[科普中國]-熱振

熱振是材料表面處理后的一種檢驗方法，將受檢試樣在一定溫度下進(jìn)行加熱，然后使之驟然冷卻，便可測得許多鍍層的結(jié)合力，這是由于基材和鍍層的熱膨脹系數(shù)不同而發(fā)生變形差異引起的。

概念熱振是一種典型的多場耦合問題，例如航空發(fā)動機(jī)、核電站、高速飛行器等。這類結(jié)構(gòu)通常工作在高溫－振動環(huán)境下，因此熱應(yīng)力和振動成為影響結(jié)構(gòu)剛度、應(yīng)力、頻率和壽命的重要因素，有必要開展熱振作用下結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計研究。熱振作用下結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計一般為：一方面需要熱控制，具有足夠的散熱性或隔熱性，以便使結(jié)構(gòu)獲得合適的溫度；另一方面又需要振動控制，使結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離工作頻率，以避免共振現(xiàn)象。

燃燒室復(fù)雜結(jié)構(gòu)的熱振特性研究所謂復(fù)雜結(jié)構(gòu)是指構(gòu)型復(fù)雜、由多種材料組成、工作環(huán)境復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，例如飛行器的發(fā)動機(jī)燃燒室就屬這類結(jié)構(gòu)。為了減輕質(zhì)量，增加內(nèi)部空間，提高飛行器的服役能力，燃燒室多采用薄壁結(jié)構(gòu)，其材料參數(shù)非單一，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜。在加熱過程中，由于燃燒室不同位置處受熱的情況不同，因此在其表面會產(chǎn)生較大的溫度梯度，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，進(jìn)一步影響其動力學(xué)特性。另一方面，燃燒室內(nèi)部的火焰筒結(jié)構(gòu)在溫度場的作用下會產(chǎn)生熱變形，進(jìn)而會影響火焰筒的冷卻與燃燒，溫度升高所產(chǎn)生的熱載荷也會降低結(jié)構(gòu)的橫向剛度，甚至可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的屈曲。因此研究這類結(jié)構(gòu)在熱環(huán)境下的振動特性對于結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性具有重要的意義。

國內(nèi)外學(xué)者圍繞結(jié)構(gòu)在熱環(huán)境下的振動問題從理論和試驗等方面開展了諸多研究。針對結(jié)構(gòu)的氣動彈性問題開展了理論研究，期間的許多研究成果成為熱氣動彈性的基礎(chǔ)。從理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬的角度研究了鐵木辛柯梁在熱環(huán)境狀態(tài)下的振動特性，求解過程中考慮了軸向溫度變化以及隨溫度變化的彈性模量的影響。介紹熱環(huán)境下結(jié)構(gòu)的測試方法技巧，并利用鋁板搭建了熱振測試平臺，得到鋁板在熱環(huán)境下動力學(xué)參數(shù)變化的規(guī)律。利用中空翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱環(huán)境下的振動特性研究，得到了高達(dá)900℃熱環(huán)境下結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。研究旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)在熱環(huán)境下的振動問題，指出結(jié)構(gòu)的固有頻率同時受到溫度場和離心剛度的共同影響。針對熱、聲效應(yīng)的共同作用環(huán)境，對壁板顫振問題進(jìn)行研究。圍繞高超聲速中流場-熱-結(jié)構(gòu)耦合的建模、載荷、響應(yīng)等問題進(jìn)行研究。使用有限元建模與分析方法分析再入飛行器的熱防護(hù)系統(tǒng)，包括其熱應(yīng)力、熱震顫等。使用多物理場有限元法對火箭噴嘴在點(diǎn)火階段的結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)問題進(jìn)行研究。圍繞復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在熱環(huán)境中振動問題的研究進(jìn)行得也較多，而針對多種子結(jié)構(gòu)組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其材料參數(shù)非單一，對其在加熱過程中動力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律的研究稍顯不足。若能基于數(shù)值模擬和試驗的方法得到該類復(fù)雜結(jié)構(gòu)在熱環(huán)境下的動力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律，將具有十分重要的意義。研究以沖壓發(fā)動機(jī)的燃燒室為例，首先從理論上分析了影響結(jié)構(gòu)熱剛度矩陣的主要因素。然后從數(shù)值模擬角度研究了不同工況下結(jié)構(gòu)動力學(xué)參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，重點(diǎn)分析了彈性模量、熱應(yīng)力以及幾何非線性的影響。最后完成了燃燒室熱模態(tài)試驗的設(shè)計與結(jié)果分析，研究了不同工況下結(jié)構(gòu)振型、固有頻率及模態(tài)阻尼隨溫度的變化規(guī)律，并驗證了數(shù)值模擬方法的可行性。

