patran建立有限元模型，有限元模型(FEM)如圖2所示，采用Hex8單元，短邊施加邊界條件約束6個方向的位移，典型復(fù)合材料多層結(jié)構(gòu)的上面板上施加噪聲壓力。

圖1 典型復(fù)合材料多層結(jié)構(gòu)

表1 金屬、膠層、面板材料參數(shù)

表2 氣凝膠材料參數(shù)

圖2 有限元模型

1.2 振動特性

通過MSC. Nastran分析得到結(jié)構(gòu)的固有頻率及振型，頻率如表3所示，振型如圖3所示。

表3 固有頻率

圖3 典型復(fù)合材料多層結(jié)構(gòu)振型示意圖

1.3 響應(yīng)特性

分別進行寬帶、窄帶響應(yīng)特性分析研究。寬帶采用國軍標GJB150.17A—2009中噪聲載荷譜，載荷譜圖形如圖4所示。采用模態(tài)法進行頻響分析，由于高頻的振動模態(tài)分布密集，受計算能力的限制，寬帶分析時無法對軍標中整個帶范圍進行分析，因此加載帶寬選取為1/3倍頻程中心頻率50～2 000 Hz，即加載頻率范圍為45～2 239 Hz。

典型復(fù)合材料多層結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性分析，首先加載單位載荷進行頻響分析，頻響分析得到整體典型復(fù)合材料多層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移最大點的頻響圖如圖5所示；然后開展隨機響應(yīng)分析，得到典型復(fù)合材料多層結(jié)構(gòu)及各部分的應(yīng)力、位移分布云圖如圖6和圖7所示。

圖4 GJB150.17A—2009噪聲載荷譜圖

從圖5可以看出，對典型復(fù)合材料多層結(jié)構(gòu)響應(yīng)貢獻最大的為一階頻率，其次四階、五階貢獻也較大，因此窄帶加載時，選取兩種加載帶寬，加載頻率范圍分別為45～447 Hz、178～800 Hz，隨機響應(yīng)分析時聲壓譜級同主要響應(yīng)頻率上的聲壓譜級。隨機響應(yīng)分析得到兩種不同加載帶寬情況下的應(yīng)力云圖如圖8和圖9所示。

圖5 寬帶頻響分析結(jié)果

圖6 典型復(fù)合材料多層結(jié)構(gòu)Von-Mises應(yīng)力云圖(加載頻率范圍45～2 239 Hz)

圖7 典型復(fù)合材料多層結(jié)構(gòu)z方向位移云圖(加載頻率范圍45～2 239 Hz)

圖8 典型復(fù)合材料多層結(jié)構(gòu)y方向應(yīng)力云圖(加載頻率范圍178～800 Hz)

圖9 典型復(fù)合材料多層結(jié)構(gòu)y方向應(yīng)力云圖(加載頻率范圍45～447 Hz)

從圖8和圖9中可以看出，兩種窄頻帶加載下整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大點在鋁板上，而其內(nèi)復(fù)合材料多層結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大點在膠層上，不同加載帶寬的應(yīng)力對比如表4所示。從表4中可以看出，根據(jù)典型復(fù)合材料多層結(jié)構(gòu)寬帶頻響分析結(jié)果選取合理的窄帶加載帶寬，窄帶各帶的載荷大小與寬帶相同的情況下，窄帶加載與寬帶加載的應(yīng)力差異很小。

表4 典型復(fù)合材料多層結(jié)構(gòu)在不同加載帶寬下的應(yīng)力大小對比

1.4 疲勞壽命

利用MSC.Fatigue對典型結(jié)構(gòu)件分別進行寬帶、窄帶加載下的聲疲勞壽命分析。典型結(jié)構(gòu)的聲疲勞壽命分析，首先需對加載單位載荷進行頻響分析，頻率范圍：45～11 230 Hz，其次，再對加載聲壓譜級為134.4 dB的載荷進行壽命分析，壽命分析時采用Dirlik方法，得到壽命的分布如圖10所示。

