陶永强，关成启，金亮，邹学锋，潘凯，李明轩
1. 北京空天技术研究所，北京 100074
2. 中国飞机强度研究所，西安 710065
噪声载荷是有一定频率特性的随时间、空间分布的随机压力载荷，噪声试验是薄壁等结构声疲劳性能评估的关键一环[1]。随着高超声速飞行器的不断发展及冲压发动机的广泛应用，航空产品正面临着越来越严酷的噪声环境，舱内设备所承受的噪声声压可达160 dB，而冲压发动机附近声压更可高达180 dB[2-3]。噪声环境对飞行器带来的危害将越来越难以忽视，越来越多的飞行器需要通过实验室噪声环境试验来考核并提升其对噪声环境的适应能力[4]。
目前，对飞行器的噪声环境模拟主要有行波管与混响室两种试验方式。就试验声场形式而言，混响室更贴合于舱内设备所经受的噪声环境，行波管更适合于模拟外挂及蒙皮等所承受的噪声环境。然而，混响室受限于其声场产生方式，存在诸如低频段简正频率不足、声压级起伏较大，特别是难以产生较高的声压级等问题，越来越无法满足高超声速飞行器航空产品噪声试验的需要。另一方面，行波管则具有频谱相对均匀、易产生低频声场，结构相对简单，尤其是可以实现较高声压频谱控制[5-6]。Bertin等[7]认为在相同声谱下，混响室产生的漫射波更易于激发产品的高频响应；
美国空军怀特实验室Lee[8]则指出声频率在大于产品一阶固有频率且小于数百赫兹的范围内时，行波管产生的自由行波更易于激发产品的响应，而在更高的频率范围内，两种声场的试验效应几乎相同；
刘泽锋等[9]通过理论分析指出从产品响应角度考虑，声场直接激发的响应通常比较小，主要是激发频率范围内所有简正频率而引起产品响应，因而不同声场的影响较小。
目前国内外较先进的行波管试验设备可实现总声压172 dB以上的噪声频谱控制，但对于冲压发动机附近的部件仍然无法实现噪声环境的地面模拟，导致某些飞行器的地面试验考核不充分，无法释放飞行试验风险。本文研究内容是在当前国内试验条件无法满足明确需求的背景下提出的，当前国内外相关飞行器均已经提出了总声压级高达180 dB的声疲劳试验要求(如空军怀特实验室、兰利中心等机构[10]，国内也已提出了175～182 dB的明确验证要求)。事实上，无论是国内还是国外，目前已经具备的试验能力均无法满足相关要求(声压级提高3 dB，所需要的声源需提高1倍，成本呈指数级增长，且关键声源受国外限制)，正是在这样的背景下，国内外均采用将有限能量集中在结构主要响应频率带宽内，以便从响应等效的角度有效大幅提升声加载能力，如美国兰利中心为了提高其热声试验时声载荷加载能力，采用窄带随机加载的方式[11-12]。国内王琰等[13]在研究发动机转子叶片声振疲劳特性时采取了减少加载带宽的方法提高结构的响应。但遗憾的是，目前国内外所开展的工作更多的是一种迫于无奈的工程处理方法，对于窄带与宽带加载之间到底存在哪些根本区别，以及如何进行带宽选择及其带来的影响方面，系统开展的相关基础研究工作并不多。
为了满足飞行器验证的迫切需求，进一步探索并给出高量级宽带噪声等效加载影响因素、基本原则和方法，本文以典型多层复合材料为研究对象，利用有限元软件分析了多层复合材料结构在不同带宽载荷作用下的随机响应和声疲劳寿命情况，在有限元响应分析的基础上，利用行波管对多层复合材料结构开展了宽带、窄带响应特性噪声试验和疲劳性能试验，获得了结构在宽带、窄带等不同加载带宽下的寿命及失效模式，研究了等效效果，验证了等效加载的合理性。
1.1 有限元模型
针对典型复合材料多层结构采用商用有限元软件完成了噪声作用下的响应特性研究。典型复合材料多层结构如图1所示，沿着厚度方向从下至上依次分别为铝合金板、胶层、石英面板、氧化铝气凝胶、石英面板，其中金属面板的尺寸为380 mm×380 mm，面板、胶层、气凝胶的尺寸为300 mm×300 mm，金属面板的厚度为3 mm，胶层的厚度为0.5 mm，下面板的厚度为0.5 mm，气凝胶的厚度为27 mm，上面板的厚度为2 mm。金属、胶层、面板的材料参数如表1所示，表中：E为弹性模量；