理論基礎(chǔ)（1）熱環(huán)境下的應(yīng)力描述

在已知瞬態(tài)溫度場的基礎(chǔ)上計算每一時刻各點(diǎn)的溫度初應(yīng)變ε0=α（T-T0），α為熱膨脹系數(shù)。對于彈性體結(jié)構(gòu)，在有約束無法自由熱膨脹或在外載荷作用下會產(chǎn)生應(yīng)變。因此，當(dāng)彈性結(jié)構(gòu)存在初應(yīng)變的情況下，其總應(yīng)變?yōu)闇囟瘸鯌?yīng)變和彈性應(yīng)變兩者之和，即：ε=ε0+D-1σ

上式可以改寫為：σ=D（ε-ε0）

式中：σ為熱應(yīng)力，D為彈性矩陣。

（2）結(jié)構(gòu)熱剛度矩陣的形成

考慮溫度效應(yīng)的情況下，結(jié)構(gòu)初始剛度矩陣主要受兩種狀態(tài)的影響而發(fā)生變化：升溫使得結(jié)構(gòu)材料的彈性模量E發(fā)生變化；結(jié)構(gòu)升溫后內(nèi)部存在的溫度梯度引起了熱應(yīng)力。針對上述兩種狀態(tài)，以飛行器燃燒室結(jié)構(gòu)為例，分析初始剛度矩陣的變化。對于第一種情況，當(dāng)燃燒室所處熱環(huán)境異常嚴(yán)酷，結(jié)構(gòu)表面的溫度值和非均勻性都較高時，需考慮幾何非線性影響，記升溫后結(jié)構(gòu)的剛度矩陣為：KT=∫BTDTBdΩ

式中：B=BL+BN為幾何矩陣，包括線性和非線性兩個部分；DT為與材料彈性模量E和泊松比μ相關(guān)的彈性矩陣，溫度變化時DT也相應(yīng)發(fā)生變化。則：KT=KL+KN

式中：初始剛度矩陣KL=∫BLTDTBLdΩ；幾何非線性剛度矩陣KN=∫ΩBLTDTBN+BNTDTBNdΩ。對于第二種情況，即當(dāng)結(jié)構(gòu)升溫后內(nèi)部存在的溫度梯度引起了熱應(yīng)力時，需要在結(jié)構(gòu)的剛度矩陣中附加一初始應(yīng)力剛度矩陣。記結(jié)構(gòu)的初始應(yīng)力剛度矩陣為Kσ=-∫GTгGdΩ，其中G為形函數(shù)矩陣，г為應(yīng)力矩陣。當(dāng)考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性（KN）時，結(jié)構(gòu)總的熱剛度矩陣為：KT=KL+KN+Kσ

（3）考慮溫度效應(yīng)的結(jié)構(gòu)熱模態(tài)分析方法

在穩(wěn)態(tài)溫度場下，無阻尼系統(tǒng)的自由振動方程為Mx+Kx=0→(K-ω2M)φ=0

式中：K為熱效應(yīng)下修正的熱剛度矩陣；φ為n階向量；ω為與向量φ對應(yīng)的振動頻率。

數(shù)值模擬利用有限元分析的方法開展數(shù)值模擬是研究結(jié)構(gòu)熱環(huán)境狀態(tài)下振動特性的有效途徑，此處仍以發(fā)動機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)為例。該發(fā)動機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)主要分為前段、中段、后段三部分，中段和后段主要由內(nèi)外兩層組成，且中段的內(nèi)外層通過復(fù)雜環(huán)狀結(jié)構(gòu)和剛性單元連接而成，各部分的主要材料類型分別為30CrMnSiA，GH4099，TA15。建模過程中采用的單元有殼單元、實體單元和剛性單元，其有限元模型如圖1所示。

