鄧 杰，王洪磊

(海軍駐某廠軍事代表室，廣西 梧州 543004)

0 引言

簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗能夠通過理論計(jì)算獲取，但對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗通常采用試驗(yàn)的方法來測(cè)定。目前常見的阻抗測(cè)試方法主要是借助于阻抗平臺(tái)，采用堵塞法獲取阻抗數(shù)據(jù)。球形撓性接管是目前艦船上常用的撓性接管[1]，它的管體呈球形結(jié)構(gòu)，具有良好的減振性能和較大的位移補(bǔ)償能力。由于球形撓性接管的幾何結(jié)構(gòu)和材料的本構(gòu)關(guān)系比較特殊，其機(jī)械阻抗難以直接用解析法精確計(jì)算得到，在工程應(yīng)用當(dāng)中主要靠試驗(yàn)來測(cè)定，所以，設(shè)計(jì)一種試驗(yàn)方案準(zhǔn)確測(cè)定球形撓性接管的機(jī)械阻抗，探究其在不同工況下的變化規(guī)律，具有重要的意義。本文對(duì)球形撓性接管的機(jī)械阻抗測(cè)試方法進(jìn)行了研究，由此獲知球形撓性接管的固有頻率，預(yù)測(cè)其減振效果，同時(shí)可為球形撓性接管的動(dòng)力特性分析提供原始的參數(shù)，為其安裝和設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)作用。

1 測(cè)試原理

球形撓性接管作為典型的兩端元件，可以將撓性接管視為一個(gè)線性單元，它兩端的作用力和振動(dòng)速度可以用如下方程來描述[1]：

(1)

式中：F1、F2分別為輸入端與輸出端的作用力，N；V1、V2分別為輸入端與輸出端的速度響應(yīng)，m/s；Z11、Z22分別為輸入端與輸出端的輸入機(jī)械阻抗，N·s/m；Z12、Z21分別為輸入端到輸出端與輸出端到輸入端的傳遞機(jī)械阻抗，N·s/m。

在測(cè)量機(jī)械阻抗時(shí)，使用的是加速度計(jì)。振動(dòng)速度可以通過加速度除以虛數(shù)和頻率得到：

(2)

由式(1)和式(2)可以得到：

根據(jù)互易原理，對(duì)于兩端對(duì)稱的線性系統(tǒng)有：Z11=Z22，Z12=Z21。

2 機(jī)械阻抗測(cè)量

2.1 試驗(yàn)裝置

整個(gè)試驗(yàn)裝置主要由三部分組成：試驗(yàn)臺(tái)架、激振系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)。軸向和橫向阻抗測(cè)量示意圖分別如圖1和圖2所示。

(1)試驗(yàn)臺(tái)架

阻抗測(cè)試多采用堵塞法[3-4]，即要滿足輸出端響應(yīng)為零，這就要求安裝撓性接管的基座必須有良好的剛性，基座的安裝頻率應(yīng)該小于最小測(cè)試頻率的1/2.5，一階固有頻率則應(yīng)該大于測(cè)量范圍的最大頻率，且輸入阻抗應(yīng)該在被測(cè)元件輸入阻抗的十倍以上，這樣就可以忽略測(cè)試時(shí)平臺(tái)的響應(yīng)。

本次試驗(yàn)在某研究所的阻抗平臺(tái)上進(jìn)行。該阻抗平臺(tái)水平度良好，表面光潔，有足夠的剛性，滿足阻抗實(shí)驗(yàn)對(duì)基座的要求。為避免外界環(huán)境的干擾，平臺(tái)不直接與地面接觸，而是在平臺(tái)底部安裝了隔振器。通過隔振器與地面相連，減少了地面環(huán)境振動(dòng)對(duì)阻抗測(cè)試的影響。

1—輸入端；2—輸出端。

1—為輸入端；2—為輸出端。

撓性接管在加載的情況下進(jìn)行阻抗測(cè)試，在內(nèi)部充壓的時(shí)候其兩端受到約束，因此，還要有一套加載裝置，在測(cè)量時(shí)對(duì)其進(jìn)行軸向約束。該裝置要能夠提供足夠的加載約束力，并且加載橫梁的靜剛度要在撓性接管的靜剛度的十倍以上，這樣才能確保準(zhǔn)確測(cè)量撓性接管的機(jī)械阻抗。