μ为泊松比；
ρ为密度。气凝胶的材料参数如表2所示，表中：E1、E2、E3分别为x、y、z方向的弹性模量；
G12、G23、G13分别为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)如图2所示，采用Hex8单元，短边施加边界条件约束6个方向的位移，典型复合材料多层结构的上面板上施加噪声压力。
图1 典型复合材料多层结构
表1 金属、胶层、面板材料参数
表2 气凝胶材料参数
图2 有限元模型
1.2 振动特性
通过MSC. Nastran分析得到结构的固有频率及振型，频率如表3所示，振型如图3所示。
表3 固有频率
图3 典型复合材料多层结构振型示意图
1.3 响应特性
分别进行宽带、窄带响应特性分析研究。宽带采用国军标GJB150.17A—2009中噪声载荷谱，载荷谱图形如图4所示。采用模态法进行频响分析，由于高频的振动模态分布密集，受计算能力的限制，宽带分析时无法对军标中整个带范围进行分析，因此加载带宽选取为1/3倍频程中心频率50～2 000 Hz，即加载频率范围为45～2 239 Hz。
典型复合材料多层结构响应特性分析，首先加载单位载荷进行频响分析，频响分析得到整体典型复合材料多层结构的应力、位移最大点的频响图如图5所示；
然后开展随机响应分析，得到典型复合材料多层结构及各部分的应力、位移分布云图如图6和图7所示。
图4 GJB150.17A—2009噪声载荷谱图
从图5可以看出，对典型复合材料多层结构响应贡献最大的为一阶频率，其次四阶、五阶贡献也较大，因此窄带加载时，选取两种加载带宽，加载频率范围分别为45～447 Hz、178～800 Hz，随机响应分析时声压谱级同主要响应频率上的声压谱级。随机响应分析得到两种不同加载带宽情况下的应力云图如图8和图9所示。
图5 宽带频响分析结果
图6 典型复合材料多层结构Von-Mises应力云图(加载频率范围45～2 239 Hz)
图7 典型复合材料多层结构z方向位移云图(加载频率范围45～2 239 Hz)
图8 典型复合材料多层结构y方向应力云图(加载频率范围178～800 Hz)
图9 典型复合材料多层结构y方向应力云图(加载频率范围45～447 Hz)
从图8和图9中可以看出，两种窄频带加载下整体结构应力最大点在铝板上，而其内复合材料多层结构应力最大点在胶层上，不同加载带宽的应力对比如表4所示。从表4中可以看出，根据典型复合材料多层结构宽带频响分析结果选取合理的窄带加载带宽，窄带各带的载荷大小与宽带相同的情况下，窄带加载与宽带加载的应力差异很小。
表4 典型复合材料多层结构在不同加载带宽下的应力大小对比
1.4 疲劳寿命
利用MSC.Fatigue对典型结构件分别进行宽带、窄带加载下的声疲劳寿命分析。典型结构的声疲劳寿命分析，首先需对加载单位载荷进行频响分析，频率范围：45～11 230 Hz，其次，再对加载声压谱级为134.4 dB的载荷进行寿命分析，寿命分析时采用Dirlik方法，得到寿命的分布如图10所示。
对典型结构进行窄带作用下的寿命分析，加载频率范围分别为45～112 Hz、45～152 Hz，寿命分析时采用Dirlik方法，得到寿命分布云图如图11所示。
图10 宽带加载声疲劳寿命云图
图11 窄带加载时寿命云图