針對要研究的問題，考慮到發(fā)動機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)在試車狀態(tài)下所處的最高溫度不超過600℃，設(shè)計了5種計算工況，未加熱模態(tài)和300，400，500，600℃加熱模態(tài)分別對應(yīng)工況1—5。利用商用軟件Abaqus對結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計算，熱環(huán)境下的模態(tài)計算需要考慮溫度場以及隨溫度變化的材料參數(shù)，如彈性模量、泊松比、線膨脹系數(shù)等，計算所用到的材料參數(shù)見表1和表2。在計算過程中，缺失的一些參數(shù)將根據(jù)計算的溫度場由軟件自動插值獲取。相比未加熱狀態(tài)模態(tài)計算，熱模態(tài)計算的主要過程是根據(jù)結(jié)構(gòu)所處的溫度場首先求解結(jié)構(gòu)在高溫下的熱應(yīng)力，然后以此熱應(yīng)力為預(yù)應(yīng)力，并結(jié)合隨溫度變化的材料參數(shù)求解結(jié)構(gòu)在熱環(huán)境下的模態(tài)。燃燒室仿真前三階頻率隨溫度變化曲線如圖2所示，可以看出，隨著溫度的升高，前三階的頻率呈現(xiàn)下降趨勢。這主要是由于加熱引起材料的彈性模量下降，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)的剛度，使得結(jié)構(gòu)固有頻率下降。未加熱狀態(tài)計算出來的前三階模態(tài)振型如圖3所示，對所有工況仿真計算的結(jié)果進(jìn)行對比分析可以發(fā)現(xiàn)，各種工況下的模態(tài)振型均未發(fā)生變化，而發(fā)生變化的主要是模態(tài)頻率。

研究結(jié)論沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室是一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，分析其熱振特性時不僅要考慮彈性模量的變化，還要考慮熱應(yīng)力分布以及幾何非線性因素的影響。文中完成了燃燒室結(jié)構(gòu)的數(shù)值模態(tài)分析，并建立了熱振試驗平臺，完成了模態(tài)試驗分析，主要結(jié)論如下所述。

1）對比數(shù)值分析和實驗結(jié)果，燃燒室結(jié)構(gòu)振型及模態(tài)頻率變化規(guī)律具有一致性，表明了實驗有效，數(shù)值模擬正確。

2）對自由-自由狀態(tài)的燃燒室結(jié)構(gòu)，數(shù)值分析和實驗結(jié)果均表明，隨著溫度升高，結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率呈下降趨勢。實驗結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的模態(tài)阻尼呈升高—下降—升高的趨勢，表明結(jié)構(gòu)的耗能特性受溫度影響。

3）數(shù)值分析和實驗結(jié)果均表明，在均勻加熱狀態(tài)下，溫度的變化不影響結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型。對于自由-自由狀態(tài)的燃燒室結(jié)構(gòu)，在加熱的過程中，影響模態(tài)頻率下降的主要因素是彈性模量的變化，熱應(yīng)力分布和幾何非線性的影響可以忽略。1

焊接構(gòu)件熱振復(fù)合時效的數(shù)值和試驗分析海洋平臺建造過程中焊接工作量大，殘余應(yīng)力問題顯著。焊接殘余應(yīng)力可降低構(gòu)件承載能力和疲勞壽命、加速應(yīng)力腐蝕和脆性斷裂的發(fā)生。因此焊后消除應(yīng)力在生產(chǎn)中往往是非常重要的。實際生產(chǎn)中主要采用的局部熱時效法，易引起組織和性能的變化。因此海洋平臺建造過程中開始考慮采用振動時效調(diào)整焊接殘余應(yīng)力。振動引起的動應(yīng)力與殘余應(yīng)力迭加后超過材料的屈服強(qiáng)度，高應(yīng)力區(qū)發(fā)生局部屈服釋放殘余應(yīng)力。微觀角度認(rèn)為振動會引起材料屈服強(qiáng)度降低或內(nèi)部位錯的運(yùn)動和增殖。但對于海洋平臺建造過程中大量高剛度、共振頻率高的DH36厚板焊接結(jié)構(gòu)，常規(guī)振動時效設(shè)備難以達(dá)到共振頻率，效果有限。存在的高頻振動時技術(shù)受到設(shè)備的限制一般用于小尺寸或薄壁構(gòu)件。大剛度焊接構(gòu)件在非共振頻率下的振動消應(yīng)力處理仍為一亟待解決的技術(shù)難題。