(2)激振系統(tǒng)

激振系統(tǒng)由激振器、信號(hào)發(fā)生器、功率放大器及彈性吊架組成。信號(hào)發(fā)生器負(fù)責(zé)產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，這種信號(hào)的能量通常較小，不能直接驅(qū)動(dòng)激振器工作，需通過功率放大器將功率放大后轉(zhuǎn)換成具有足夠能量的電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)激振器工作。激振器頂桿與撓性接管封頭通過阻抗頭連接，阻抗頭用以測(cè)量輸入端的力及加速度響應(yīng)。為了確保施加的激振力是沿單一方向的，有必要在激振器頂桿和阻抗頭之間加一細(xì)長(zhǎng)的推力桿。

激振系統(tǒng)必須保證激勵(lì)力在測(cè)量的頻率范圍內(nèi)作用在撓性接管上，同時(shí)，激勵(lì)的振動(dòng)響應(yīng)要遠(yuǎn)大于環(huán)境振動(dòng)，激勵(lì)力必須大于干擾力10 dB以上。

(3)測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)由傳感器、信號(hào)調(diào)理器、信號(hào)放大器與數(shù)據(jù)采集及分析器組成。傳感器負(fù)責(zé)采集被測(cè)的機(jī)械量，并經(jīng)過信號(hào)調(diào)理器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后經(jīng)過電荷放大器將信號(hào)增強(qiáng)后輸出到數(shù)據(jù)采集器，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析可以輸出目標(biāo)結(jié)果。

本次機(jī)械阻抗測(cè)量?jī)x器按圖3進(jìn)行連接。

圖3 測(cè)量元件連接框圖

2.2 測(cè)試方法

測(cè)試前先對(duì)被測(cè)撓性接管進(jìn)行觀察，要求撓性段不能有缺陷，結(jié)構(gòu)上不能有扭曲、褶皺等異?，F(xiàn)象。準(zhǔn)備好試驗(yàn)所需的所有設(shè)備、儀器儀表、連接附件等[5]。

(1)球形撓性接管軸向機(jī)械阻抗測(cè)試

測(cè)試時(shí)，被測(cè)球形撓性接管的輸出端通過所選墊板與測(cè)力板相連，被測(cè)撓性接管輸入端安裝力傳感器與加速度計(jì)，采用立式加載裝置對(duì)撓性接管施加約束，施加約束至額定載荷后鎖緊加載裝置。連接測(cè)試系統(tǒng)，使用激振器對(duì)撓性接管輸入端沿軸向方向施加振動(dòng)激勵(lì)。測(cè)量撓性接管輸入端與輸出端的軸向動(dòng)態(tài)力與振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，基于數(shù)據(jù)處理可得到撓性接管軸向輸入與傳遞機(jī)械阻抗。

(2)球形撓性接管橫向機(jī)械阻抗測(cè)試

為了便于撓性接管橫向機(jī)械阻抗的測(cè)試，需采用相同型號(hào)同批次的兩個(gè)試件對(duì)稱安裝進(jìn)行測(cè)試。使用中間過渡板將兩相同的撓性接管輸入端端面連接起來，兩輸出端端面通過所選墊板與測(cè)力板相連，利用臥式加載裝置對(duì)撓性接管施加約束，加載至額定壓力后鎖緊加載裝置。將力傳感器與加速度計(jì)安裝在輸入端和輸出端，連接好測(cè)試設(shè)備，使用激振器對(duì)撓性接管輸入端橫向施加振動(dòng)激勵(lì)。測(cè)量撓性接管輸入端與輸出端的橫向動(dòng)態(tài)力與振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，基于數(shù)據(jù)處理得到撓性接管的橫向輸入與傳遞機(jī)械阻抗。

