艦艇高溫管路熱振耦合試驗系統(tǒng)研制

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(1.中國人民解放軍 92578部隊，北京 100161；2.福州大學 機械工程及自動化學院，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，同時也是振動和噪聲的主要傳播途徑。如何有效控制管路系統(tǒng)振動噪聲對提升艦艇聲隱身性能有著至關(guān)重要的意義。

國內(nèi)外學者已對管路的減振設(shè)計開展了廣泛且深入的研究。Fang和Lyons[1]在20世紀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，能有效降低管路系統(tǒng)的振動噪聲輻射。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，并在室溫下對各種情況下的減振效果進行了評估研究。卜崢嶸等[4]對高溫高壓蒸汽管道的振動特性進行分析，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，對溫度因素考慮較少。

在高溫管路減振試驗方面，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)，并通過高溫蒸汽發(fā)生裝置產(chǎn)生高溫蒸汽對管路進行內(nèi)加熱，但由于管路表面散熱面積較大，其最高試驗溫度僅為100 ℃，無法有效驗證其機構(gòu)在高溫下的減振性能。采用石英燈進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研究中心就與美國空軍展開合作，對YF-12整機開展了上千攝氏度級別的結(jié)構(gòu)熱試驗研究，為了達到目標溫度，試驗中總共應(yīng)用了15 870支石英燈[7]。彭富豪等[8]設(shè)計了用于平板結(jié)構(gòu)的熱振耦合試驗系統(tǒng)，并完成板狀結(jié)構(gòu)的減振試驗。Ding等[9]針對設(shè)備基座的復(fù)雜結(jié)構(gòu)研制一套熱振聯(lián)合試驗系統(tǒng)，并完成設(shè)備基座的高溫振動試驗(300 ℃)。衛(wèi)國等[5]針對的管路的高溫試驗同樣設(shè)計了平板狀石英燈陣加熱裝置，無法保證管路的受熱均勻性。

雖然現(xiàn)有技術(shù)可實現(xiàn)管路的高溫振動試驗，但其無法確保結(jié)構(gòu)的受熱均勻性，且高溫環(huán)境無法準確模擬。本文將針對管路系統(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進行精確溫控，實現(xiàn)管路系統(tǒng)的高溫振動耦合試驗，為高溫管路的減振設(shè)計提供有效的驗證途徑。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

試驗系統(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)境模擬試驗系統(tǒng)和振動激勵試驗系統(tǒng)。熱環(huán)境模擬試驗系統(tǒng)精確生成管路振動試驗需要的高溫環(huán)境，振動激勵試驗系統(tǒng)模擬管路所受的外部載荷并采集管路的振動響應(yīng)，兩個系統(tǒng)共同作用從而實現(xiàn)不同溫度下管路系統(tǒng)的振動特性試驗。

圖1 高溫管路熱振耦合試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

以高溫管路減振吊架為例，目標管路兩端通過管路吊架固定在安裝基座上面。兩個基座再通過T型螺栓緊固在兩個T型槽重載鑄鐵平臺上，形成固定約束邊界條件。在管路中點正下方為一臺安裝于升降臺上的電磁激振器，電磁激振器可以通過升降臺來調(diào)節(jié)所處高度，從而改變激振桿與管路之間的預(yù)緊力。在管路中點正上方安裝一個加速度傳感器以測量此處的加速度信號。由于管路系統(tǒng)左右兩端呈中心對形式，考慮試驗成本和試驗操作簡便性，僅在管路一端吊架處安裝石英燈加熱器，以模擬實際振動工況中的高溫環(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，溫度變送器對該信號進行調(diào)理并將其轉(zhuǎn)換為電壓信號經(jīng)過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轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳遞給上位機，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采集卡通過控制固態(tài)繼電器的通斷電狀態(tài)來調(diào)節(jié)石英燈加熱器的通電狀態(tài)，從而實現(xiàn)管路的加熱與保溫工作。

2 熱環(huán)境模擬試驗系統(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)來實現(xiàn)，如圖2所示，該加熱系統(tǒng)由12根長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，同時更好地利用石英燈熱源對工裝進行加熱，對石英燈固定板的表面進行拋光處理，以利于反射石英燈光線。另一個方面，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。石英燈加熱器通過加熱器支架安裝在底部鑄鐵平臺上，保持石英燈與管路的相對位置。