針對DH36低合金鋼大剛度焊接構(gòu)件在非共振下的振動消應(yīng)力問題，提出了熱振復(fù)合時效(thermal-vibrationstressrelief，TVSR)方法。對比了VSR與TVSR消應(yīng)力的效果，并采用試驗與有限元法相結(jié)合的方法討論了TVSR作用機(jī)理。

試驗結(jié)果及討論（1）試件模態(tài)分析

為了估算試樣的固有頻率和振型，借助有限元分析的手段進(jìn)行模態(tài)分析，根據(jù)實際尺寸建立的有限元模型。試驗中試件置于橡膠墊上，無固定約束，故將模型簡化為自由振動。求解方法為模態(tài)分析法，單元類型為殼單元。所采用的材料參數(shù)為彈性模量為1.8×105MPa，泊松比為0.3，密度為7.85×10-9kg/mm3。最終得到的一階固有頻率127Hz，對應(yīng)一階振型如圖4所示?？梢娫嚇釉陂L度方向上做橫向的彎曲振動，試樣中心的振幅最大。

（2）振動時效(VSR)試驗

振動時效設(shè)備振動頻率范圍為0～100Hz，系統(tǒng)一階固有頻率超過激振器的激振，因此VSR無法在固有頻率附近進(jìn)行。經(jīng)過多次嘗試，在保證試驗平穩(wěn)進(jìn)行的前提下盡可能提高振動頻率，最終將激振器的轉(zhuǎn)速確定為5537r/min(92Hz)，檔位為7檔，所對應(yīng)的激振力為36.5kN，處理時間30min，拾振點(diǎn)位于焊縫中心。殘余應(yīng)力測量結(jié)果如圖5所示。橫向殘余應(yīng)力與縱向殘余應(yīng)力的峰值均位于焊縫邊緣處。VSR后橫向殘余應(yīng)力降低22.6%，縱向殘余應(yīng)力降低6.7%。理論上，工件在共振頻率下能取得最大的振幅，在內(nèi)部形成最大的動應(yīng)力，從而得到最好的VSR效果。但是在振動時效過程中，激振頻率一般是固定的，而工件的共振頻率則是變化的。伴隨著殘余應(yīng)力的釋放，工件的共振頻率會有所降低。因此一般VSR在略低于振條頻率下進(jìn)行。隨著工件共振頻率的降低，激振頻率接近、覆蓋或越過工件的共振頻率。這樣的做法可以較好地保證在VSR處理過程中工件能以較大的振幅振動。由于試驗中構(gòu)件的整體剛度較高，固有頻率較高，導(dǎo)致振動時效處理時的頻率與固有頻率相差35Hz，距亞共振條件較遠(yuǎn)，消應(yīng)力效果有進(jìn)一步提升的空間。

研究結(jié)論（1）針對大剛度厚板焊接構(gòu)件剛度大，固有頻率高，VSR難以發(fā)揮作用的情況，提出了非共振條件下使用熱振復(fù)合時效處理的方法。使用試驗和數(shù)值模擬的方法分析了其機(jī)理。TVSR通過降低DH36材料的彈性模量實現(xiàn)固有頻率的降低，通過降低屈服強(qiáng)度提高殘余應(yīng)力的釋放程度。

（2）55mm厚DH36矩形焊件經(jīng)TVSR處理后橫向和縱向殘余應(yīng)力分別降低41.3%和43.6%。局部加熱提高振動時效過程中焊縫附近金屬的溫度，可以有效地提高振動時效的效果。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

程鵬 - 副教授 - 西南大學(xué)