三维扫描测振技术在液体火箭发动机模态试验中的应用

闫 松，李 斌，李斌潮，李 锋

(西安航天动力研究所液体火箭发动机技术重点实验室，西安710100)

三维扫描测振技术在液体火箭发动机模态试验中的应用

闫 松，李 斌，李斌潮，李 锋

(西安航天动力研究所液体火箭发动机技术重点实验室，西安710100)

针对传统的黏贴振动传感器的模态试验方法存在附加传感器质量影响及振型空间分辨率不高等问题，研究了利用激光测振系统和机器人平台对复杂结构进行三维扫描振动测试的方法。并以液体火箭发动机(LRE)推力室和氧化剂入口管为例，通过三维扫描测振技术对二者进行模态测试，获取了空间分辨率极高的模态振型，定量分析了传感器附加质量对管路模态测试的影响，研究结果表明三维扫描测量方法具有精度高、测试速度快、测点数量不受限制等优势。

三维扫描;激光测振;液体火箭发动机;机器人

0 引 言

液体火箭发动机特别是中国新一代高压补燃液氧煤油发动机采用补燃循环提高性能，结构中存在大量细管路，且空间走向错综复杂，如果其与激励之间发生耦合共振，则会在很短时间内产生疲劳断裂。因此掌握管路的结构动力学特性，避开发动机试车时的主导频率，对于其结构完整性有重要意义［1］。试验模态分析是了解结构动态特性的重要手段，一方面可以改进结构设计，避开共振频率;另一方面可以为有限元模型修正提供准确的试验结果［2－3］。传统的模态试验方案利用力锤或激振器作为激励源，采用蜂蜡或者螺栓连接等手段将加速度传感器固定于被测物体表面，测量各响应测点相对于激励点的频响函数，从而得到被测物体的模态参数［4－5］。这种方法在实际工程应用中存在以下不足:1)试验测点数量受传感器及测量通道数限制，测点数量较少，合理布置测点位置存在较大困难，虽然发展了大量算法用于优化布置传感器，如模态动能法，有效独立法等［6－8］，但这些算法大多建立在有限元模型准确的基础上，限制了其在工程复杂结构上的应用;2)对于轻薄结构或刚度较弱结构存在传感器附加质量和刚度的影响;3)每一个3向传感器都需要空间和轴向定位，如果测试结果用于后续的相关性等分析，传感器的定位需要很精确，对于管路等弧面结构，实际操作中往往难以实现。

激光测振技术是近年来发展起来的一种非接触式振动测试方法，它利用激光多普勒效应，当被测结构发生移动，接收到的光波频率会发生变化，通过测量光波改变的频率得到被测结构的移动速度。Gade等［9］指出激光测振技术对于轻质、微小，高温结构的振动测量有独特优势，且由于激光束可以在很短的时间内扫描许多点，因此相对于传统方法测试时间更短。Doupe等［10－11］在对FalconSAT－5卫星的有限元模型修正时，采用激光测振手段获取了面板等平整结构的模态参数，测量了FalconSAT－5卫星超过2000个测点的脉冲响应，并研究了修正模型所用测点数目不同对修正结果的影响。但想要获得三维结构的模态振型，需要360度移动激光扫描头，实际应用中存在困难。李晖等［12］通过组建激光旋转扫描模态测试系统，实现了对圆柱壳的三维振型的测量。

为了精确获得复杂结构的模态参数，我所引进了联合激光测振系统及机器人平台的试验设备，它将3个激光扫描头安装固定于一个6自由度的机器人手臂上，通过机器人机械手臂的移动实现对复杂结构的全方位三维扫描测量。Polytec公司的Oliver等［13］曾阐述了该设备工作原理，本文侧重于三维扫描测振技术在液体火箭发动机模态试验中的应用研究。通过对液体火箭发动机推力室和氧化剂入口导管的模态测试，比较其与传统测试方法的优缺点。