對典型結(jié)構(gòu)進行窄帶作用下的壽命分析，加載頻率范圍分別為45～112 Hz、45～152 Hz，壽命分析時采用Dirlik方法，得到壽命分布云圖如圖11所示。

圖10 寬帶加載聲疲勞壽命云圖

圖11 窄帶加載時壽命云圖

聲壓譜級相同的情況下，不同加載帶寬計算得到的壽命如表5所示。從表5可以看出，當(dāng)聲壓譜級相同時，窄帶加載時結(jié)構(gòu)的壽命大于寬帶加載，根據(jù)Dirlik方法中的疲勞壽命公式，當(dāng)?shù)刃?yīng)力Seq、材料參數(shù)b均相同時，影響壽命的唯一因素是單位時間內(nèi)的峰值數(shù)Fp，不規(guī)則因子為穿零數(shù)Fzc與單位時間內(nèi)峰值數(shù)Fp的比值，假設(shè)不論是寬帶加載還是窄帶加載的穿零數(shù)均等于結(jié)構(gòu)的一階頻率86 Hz，則得到不同加載帶寬對應(yīng)的單位時間內(nèi)峰值數(shù)Fp如表6所示。

表5 不同加載帶寬計算得到的壽命對比

表6 單位時間內(nèi)的峰值數(shù)

從表6可以看出，使用Dirlik方法計算壽命時，寬帶加載時的單位時間內(nèi)峰值數(shù)Fp大于窄帶加載時的峰值數(shù)，從而導(dǎo)致了寬帶加載時的壽命比窄帶加載的壽命短。

將窄帶加載時的聲壓譜級提高0.5 dB，即134.9 dB，計算得到兩種窄帶加載范圍的壽命如圖12所示，與寬帶加載的壽命對比如表7所示。從表7中可以看出，適當(dāng)?shù)奶岣哒瓗Ъ虞d時的聲壓譜級，可使窄帶加載時的壽命與寬帶加載時基本相同。

有限元響應(yīng)分析結(jié)果表明，根據(jù)寬帶頻響分析結(jié)果選取合適的窄帶加載帶寬，窄帶隨機響應(yīng)分析結(jié)果與寬帶隨機響應(yīng)分析結(jié)果相比差異較小，采用窄帶高量級加載方法是可行的，但是有限元分析的條件是理想狀態(tài)，實際試驗中采用窄帶加載提高噪聲量級的方法是否可行，還需進行響應(yīng)特性試驗研究和疲勞壽命試驗研究。

圖12 窄帶加載時壽命云圖(聲壓譜級為134.9 dB)

表7 不同加載帶寬計算得到的壽命對比(聲壓級提高0.5 dB)

2 響應(yīng)特性試驗

2.1 試驗件及支持

試驗件通過試驗夾具固定在行波管側(cè)壁位置，試驗件通過M8的螺栓與試驗夾具螺接，試驗夾具再與行波管螺接，使試驗件四邊固支在行波管的側(cè)壁位置，安裝后試驗件受聲面與行波管內(nèi)壁面齊平。試驗件安裝方式如圖13所示。

圖13 試驗件安裝照片

2.2 試驗載荷

在試驗件安裝狀態(tài)下，采用敲擊法進行模態(tài)測試，得到典型復(fù)合材料多層結(jié)構(gòu)在安裝條件下的振動特性，得到其一階共振頻率為227 Hz。

首先加載GJB150.17A—2009中的噪聲載荷譜進行寬帶響應(yīng)特性試驗，待聲場穩(wěn)定后進行應(yīng)變測試，對應(yīng)變數(shù)據(jù)進行分析，得到典型復(fù)合材料多層結(jié)構(gòu)在寬帶噪聲激勵下的響應(yīng)特性，根據(jù)響應(yīng)結(jié)果，選取窄帶加載帶寬，窄帶加載采用隨機平直譜，聲壓譜級與寬帶加載時主要響應(yīng)頻率上的聲壓譜級相同，將窄帶的響應(yīng)結(jié)果與寬帶的響應(yīng)結(jié)果對比，適當(dāng)調(diào)整窄帶加載時的聲壓譜級，以使窄帶加載的響應(yīng)與寬帶加載時的響應(yīng)基本一致。

