钛合金蜂窝平板声载-静载联合加载设计与试验

2021-03-07霍施宇邓云华

科学技术与工程 2021年4期

霍施宇，屈超，徐健，邓云华

(1.中国飞机强度研究所, 航空声学与振动航空科技重点实验室, 西安 710065; 2.中国航空制造技术研究院, 航空焊接与连接技术航空科技重点实验室, 北京 100024)

发动机噪声是影响飞机安全性和舒适性的重要因素,对于大涵道比涡扇发动机来说,风扇噪声是发动机的主要噪声源,而在发动机外涵道内壁面铺设声衬是抑制风扇噪声的主要措施。目前,在发动机外涵道包裹发动机核心机舱罩上面通常采用常温声衬(铝合金声衬或复材声衬)+隔热毯的消声设计,但是这种组合式的声衬设计不仅会增加制造工艺的难度还会降低可靠性[1-4]。耐温的钛合金蜂窝在较高温度条件下具有比强度高、抗疲劳、耐腐蚀等优点,在免去隔热处理的同时还增加了结构的可靠性,是发动机外涵道高温区域声衬潜在的替代方案[5]。钛合金蜂窝声衬不仅需要具有良好的降噪效果,还应该能在服役环境的高强噪声和气动压力联合作用下长时工作。目前针对蜂窝结构强度研究主要集中在力学性能、弯曲疲劳等方面,较少涉及随机振动下的疲劳失效[6-7]。特别地,针对钛合金蜂窝声衬开展声载-静载疲劳试验的相关研究还鲜见报道。为了探究钛合金蜂窝声衬抗声载-静载疲劳性能,暴露其薄弱部位,有必要针对钛合金声衬开展声载-静载联合试验,为钛合金蜂窝声衬设计与制造提供指导[8-10]。

为此，分析了蜂窝声衬的服役工况和结构特征,设计了一种声载-静载联合试验方法和试验装置,并对钛合金蜂窝平板件开展了声载-静载联合试验,考察钛合金蜂窝结构的声疲劳耐久性,暴露焊接结构的声疲劳薄弱位置,研究钛合金声衬在声载-静载作用下的疲劳破坏模式,为钛合金声衬抗疲劳设计提供试验依据。

1 试验对象

试验对象为钛合金蜂窝平板件,三维模型如图1所示,尺寸参数如表1所示。

图1 蜂窝声衬三维模型示意图Fig.1 3D model of honeycomb liner

表1 钛合金蜂窝声衬参数

2 试验设计

2.1 载荷分析

钛合金蜂窝声衬是发动机高温声衬的一种形式,主要应用于发动机外涵道靠近核心机的内环壁面,其工作环境处于高声强噪声与气动载荷联合作用。实际作用在声衬穿孔面的噪声与气动载荷是高周脉动压力和低周气动压力的叠加。

对于单侧穿孔平板声衬试件,穿孔板内部与穿孔板外表面的压力时刻相等。如图2所示,穿孔板外表面受到的气动压力会传递到无孔面板内侧,实际承载的部位是无穿孔面,其内侧受叠加压力:承受气动静压(p)和噪声载荷(p′)。

2.2 静压加载系统

根据载荷分析,为了实现平板声衬噪声载荷与静压载荷联合加载,在行波管侧壁设计一套静压加载试验系统:将平板声衬试件安装于静压加载装置的夹具上,在试件无孔面通过静压加载装置来实现有孔受声面的等效静压加载,试件穿孔侧面暴露于行波管内,最终实现平板声衬试件的噪声与静压载荷的联合加载。

静压加载试验系统由静压加载装置、真空计、真空泵、控制系统及配套管路等设备共同组成。如图3所示,静压加载装置是静压加载试验系统的主要组件,主要包括:试件、试件夹具、负压腔、真空泵接口、真空盖板、压板、橡胶垫、减重板等主要部件,除减重板采用尼龙或其他轻质材料以外,其余部件均采用Q235材料加工。为保证静压组件气密性,试件与试件夹具之间设计密封槽,通过O型密封圈密封,真空盖板与试件夹具之间设计了橡胶垫。

如图4所示,静压加载装置安装在行波管试验段侧壁上,真空计安装在静压试验装置外盖板上,与控制系统相连用于测量真空度,即非穿孔面一侧的气压,并将测量参数反馈给控制系统,由控制系统可编程控制器(programmable logic controller，PLC)确定实际加载压力值并控制真空泵的启停,从而闭环控制负压腔内的气压,实现试件静压加载。

图2 声衬载荷特征Fig.2 Loading characteristics of acoustic liner

图3 静压加载装置Fig.3 Static pressureloading device

3 试验方案

3.1 试验载荷

试验在高声强行波管内进行,试件通过静压试验装置安装在行波管试验段侧壁上,试验原理如图5所示。

噪声载荷由电动气流扬声器产生,并采用噪声控制系统根据高声强传声器的测量结果对试验声场进行闭环控制。如图6所示,噪声载荷谱为宽带随机噪声谱,采用掠入射加载方式,试验噪声总声压级(overall sound pressure level,OASPL)为152 dB。