1 试验原理及方法

图1为测量系统原理示意图，测量时，3个激光扫描头聚焦到同一点，通过不同方向的3个激光扫描头测量同一点的振动速度，可以得到该点的在空间任意XYZ3个方向的振动速度。激光扫描头测量得到的光学响应信号由其内部光学器件接收后，传输到激光数据采集及控制设备转换为电信号，通过计算机记录振动数据。激光扫描头安装于机器人机械臂上，通过机械臂的移动实现对被测物体表面的全场扫描。机器人运动路径由试验人员在机器人编程面板预先定义，机器人按照定义好的路径对扫描网格测点逐个进行测量，激光扫描头的位置信息由机器人控制柜传递给主机。采用激振器对被测物体施加激励，一般采用Burst chirp或Burst random激励信号，对每个测点采用多次平均测量，PSV测试软件对响应信号和激励信号进行数据采集。

试验步骤如下:

1)试验准备阶段。按试验所需状态固定被测件，连接激振器及力传感器。通过机器人编程面板操纵移动激光扫描头到空间某一合适位置M1，记录此时机器人位置坐标，在被测物体表面定义扫描点，扫描出被测物体该区域外形轮廓;依次挪动激光扫描头到其他位置M2，M3，…，记录机器人位置坐标，同样定义这些位置的扫描点，直到整个被测物体表面测点定义完毕。

2)自动测试阶段。如图2，程序自动运行，机器人按定义好的路径运行到预定空间坐标M1，在该位置激光扫描头对该区域定义的网格点逐个进行测量，激振器每激励一次，激光对一个测点响应信号进行一次测量。该区域所有测量点扫描完毕后，机器人运行到下一预定空间坐标M2，继续扫描测量该区域所对应的网格点，重复以上步骤直到所有测点测量完成。

3)数据后处理阶段。对得到的频响函数进行分析，观察振动变形等，将数据导出到外部软件进行模态分析。

由试验过程可知，对于不同批次相同产品的模态测试变得极为方便，因为只需定义一次机器人移动路径及扫描点，整个测试过程高度自动化。

2 液体火箭发动机推力室模态测试

图3为液体火箭发动机推力室有限元模型，图4为通过激光扫描得到的外轮廓特征，即试验测点模型，对于喷管集液环以下部位未扫描(集液环位置见图3)。整个试验模型共包括了2573个测点，由不同的颜色组成，颜色的不同代表了自动测试阶段机器人是在不同位置完成了对整个模型的三维扫描测量。由于激振器和泵架杆等障碍物遮挡，推力室表面某些区域激光不能到达，因此模型中有部分“窟窿”。

图5为传统的黏贴传感器试验模型，受测量通道数及工作量限制，共布置176个测点，由此可见，三维扫描测振技术较以往的黏贴传感器的试验测试手段极大的丰富了数据信息。

图6所示为机器人在某一位置时，激光扫描头对该区域的测量点进行逐个扫描测量的过程，绿色的点表示已扫描测量点，蓝色点表示待扫描点。图7和图8比较了三维扫描试验结果与传统试验结果，图7(a)、7(b)分别为649.8 Hz下推力室的振动变形及模态振型，从图中可以看出三维扫描所得振型各测点振动模式一致，振型分辨率高，而传统试验方法所得该阶固有频率为650.2 Hz，与激光测振结果仅相差0.4 Hz，但振型分辨率低，各测点一致性较差。图8(a)、8(b)分别为737.2 Hz下两种方法得到的喷管扩张段5节径呼吸振型，三维扫描所得振型清晰，而传统的试验模型由于测点数量所限，对高阶振型分辨力较差，精确的测量结果使得激光测试手段用于相关性分析和故障检测时具有显著优势［14］。

