结构热强度试验典型热-压耦合试验方法研究

张佳斌

(中国飞机强度研究所，陕西 西安 710065)

1 引 言

飞行器在高速飞行过程中，其表面承受着严酷的气动力、热以及振动等多场耦合的情况。地面结构热强度试验是在地面上进行试验来模拟飞行器在飞行过程所遇到的各种复杂的气动载荷，通常按照飞行曲线进行模拟。其中，在模拟气动力时，由于飞行器的结构形状、飞行工况的不同，点载荷等效比较困难或者难以达到加载的要求。针对这种情况，通常采用充压的形式进行均布力载荷的施加，模拟飞行器在飞行过程中的受力情况。同时，由于飞行器在飞行过程中受到气动热的影响，为了真实地模拟其在飞行过程中结构的强度、刚度等性能，需要进行热-压耦合试验。

热-压耦合试验就是通过在试验件受载结构或者承载面上施加压力载荷和热载荷来模拟飞行器在飞行过程中所受到的力热耦合的载荷。在一些典型热试验中，根据试验条件往往需要同时模拟不同梯度情况下的温度和载荷的组合，需要多参量同步按照飞行时序进行协调加载，真实地模拟飞行时结构的温度、应力和变形状态[1]。

2 压力加载形式

压力试验是通过对承载面施加压力的方式进行加载,通常以压缩气体、水、油等为介质，作用于密闭或封闭空间内进行压力载荷的施加。根据对试验件的内部与外部充压可分为外压试验和内压试验，根据试验件状态以及加载要求可分为自密封和加载囊两种形式。

2.1 自密封形式

自密封形式通常是在试验件内部进行的，利用试验件自身结构并设计相关的密封挡板和充压所使用的进出口，如图1所示，在舱段试验中通过在加载框设计密封槽用于密封，并在挡板上设计用于充压和排压的接口[2]。

图1 自密封压力试验

2.2 加载囊

加载囊采用可塑性较强的橡胶制作而成，将其与试验件的接触面设计成与试验件加载面随形结构，两者在试验过程中完全贴合。在进行外部充压试验时，设计约束工装，用来在加载过程中约束加载囊的变形，使其压力可以传递到试验件表面。对于内部充压时，往往通过试验件作为约束加载囊，实施有效压力的加载。对于多个压力加载区，可通过在分区之间设置隔断来达到分区加载的目的。图2所示为加载囊和其约束工装，加载囊上设计用于充压和排压的压力控制口，以及用于显示观察的压力表接口。

图2 加载囊和约束工装

3 加热方式

结构热试验中，通常采用传导、对流、辐射等3种基本方式对结构进行加热，包括以石英灯/石墨为代表的辐射加热、以电阻丝为代表的接触加热和以高温空气/燃气为代表的对流加热。本文讨论的热-压耦合试验采用辐射加热和传导加热两种形式。

3.1 辐射加热

石英灯是结构热试验中辐射加热的典型代表，其采用钨丝螺旋结构并密封于石英玻璃管中，管内充有惰性气体，防止钨丝升华使石英玻璃变黑，影响玻璃的透光性。石英灯在通电后，灯丝温度快速升高，通常达2000℃以上，最高可达3200℃。因其尺寸小、功率大、热效率高、热惯性小等优点，在结构热强度试验中广泛使用。加热器一般采用图3所示的形式，石英灯固定于铜质水冷导流条上，内部做成空腔通水冷却，导流条上设计电极，用于石英灯通电。

图3 石英灯加热器模型

进行加热器设计时，采用式(1)估算加热器输出功率，根据试验需要的功率密度进行石英灯规格和排列方式的选择。

P=q/η

(1)

式中，P为加热器单位面积输出功率，kW/m2；q为结构表面吸收的热流密度，kW/m2；η为加热器热效率。

根据经验可知，加热器热效率一般可取40%-50%。

根据温升要求进行结构表面吸收的热流密度的估算。

q=cρδ(dT/dt)

(2)

式中，c为试件的比热容，J/(kg·℃)；ρ为材料密度，kg/m3；δ为试件厚度，m；dT/dt为试件表面温升速率，℃/s。

考虑结构高温存在热损失的影响，其主要为热辐射损失，可采用斯蒂芬-玻尔兹曼黑体定律，即：

(3)

式中，qs为试件的热损失，kW/m2；ε为试件表面黑度系数，一般取0.85；σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数，取5.67×10-11kW/(m2K4)；Tw为试件表面的热力学温度，K。

结合式(2)、式(3)可预估加热时试件表面的热流密度，根据计算结果确定加热器的加热功率，得到石英灯加热器的设计规格。石英灯加热一般采用控制器，通过调节石英灯两端的电压控制石英灯功率输出，以满足不同的功率需求。

3.2 热传导加热

热传导加热是发热体与试件相接触，通过表面之间的热传导来实现加热。常采用的加热元件为镍镉电热丝，通过柔性高硅氧布或者陶瓷套管进行绝缘和密布编制。图4所示为常用加热带，加热带通过给电极通电进行加热，正常情况下工作温度可达1100℃。电热丝加热由于其热惯性较大，同时由于接触热阻的存在，热交换效率较低，多用于恒温控制。

图4 高硅氧布和陶瓷加热带

热传导加热最大的优势是可以把均布的力学载荷施加到加热带上，通过加热带传递力学载荷，而不影响其加热效果。加热带一般用于恒温加热试验，通过控制固态继电器的开断达到控温的目的。