2.3 數(shù)據(jù)采集與處理

數(shù)據(jù)采集要通過數(shù)據(jù)采集儀實(shí)現(xiàn)。在采集數(shù)據(jù)時(shí)，要把傳感器的信號(hào)全面采集，否則可能會(huì)造成數(shù)據(jù)失真。在測(cè)量頻率范圍內(nèi)，采集到輸入端的激振力及加速度響應(yīng)、輸出端的反作用力，然后對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

(1)計(jì)算輸入阻抗的虛部

(4)

(2)計(jì)算輸入阻抗的實(shí)部

(5)

(3)輸入阻抗的幅值

∣Z11(ω)∣=[(ReZ11(ω) )2+

(ImZ11(ω))2]0.5

(6)

(7)

式中：k(ω)為幅值函數(shù)，用來修正測(cè)量數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)前需標(biāo)定測(cè)力版并給出這個(gè)函數(shù)。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本次球形撓性接管機(jī)械阻抗試驗(yàn)選用規(guī)格為DN100的球形管，分別測(cè)試了內(nèi)壓為0、1、2 MPa時(shí)的軸向機(jī)械阻抗及橫向機(jī)械阻抗，根據(jù)所測(cè)阻抗數(shù)據(jù)繪制出阻抗圖譜如圖4和圖5所示。將內(nèi)壓為0 MPa時(shí)所測(cè)得的軸向機(jī)械阻抗與采用無矩薄殼理論計(jì)算得到的結(jié)果[6]及采用ANSYS有限元仿真結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖6所示。

圖4 不同壓力時(shí)的軸向輸入/傳遞機(jī)械阻抗

圖5 不同壓力時(shí)的橫向輸入/傳遞機(jī)械阻抗

圖6 0 MPa時(shí)的軸向輸入/傳遞機(jī)械阻抗

從圖4可知，隨著內(nèi)壓的增大，輸入阻抗和傳遞阻抗值均有所增大，且一階固有頻率會(huì)往高頻出現(xiàn)偏移，說明球形管在充壓時(shí)，管體沿軸向方向會(huì)變硬，剛度增大。

從圖5可以看出，橫向機(jī)械阻抗隨內(nèi)壓的變化趨勢(shì)與軸向機(jī)械阻抗的相似，只是阻抗值及共振和反共振的頻率變化更加明顯，可知內(nèi)壓對(duì)球形管橫向機(jī)械阻抗的影響要比軸向機(jī)械阻抗的影響更大。球形管在充壓時(shí)，管體橫向方向的剛度增大更加顯著。阻抗曲線在低頻時(shí)出現(xiàn)扁平狀，可能是由于力放大器低頻頻響不足造成的。

由圖6可以看出，當(dāng)管體無內(nèi)壓作用時(shí)，球形管沿軸向方向的機(jī)械阻抗試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果及有限元仿真結(jié)果吻合程度較好，三種方法所得的輸入阻抗和傳遞阻抗的趨勢(shì)和大小都十分一致。

3 結(jié)論

本文對(duì)球形撓性接管的機(jī)械阻抗進(jìn)行了試驗(yàn)研究，介紹了測(cè)試原理和測(cè)試方法，并分別測(cè)試了球形管在不同內(nèi)壓作用下的軸向機(jī)械阻抗和橫向機(jī)械阻抗。從測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同的靜壓工況對(duì)球形撓性接管的阻抗會(huì)有影響，阻抗值會(huì)隨內(nèi)壓的增大而變大，在撓性接管的工作中一定要考慮內(nèi)壓的影響。把無內(nèi)壓作用時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果及有限元仿真結(jié)果進(jìn)行比較，得到了很好的一致性，說明了測(cè)試方法的可行性。該方法也適用于其他的特殊結(jié)構(gòu)的兩端元器件的軸向和橫向阻抗的測(cè)試。

由于球形撓性接管結(jié)構(gòu)的特殊性，本文只對(duì)軸向和橫向機(jī)械阻抗進(jìn)行了測(cè)試，沒有對(duì)其扭轉(zhuǎn)阻抗進(jìn)行測(cè)試，在今后的工作中，將進(jìn)一步探索測(cè)試其扭轉(zhuǎn)阻抗的有效方法，全面獲取球形撓性接管的阻抗參數(shù)。