由于试验模态和有限元模态的自由度是不一致的，因此需要对有限元模型进行缩聚，以进行相关性分析。三维扫描测振所得每个测点的空间定位很精确，这对于后续相关性分析非常方便，图9为同一坐标系下的有限元模型与三维扫描试验模型，在LMS.virtual.lab中可以自动搜索距离各个试验测点最近的有限元节点，实现试验测点和有限元节点的自动配对，为下一步模型缩聚做准备，这避免了传统测试手段需要记录每个试验测点的位置坐标，对试验测点和有限元节点手动逐个配对的弊端。图10黄色网格为在最大15 mm容差范围内，将有限元模型缩聚，仅保留与试验测点相对应的节点，共有2179个有限元节点与试验模型相对应，黑色圆点表示该试验测点没有找到有限元节点与之对应，主要集中在泵架杆和集液环上，这是因为有限元模型采用梁单元，而试验测点位于结构表面，试验测点与有限元模型的节点大于15 mm容差的缘故。

3 氧化剂入口管模态测试

液体火箭发动机中存在大量的细管路，其与激励耦合共振问题十分突出。由于推力室中推进剂燃烧激励频率较高，因此主要关心的是管路的高阶振型，需要在管路上布置较多测点以提高振型分辨率。传统试验方法主要有两个问题:1)管路走向复杂且表面是弧面，将10 mm×10 mm加速度传感器以20 mm间距布置到管路表面并非易事，且传感器的空间位置难以准确确定;2)附加传感器质量和刚度会改变细管路结构动力学特性。

为了具体说明传感器附加质量对于管路的固有频率测量的影响，设计了三种不同的试验状态，如图11，管路上等间距布置了8个塑料底座用来安装固定振动传感器，三种状态分别为:状态1，整个管路中只有8个塑料底座，由于塑料底座重量非常轻，可以认为此时状态为管路真实状态;状态2，中间位置布置了一个传感器，即图11状态;状态3，安装8个振动传感器，此状态即是传统方法进行模态测试的状态。

氧化剂入口管的参数如下:外径16 mm，内径12 mm，长度约为 300 mm。传感器型号 B＆K 4524B，重量约为5克。对于全部三种状态，采用激光测试中间位置传感器附近(图11激光点位置)的频响函数，对于状态2，采用LMS测试系统记录中间位置传感器的频响函数作为对比验证。

为了减少随机误差影响，尽量使两种测试手段试验状态一致。激光采用Burst Random激励信号，平均10次，带宽2000 Hz，谱线数6400，频率分辨率为0.3125 Hz，微型激振器激励(如图11)。LMS测试同样采用Burst Random激励信号，平均10次，带宽2048 Hz，谱线数8192，频率分辨率为0.25 Hz，微型激振器激励，激励力大小和激光测试方法相同。

图12为激光对状态1(无传感器，Laser-zero)、状态2(只有一个传感器，Laser-one)、状态3(有8个传感器，Laser-eight)，以及LMS测试系统对于状态2 (只有一个传感器，LMS-one)的频响函数测试结果。选取500 Hz到1800 Hz之间，如图12所示状态1曲线四个典型的突频点进行分析。

表1 传感器附加质量影响分析Table 1 Analysis of the effect of sensor's added mass

表1给出了对应于状态1四个突频，其他三个测试状态所对应的峰值频率点。从表1及图12中可以看出，对于本试验考察的氧化剂入口管，三种状态下激光测得的前两个突频位置的频响函数基本重合，说明在小于830 Hz时，传感器附加质量影响还不显著，但8个传感器状态在680 Hz处额外出现了一个峰值;当大于830 Hz时，采用8个传感器所得的频响函数与真实的频响函数相差较大，说明8个传感器附加质量改变了原管路的结构动力学特性，此时测试结果已不能反映管路真实的模态特征。而附加一个传感器所得频响函数趋势上与真实的频响函数一致，只是由于附加质量的影响造成峰值对应的频率稍有下降。在第3个峰值(1231.875 Hz)相比真实状态(1270 Hz)下降了3%，采用8个传感器时在1011.875 Hz有一个峰值，无法判断该处是否对应真实状态1270 Hz处的峰值;采用一个传感器第4个峰值(1479.0625 Hz)相比真实状态(1485.3125 Hz)下降了0.42%，而采用8个传感器对应该区域没有明显峰值。