声压谱级相同的情况下，不同加载带宽计算得到的寿命如表5所示。从表5可以看出，当声压谱级相同时，窄带加载时结构的寿命大于宽带加载，根据Dirlik方法中的疲劳寿命公式，当等效应力Seq、材料参数b均相同时，影响寿命的唯一因素是单位时间内的峰值数Fp，不规则因子为穿零数Fzc与单位时间内峰值数Fp的比值，假设不论是宽带加载还是窄带加载的穿零数均等于结构的一阶频率86 Hz，则得到不同加载带宽对应的单位时间内峰值数Fp如表6所示。
表5 不同加载带宽计算得到的寿命对比
表6 单位时间内的峰值数
从表6可以看出，使用Dirlik方法计算寿命时，宽带加载时的单位时间内峰值数Fp大于窄带加载时的峰值数，从而导致了宽带加载时的寿命比窄带加载的寿命短。
将窄带加载时的声压谱级提高0.5 dB，即134.9 dB，计算得到两种窄带加载范围的寿命如图12所示，与宽带加载的寿命对比如表7所示。从表7中可以看出，适当的提高窄带加载时的声压谱级，可使窄带加载时的寿命与宽带加载时基本相同。
有限元响应分析结果表明，根据宽带频响分析结果选取合适的窄带加载带宽，窄带随机响应分析结果与宽带随机响应分析结果相比差异较小，采用窄带高量级加载方法是可行的，但是有限元分析的条件是理想状态，实际试验中采用窄带加载提高噪声量级的方法是否可行，还需进行响应特性试验研究和疲劳寿命试验研究。
图12 窄带加载时寿命云图(声压谱级为134.9 dB)
表7 不同加载带宽计算得到的寿命对比(声压级提高0.5 dB)
2.1 试验件及支持
试验件通过试验夹具固定在行波管侧壁位置，试验件通过M8的螺栓与试验夹具螺接，试验夹具再与行波管螺接，使试验件四边固支在行波管的侧壁位置，安装后试验件受声面与行波管内壁面齐平。试验件安装方式如图13所示。
图13 试验件安装照片
2.2 试验载荷
在试验件安装状态下，采用敲击法进行模态测试，得到典型复合材料多层结构在安装条件下的振动特性，得到其一阶共振频率为227 Hz。
首先加载GJB150.17A—2009中的噪声载荷谱进行宽带响应特性试验，待声场稳定后进行应变测试，对应变数据进行分析，得到典型复合材料多层结构在宽带噪声激励下的响应特性，根据响应结果，选取窄带加载带宽，窄带加载采用随机平直谱，声压谱级与宽带加载时主要响应频率上的声压谱级相同，将窄带的响应结果与宽带的响应结果对比，适当调整窄带加载时的声压谱级，以使窄带加载的响应与宽带加载时的响应基本一致。
2.3 试验测量
试验中对试件进行应变测量，应变测量点如图14所示。
图14 典型复合材料多层结构应变和位移测点
2.4 测试结果
用宽带加载时的应变除以窄带加载时的应变，结果如图15和图16所示。从图中可以看出，当窄带加载时声压谱级与宽带加载时结构主要响应频率上的声压谱级相同，窄带加载的响应略小于宽带加载；
加载频率范围为123～403 Hz的结构响应略高于加载频率范围为125～325 Hz，但是相差不大；
将加载频率范围为125～325 Hz的声压谱级提高1.5 dB，典型复合材料多层结构大部分测点的响应与宽带加载时的响应基本一致。
图15 宽带总声压级159.5 dB与各相关窄带状态的应变比值
图16 宽带总声压级162 dB与各相关窄带状态的应变比值
以典型复合材料多层结构在宽带总声压级156 dB及相关的窄带加载状态下的响应为例进行分析，宽带与窄带加载时中心测点的位移和应变幅值谱如图17所示，幅值谱趋势基本相同，但是宽带加载时的一阶的峰值高于窄带加载，这是因为宽带加载时，采用1/3倍频程谱控制，正好在一阶频率附近的声压值远高于窄带加载时的声压。
频率范围为125～325 Hz的窄带与宽带时的响应趋势接近，数值略小于宽带加载，而把声压谱级提高1.5 dB，频率范围为125～325 Hz的窄带响应值与宽带加载时基本一致。宽带总声压级为156 dB时，窄带125～325 Hz的总声压级为150.4 dB，而与宽带响应基本一致时窄带的总声压级为151.9 dB，即本次试验所使用的典型复合材料多层结构，响应一致的情况下，宽带比窄带总声压级高4.1 dB，而本次试验所使用的行波管，窄带可达到166 dB，相当于宽带加载时总声压级170.1 dB。