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)實際參數(shù)，利用有限元方法(ANSYS, Transient Thermal)對加熱裝置進行瞬態(tài)熱分析，確保管路能可靠地加熱到目標溫度，并進行有效的結(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[9]和[10]提出的石英燈加熱模型，可將12根石英燈管簡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流，給模型各部件表面施加對流換熱系數(shù)，其中不銹鋼隔熱板外側(cè)及管路表面對流換熱系數(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，滿足試驗要求。

圖4 瞬態(tài)熱分析溫度分布

在上位機利用LabVIEW進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：采集目標區(qū)域的溫度并判斷實際溫度與目標溫度的偏離程度，若實際溫度未達到目標溫度值的下限則控制石英燈陣進行滿功率輻射加熱；若實際溫度已超過目標溫度值的上限則停止石英燈陣的加熱控制；若實際溫度介于目標溫度的上下限之間則控制石英燈陣處于半功率(半負荷)輻射加熱。

圖5 LabVIEW溫度控制流程圖

為了驗證瞬態(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 ℃，測溫點選取在吊架下方兩螺栓中間處，將實際溫升曲線與有限元仿真溫升曲線進行對比，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，在吊架開始升溫時，由于燈管通電時間較短，熱源自身存在升溫的過程，這使得吊架實際溫度比仿真溫度低2～3 ℃。在40～65 ℃溫度范圍內(nèi)，實際溫升曲線與仿真溫升曲線重合程度較高。當溫度高于70 ℃時，由于實際試驗中熱流損耗大于仿真中的理想情況(即對流系數(shù)不變)，使得實際溫度總是比仿真溫度低5～7 ℃。當溫度達到500 ℃時，上位機開始控制燈管通斷電，使實際溫度保持在500 ℃左右，而仿真溫度由于熱源恒定，溫度還會再上升一點。

圖6 實際與仿真溫升對比曲線

3 振動激勵試驗系統(tǒng)

如圖1上側(cè)所示，振動激勵試驗系統(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 振動激勵試驗系統(tǒng)主要設(shè)備

當振動激勵系統(tǒng)運行時，上位機通過VT-9002的信號輸出通道將正弦掃頻信號輸出至功率放大器進行放大以驅(qū)動電磁激振器對管路目標激振部位施加期望的外部激勵。安裝在激振器與激振桿之間的動態(tài)力傳感器可實時測量激振器所輸出的動態(tài)力信號，并輸入到數(shù)據(jù)采集器進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測點可實時測量管路的振動響應(yīng)，并由VT-9002的輸入通道實時采集。

4 高溫管路熱振耦合試驗

為驗證所設(shè)計的管路減振試驗系統(tǒng)的可行性，搭建了高溫管路熱振耦合試驗系統(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系統(tǒng)中。分別對剛性連接管路及阻尼吊架連接管路進行5～300 Hz頻率范圍內(nèi)的正弦掃頻激勵試驗，設(shè)置試驗溫度分別為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，對比不同溫度下阻尼吊架對管路振動響應(yīng)特性的影響。

圖7 高溫管路熱振耦合試驗系統(tǒng)

考慮工程實際中低階固有頻率所攜帶的能量占比較高，其對管路系統(tǒng)的影響遠大于高頻共振。為了使高溫管路振動試驗符合工程實際并縮短試驗時間，下面將重點考察管路系統(tǒng)的一階模態(tài)。利用安裝基座上的加速度響應(yīng)測點采集的振動加速度響應(yīng)信號和電磁激振器激勵管路的激振力可獲得管路的振動加速度導(dǎo)納Z(振動加速度基準值為10-6m/s2)。

(1)

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

高溫管路熱振耦合試驗結(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，溫度對剛性吊架管路和阻尼吊架管路的振動響應(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，且振動加速度導(dǎo)納整體呈下降趨勢。

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，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

針對船舶高溫管路減振試驗難題，以石英燈陣為輻射熱源，設(shè)計了高溫管路熱振耦合試驗系統(tǒng)，對溫度場進行瞬態(tài)熱分析，同時基于LabVIEW開發(fā)了石英燈陣溫控程序，通過有限元分析與實際加熱測試驗證了所研制的溫度加載模塊能滿足不同溫度的加熱需求，最后通過剛性吊架高溫管路與阻尼吊架高溫管路的對比試驗表明所研制的試驗系統(tǒng)可用于不同溫度背景下的管路減振試驗驗證。