4 压力控制方式

结构热试验中，试验压力通常在1.0MPa以内，采用电磁阀和比例阀作为执行元件来进行压力控制，可以满足试验条件。图5所示为压力试验控制示意图，压力源通常采用空压站提供的气压或者由柱塞式压力泵提供，可提供压力范围为0.8MPa～1.0MPa。试验时，控制器通过压力变送器进行压力值的采集，并与命令值进行比较，通过相应的算法对充压阀和排压阀进行控制，完成对试验件所需压力的调节。

图5 压力试验控制示意图

4.1 电磁阀控制

电磁阀是利用电磁线圈通电后产生磁力吸引克服弹簧的压力带动阀芯动作，可实现开关功能，可作为用来控制流体的自动化基础元件，控制液体、气体等，通过控制开断来调整介质流通，达到控制压力的目的。

电磁阀控制压力通常采用一对电磁阀来完成，一个控制充压(DO1)，一个控制排压(DO2)。根据实际情况，电磁阀可以选择常开阀或者常闭阀。本文中的控制方式所依据的电磁阀为常闭阀，其控制逻辑如图6所示。

图6 电磁阀控制逻辑

设置电磁控制的误差带，其值分别为E1、E2、E3和E4。

Error=Command-Feedback

上式中，Error为误差；Command为命令值；Feedback为反馈值。

故E1、E2为小于0的数，E3、E4为大于0的数。

从图中的控制逻辑可知，对于充压电磁阀来讲：

对于排压电磁阀来讲：

控制器通过误差来判断充压和排压电磁阀的通断，实时控制试验所需的压力，实现恒压或者按压力时间曲线进行加载。

4.2 电磁比例阀控制

电磁比例阀是一种通过控制电磁力来调节薄膜开口大小的执行元件，相较于电磁阀的开断，其可以通过调节阀开度的大小来完成更为精准的加载[3]。采用经典PID对电磁比例阀进行控制，其算法为：

式中，e(t)为误差；kp、ki、kd为比例、积分和微分参数。

为了满足加载速率较高的试验需求，采用前馈补偿PID控制算法，图7所示为控制算法框图。

图7 带前馈补偿的PID

控制算法可表示为：

式中，F为前馈参数；R为期望值。

前馈补偿算法可有效提高加载速率，其参数的选择一般可依据当前加载速率需要打开阀开度的50%～70%进行预估，可以有效增加系统的响应速度，减小超调量。

4.3 电液伺服阀控制

电液伺服阀是电液伺服控制中的关键元件，是一种通过接受模拟电信号后相应输出调制的流量和压力的液压控制阀，其具有动态响应快、控制精度高、使用寿命长等优点，通常使用在液压作动缸上，用来控制液压缸的收放进行加载控制。

图8所示为由电液伺服阀和保护电磁阀组成的内部结构图，其中2为电磁阀，3为单向节流阀，4为方向阀，5为液控阀，6为伺服阀，A和B为充压口。当2打开时，3、4锁死，油路打通可以工作，伺服阀通过控制信号作用，来控制滑块位置。当A与高压油路P导通时，则B与回油T导通，此时A中充压；当A与回油T导通时，则B与高压油路P导通，此时B中充压。分析原理可知，当用伺服阀进行充压时，需要堵塞A、B其中之一。电液伺服阀由于其工作压力往往在21MPa，可用于结构热试验中的超高压试验，控制精度较高。

图8 电液伺服阀结构

5 试验验证

试验采用MTS协调加载控制器进行，该控制器主要用于液压伺服加载，通过计算通道、加热输出限幅，并结合热试验的特点进行二次开发，可进行热-压试验。

在某项试验中，利用加载囊和高硅氧布加热带的形式进行加载和加热，采用电磁阀和固态继电器作为控制执行器，温度保持100℃，压力载荷采用分级加载方式进行，其控制曲线如图9所示。在加载过程中，由于采用误差带控制形式，反馈值出现了类似于锯齿状形式，曲线跟随性很好，反馈值波动较明显。

图9 电磁阀控制曲线

以石英灯加热和电磁比例阀为执行器的试验，采用PID控制方式，根据实时误差进行计算，精确控制输出的大小，实时调整，控制精度高，曲线跟随性好，可有效消除其稳态误差；以电液伺服阀为执行器，由于其可在较高压力下工作，对于超高压试验具有良好的控制效果，控制曲线如图10所示。

对比采用不同的执行元件进行的试验，从结果分析可以看出：

(1)采用电磁阀作为执行器的控制曲线虽然可以满足试验要求，但其波动较大，电磁阀控制的特性决定了其难以消除静态误差。

(2)采用比例阀作为执行器的控制曲线较为光滑，控制精度较高。采用电液伺服阀可以控制较高的压力，但其对油液的洁净度要求较高。

(a)电磁比例阀曲线

(b)电液伺服阀曲线图10 电磁比例阀和电液伺服阀控制曲线

(3)加热方式的选择可提高温度的控制精度；石英灯加热方式相比于使用固态继电器的接触加热来说，其结构复杂、成本较高。

(4)相比较不同的执行器，电磁阀的价格较低，控制算法简单，实现较易；电磁比例阀和电液伺服阀价格较高，控制算法复杂，但控制精度高。

6 总 结

本文讨论了结构热试验中热-压耦合试验常用的加载方法，讨论了不同的加热加载设计思路，结合不同的执行元件在热-压耦合试验中的基本控制原理，分析了各自的控制算法，结合试验对比了各种控制方式的优缺点，为试验方案设计提供了技术支持。