图17 应变和位移幅值谱图(宽带总声压级156 dB及相关窄带状态)
3.1 试验件支持及载荷
疲劳寿命的多层复合材料结构共两件，其中A-1试验件用于宽带加载时的疲劳试验，A-2试验件用于窄带加载时的疲劳试验件。试验件支持条应变测点等与响应特性试验相同，通过试验夹具四边固支在行波管侧壁位置，安装后试验件受声面与行波管内壁面齐平，见图13。根据响应特性试验分析，按照响应一致的原则施加宽带(156 dB)和窄带噪声载荷(125～325 Hz，151.9 dB)，见图18。
图18 A-1和A-2试验体噪声载荷谱
3.2 试验结果
宽带加载A-1试验件在疲劳试验进行15 h后，进行目视检查，未发现可见裂纹，并用敲击法得到试验件的一阶共振频率；
疲劳试验进行28.5 h后，停机进行目视检查，未发现可见裂纹，用敲击法得到试验件的一阶共振频率；
试验进行到40.5 h，对试验件进行检查，发现结构结构的胶层与金属界面有裂纹，并且下面板与胶层界面也有裂纹，上面板与气凝胶界面也有裂纹，裂纹位置集中在试验件的“后部”，宽带加载试验件破坏图片见图19。
图19 A-1 试验件破坏图片
窄带加载试验件A-2在疲劳试验进行28.5 h后，对试验件进行目视检查，在试验件后部金属与胶层界面多处出现裂纹，然后下面板与胶层界面出现裂纹；
疲劳试验34.5 h，对试验件进行目视检查，试验件的“上部”以及“前部”的下面板与胶层界面的裂纹增长。窄带加载试验件疲劳试验破坏图片见图20。
疲劳过程中两个试验件的频率下降率如图21所示。从图21可以看出，2件试验件在疲劳试验前18 h频率下降率差别不大，18 h时宽带加载试验件频率下降6.5%，窄带加载试验件频率下降6.2%，但是18 h以后，窄带加载试验件的频率下降速度降低。窄带加载试验件在疲劳试验进行28.5 h检查时，在其下面板与胶层界面发现裂纹，可见窄带加载试验件在下面板与胶层界面的裂纹出现前，窄带加载试验件与宽带加载试验件的频率下降率基本相同的，但是当窄带加载试验件的下面板与胶层界面，出现裂纹后，窄带加载试验件的频率下降变缓。
图20 A-2 试验件破坏图片
图21 频率下降率
通过以上分析，可见对于整个复合材料多层结构，无论是窄带还是宽带噪声加载，胶层与金属界面最先出现损伤，然后是复合材料多层结构的下面板与胶层界面出现损伤，且出现损伤的时间基本一致。对于高超声速飞行器而言，服役过程中结构不允许出现损伤，而目前的疲劳试验表明采用窄频段高量级噪声加载时，结构的损伤位置和失效模式与宽带加载时相同，因此可以认定窄频段高量级等效加载方法可以替代宽带加载。
1) 有限元分析表明声压谱级相同的情况下，宽带与窄带加载时结构主要响应模态和响应基本相同，采用窄带高量级噪声加载技术来考核结构的方法是可行的。
2) 分析发现窄带加载下选取的带宽越大，模拟宽带噪声加载的响应的结果就会越近似，等效考核效果越好。
3) 两种不同的加载方式，破坏的初始位置及破坏模式是相同的，典型多层结构与金属板界面最先出现损伤，然后是典型多层结构内的下面板与胶层界面出现损伤。
4) 根据宽带响应结果选取合适的加载带宽，窄带加载时声压谱级与宽带加载时结构主要响应频率上的声压谱级相同，窄带加载时的响应略小于宽带加载，且适当提高窄带加载的载荷，可以使其响应大小与宽带加载时基本一致。
5) 在典型多层结构的胶层与金属界面、下面板与胶层界面出现裂纹为结构失效的准则下，窄带高量级噪声加载方法可以代替宽带加载。
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