LMS方法和激光测振方法对于状态2测量的频响函数趋势一致，但峰值对应的频率和幅值稍有差异，这可能是由于传感器高频段的测量误差，及由于管路表面的弧形，传感器定位的方向与激光的坐标系方向不完全一致导致。

通过以上分析可知，对于所关心的管路高频段，仅采用一个传感器的附加质量造成固有频率降低最大达3%，这足以对我们的判断带来混淆，而采用8个传感器进行模态测试将可能导致错误的结果。与传统测试方法相比，三维扫描测振的方法特别适合于测试该类细管的振动问题，测点空间位置定位准确且测点数多，对于分析高频振动对应的复杂振型十分有利。如图13所示为激光扫描头在两个空间坐标位置处扫描得到的整个氧化剂入口管模型(与传感器附加质量分析采用的不是同一台产品)。图14为管路的高阶振型，各测点振动速度的方向和大小均不同，采用三维扫描测振技术可以精确获取其振动模式，各测点一致性较好。相比于传统的试验方法，三维扫描测振技术的效率更高，完成整个试验过程只花费不到10分钟。

4 结 论

通过激光测振系统与机器人平台结合，可以实现对被测物体的360度扫描测量。其优点如下:1)不用黏贴振动传感器，测点数目多，增加测点数目很方便，不会显著增加工作量，无传感器附加质量的影响。2)振型的准确度高，一致性好。3)测试过程自动化，对同一批次的产品只需一次编程就可实现多次测量。4)可以实现对于微小、高温、辐射等场合下，传统方式无法实现的模态测试。

由其测试原理可知，三维扫描测振技术存在如下缺点:1)只能测量被测结构外表面的振动情况，对于内部及有遮挡的区域无能为力。2)对于自由－自由状态的模态测试，定义完扫描点后，这些点的空间位置坐标就已经确定了，整个测试过程被测物体不能移动。3)由于机器人手臂长度限制，激光扫描头能达到的空间范围有限，因此被测物体尺寸不能太大。总之，激光测振手段拓宽了模态试验的能力范围，提高了模态测试的精度。随着激光测振这种非接触式测试手段的普及，将会进一步促进相关性分析、误差定位、模型修正、故障检测等相关学科的发展。

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(编辑:张宇平)

Application of 3-D Scanning Vibrometry Technique in Liquid Rocket Engine Modal Test

YAN Song，LI Bin，LI Bin-chao，LI Feng
(Science and Technology on Liquid Rocket Engines Laboratory，Xi’an Aerospace Propulsion Institute，Xi’an 710100，China)

There are some problems with the traditional modal test method by pasting vibration sensors，such as influences of additional sensor mass，low mode shape resolution，etc.In order to solve these problems，3-D scanning measuring technique based on laser Doppler vibrometry and robot platform are studied.Taking the case of liquid rocket engine(LRE)combustion chamber and oxidant entrance pipe，modal tests based on 3-D scanning measuring technique are carried out and high spatial resolution mode shapes are obtained.The effect of the additional mass of the sensors on the pipe modal test results is analyzed quantitatively.The results show that 3-D scanning measuring method has the advantage of high precision，fast test speed，and unlimited number of measuring points，etc.

3-D scanning;Laser Doppler vibrometry;Liquid rocket engine;Robot

V416.2

A

1000-1328(2017)01-0097-07

10.3873/j.issn.1000-1328.2017.01.013

闫 松(1988－)，男，博士生，主要从事液体火箭发动机结构动力学建模、模型修正及模态试验研究。

2016-05-22;

2016-08-14