2.3 試驗測量

試驗中對試件進行應(yīng)變測量，應(yīng)變測量點如圖14所示。

圖14 典型復(fù)合材料多層結(jié)構(gòu)應(yīng)變和位移測點

2.4 測試結(jié)果

用寬帶加載時的應(yīng)變除以窄帶加載時的應(yīng)變，結(jié)果如圖15和圖16所示。從圖中可以看出，當(dāng)窄帶加載時聲壓譜級與寬帶加載時結(jié)構(gòu)主要響應(yīng)頻率上的聲壓譜級相同，窄帶加載的響應(yīng)略小于寬帶加載；加載頻率范圍為123～403 Hz的結(jié)構(gòu)響應(yīng)略高于加載頻率范圍為125～325 Hz，但是相差不大；將加載頻率范圍為125～325 Hz的聲壓譜級提高1.5 dB，典型復(fù)合材料多層結(jié)構(gòu)大部分測點的響應(yīng)與寬帶加載時的響應(yīng)基本一致。

圖15 寬帶總聲壓級159.5 dB與各相關(guān)窄帶狀態(tài)的應(yīng)變比值

圖16 寬帶總聲壓級162 dB與各相關(guān)窄帶狀態(tài)的應(yīng)變比值

以典型復(fù)合材料多層結(jié)構(gòu)在寬帶總聲壓級156 dB及相關(guān)的窄帶加載狀態(tài)下的響應(yīng)為例進行分析，寬帶與窄帶加載時中心測點的位移和應(yīng)變幅值譜如圖17所示，幅值譜趨勢基本相同，但是寬帶加載時的一階的峰值高于窄帶加載，這是因為寬帶加載時，采用1/3倍頻程譜控制，正好在一階頻率附近的聲壓值遠高于窄帶加載時的聲壓。

頻率范圍為125～325 Hz的窄帶與寬帶時的響應(yīng)趨勢接近，數(shù)值略小于寬帶加載，而把聲壓譜級提高1.5 dB，頻率范圍為125～325 Hz的窄帶響應(yīng)值與寬帶加載時基本一致。寬帶總聲壓級為156 dB時，窄帶125～325 Hz的總聲壓級為150.4 dB，而與寬帶響應(yīng)基本一致時窄帶的總聲壓級為151.9 dB，即本次試驗所使用的典型復(fù)合材料多層結(jié)構(gòu)，響應(yīng)一致的情況下，寬帶比窄帶總聲壓級高4.1 dB，而本次試驗所使用的行波管，窄帶可達到166 dB，相當(dāng)于寬帶加載時總聲壓級170.1 dB。

圖17 應(yīng)變和位移幅值譜圖(寬帶總聲壓級156 dB及相關(guān)窄帶狀態(tài))

3 疲勞特性試驗

3.1 試驗件支持及載荷

疲勞壽命的多層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)共兩件，其中A-1試驗件用于寬帶加載時的疲勞試驗，A-2試驗件用于窄帶加載時的疲勞試驗件。試驗件支持條應(yīng)變測點等與響應(yīng)特性試驗相同，通過試驗夾具四邊固支在行波管側(cè)壁位置，安裝后試驗件受聲面與行波管內(nèi)壁面齊平，見圖13。根據(jù)響應(yīng)特性試驗分析，按照響應(yīng)一致的原則施加寬帶(156 dB)和窄帶噪聲載荷(125～325 Hz，151.9 dB)，見圖18。