图4 静压加载试验系统Fig.4 Static pressure loading system

图5 声载-静载联合试验示意图Fig.5 Schematic diagram of acoustic-static test

图6 噪声加载频谱Fig.6 Acoustic loading spectrum

气动压力载荷由静压加载试验系统实现,试件无孔面安装于负压腔内,实验室当地大气压力是96.9 kPa,通过静压加载系统控制负压腔内部的真空度达到28 kPa,加载控制精度为±1 kPa,即实际加载到试件的静压为67.9～69.9 kPa。

3.2 测量内容

试验中对试件的应变、加速度进行测试。传感器粘贴位置如图7所示,应变片采用三线式,1/4桥线路接法,粘贴在试件穿孔面四边中点距夹具边 5 mm 处。加速度传感器粘贴在试件穿孔面(红点位置),其中1#测点位于试件中心，2#测点位于垂直对称线1/4处，3#测点位于水平对称线1/4处。

试验采用东华电测H9512动态应变测量系统全程持续采集应变数据,数据采样率设为5 kHz。试验采用B & K 3660D测量系统对试件的加速度响应进行全程测试、分析,采样频率设为8 192 Hz。试验全程监测试件应变、加速度响应峰值频率。当试件动态响应峰值频率出现大于2%的变化时,暂停试验并检查试件。

试验前后对全部试件采用声-超声检测来检查蜂窝夹芯结构钎焊脱开情况,利用声波在钎焊结构件内的传播规律检测焊接是否出现不连续。

1#～4#为测点图7 动应变和加速度测点布置Fig.7 Strain and acceleration measuring points layout

4 试验结果与分析

4.1 试验结果

对6件钛合金蜂窝平板试件分别开展声载-静载联合试验,试验过程中监控响应频谱,未发现响应共振峰有2%的偏移。

试验后目视6件试件,未见肉眼可见破坏。将6个试件试验前后无损检测获得的焊接情况进行统计,分别记录每个脱焊区域面积,结果如表2所示。根据无损检测结果,6件钛合金蜂窝试件经过10 h的声载-静载联合试验后,A型试件没有出现局部脱焊,B型试件中有2件出现了局部脱焊。

B-2、B-3试件产生了新的钎焊脱开区域如图8、图9所示,其中红圈为试验前检测出的脱焊区,白圈为试验后检测出的脱焊区。

表2 无损检测结果

图8 B-2试件无损检测结果Fig.8 Non-destructive inspection results of B-2

图9 B-3试件无损检测结果Fig.9 Non-destructive inspection results of B-3

B型试件的蜂窝高度为21 mm,相比于A型试件蜂窝高度15 mm增加了40%,说明在声载-静载联合作用下,蜂窝芯体的高度增加使得蜂窝结构更容易出现脱焊。

4.2 结果分析

为了探究B-2和B-3试件在10 h的声载-静载联合试验过程中出现局部脱焊的时间,展开分析其应变和加速度的试验数据。

首先提取B-2试件在试验初期和试验末期的2#应变和加速度频谱分别如图10、图11所示。

如图10所示,可以发现B-2试件应变一阶峰值频率由795 Hz下降到794 Hz；如图11所示,加速度一阶峰值频率由794 Hz下降到791 Hz。从B-2试件的响应频谱可以发现其一阶共振频率在试验前后未发生明显改变,即B-2试件的刚度在试验前后没有发生明显变化。

图10 B-2试件2#应变频谱Fig.10 2# strain frequency spectrum of B-2

图11 B-2试件2#加速度频谱Fig.11 2# acceleration frequency spectrum of B-2

为了进一步探究B-2试件在试验过程中有无异常,每隔1 h对B-2试件各个测点的均方根应变和均方根加速度进行处理,得到了B-2试件在10 h过程中均方根应变与均方根加速度数据的变化曲线,分别如图12(剔除了3#异常的应变数据)、图13所示。如图12所示,当试验进行到第9小时,均方根动应变数据发生了明显的突变,推断B-2试件在这个时间段发生了局部脱焊。如图13所示,B-2试件整体的加速度响应没有发生明显的变化,也证明了B-2试件的整体刚度没有明显变化。

接下来提取B-3试件2号应变和2号加速度响应在试验开始阶段和试验结束阶段的频谱图,如图14、图15所示。对比发现B-3试件的应变和加速度一阶共振频率在试验初期和末期没有发生变化。

为了进一步探究B-3试件在试验过程中有无异常,提取B-3试件每隔1 h的均方根应变和均方根加速度数据,分别如图16、图17所示。从图16可以明显观察到在前3 h,均方根动应变和加速度数据发生了一定的波动,推断B-3试件可能在这个时间段发生了脱焊。