圖18 A-1和A-2試驗體噪聲載荷譜

3.2 試驗結(jié)果

寬帶加載A-1試驗件在疲勞試驗進行15 h后，進行目視檢查，未發(fā)現(xiàn)可見裂紋，并用敲擊法得到試驗件的一階共振頻率；疲勞試驗進行28.5 h后，停機進行目視檢查，未發(fā)現(xiàn)可見裂紋，用敲擊法得到試驗件的一階共振頻率；試驗進行到40.5 h，對試驗件進行檢查，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的膠層與金屬界面有裂紋，并且下面板與膠層界面也有裂紋，上面板與氣凝膠界面也有裂紋，裂紋位置集中在試驗件的“后部”，寬帶加載試驗件破壞圖片見圖19。

圖19 A-1 試驗件破壞圖片

窄帶加載試驗件A-2在疲勞試驗進行28.5 h后，對試驗件進行目視檢查，在試驗件后部金屬與膠層界面多處出現(xiàn)裂紋，然后下面板與膠層界面出現(xiàn)裂紋；疲勞試驗34.5 h，對試驗件進行目視檢查，試驗件的“上部”以及“前部”的下面板與膠層界面的裂紋增長。窄帶加載試驗件疲勞試驗破壞圖片見圖20。

疲勞過程中兩個試驗件的頻率下降率如圖21所示。從圖21可以看出，2件試驗件在疲勞試驗前18 h頻率下降率差別不大，18 h時寬帶加載試驗件頻率下降6.5%，窄帶加載試驗件頻率下降6.2%，但是18 h以后，窄帶加載試驗件的頻率下降速度降低。窄帶加載試驗件在疲勞試驗進行28.5 h檢查時，在其下面板與膠層界面發(fā)現(xiàn)裂紋，可見窄帶加載試驗件在下面板與膠層界面的裂紋出現(xiàn)前，窄帶加載試驗件與寬帶加載試驗件的頻率下降率基本相同的，但是當(dāng)窄帶加載試驗件的下面板與膠層界面，出現(xiàn)裂紋后，窄帶加載試驗件的頻率下降變緩。

圖20 A-2 試驗件破壞圖片

圖21 頻率下降率

通過以上分析，可見對于整個復(fù)合材料多層結(jié)構(gòu)，無論是窄帶還是寬帶噪聲加載，膠層與金屬界面最先出現(xiàn)損傷，然后是復(fù)合材料多層結(jié)構(gòu)的下面板與膠層界面出現(xiàn)損傷，且出現(xiàn)損傷的時間基本一致。對于高超聲速飛行器而言，服役過程中結(jié)構(gòu)不允許出現(xiàn)損傷，而目前的疲勞試驗表明采用窄頻段高量級噪聲加載時，結(jié)構(gòu)的損傷位置和失效模式與寬帶加載時相同，因此可以認定窄頻段高量級等效加載方法可以替代寬帶加載。

4 結(jié) 論

1) 有限元分析表明聲壓譜級相同的情況下，寬帶與窄帶加載時結(jié)構(gòu)主要響應(yīng)模態(tài)和響應(yīng)基本相同，采用窄帶高量級噪聲加載技術(shù)來考核結(jié)構(gòu)的方法是可行的。

2) 分析發(fā)現(xiàn)窄帶加載下選取的帶寬越大，模擬寬帶噪聲加載的響應(yīng)的結(jié)果就會越近似，等效考核效果越好。

3) 兩種不同的加載方式，破壞的初始位置及破壞模式是相同的，典型多層結(jié)構(gòu)與金屬板界面最先出現(xiàn)損傷，然后是典型多層結(jié)構(gòu)內(nèi)的下面板與膠層界面出現(xiàn)損傷。

4) 根據(jù)寬帶響應(yīng)結(jié)果選取合適的加載帶寬，窄帶加載時聲壓譜級與寬帶加載時結(jié)構(gòu)主要響應(yīng)頻率上的聲壓譜級相同，窄帶加載時的響應(yīng)略小于寬帶加載，且適當(dāng)提高窄帶加載的載荷，可以使其響應(yīng)大小與寬帶加載時基本一致。

5) 在典型多層結(jié)構(gòu)的膠層與金屬界面、下面板與膠層界面出現(xiàn)裂紋為結(jié)構(gòu)失效的準則下，窄帶高量級噪聲加載方法可以代替寬帶加載。