申请/专利权人：苏州长菱测试技术有限公司

申请日：2018-09-13

公开（公告）日：2024-07-05

公开（公告）号：CN109163870B

主分类号：G01M7/02

分类号：G01M7/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.07.05#授权;2019.02.01#实质审查的生效;2019.01.08#公开

摘要：本发明公开了放大梁结构及提高叶片振动疲劳试验中幅值比的方法，用于叶片振动疲劳试验，包括底座，所述底座上设置有放大体和夹具体，所述夹具体固定在所述放大体的上方，且所述夹具体和所述放大体呈一体式设置；所述夹具体上设置有压块，所述压块通过连接组件能够与所述叶片固定，所述连接组件包括榫头和榫槽，所述榫槽开设在所述压块上，所述叶片包括能够卡嵌在所述榫槽内的所述榫头。其能够提高振动疲劳试验中的幅值比，从而能够进行激振力较大、频率较高的叶片振动疲劳试验。

主权项：1.一种放大梁结构，用于叶片振动疲劳试验，其特征在于，包括底座，所述底座上设置有放大体和夹具体，所述放大体和所述底座之间固定有支撑块，所述夹具体固定在所述放大体的上方，且所述夹具体和所述放大体呈一体式设置；所述夹具体上设置有压块，所述压块通过连接组件能够与所述叶片固定；所述连接组件包括榫头和榫槽，所述榫槽开设在所述压块上，所述叶片包括能够卡嵌在所述榫槽内的所述榫头，所述榫槽位于槽口处的间距小于所述榫头的横截面上的最大距离，所述榫槽和所述榫头过盈配合，将榫头插设进榫槽内部后，榫头会受到榫槽的侧壁施加在其外壁上的预紧力，从而实现压块和叶片的固定；所述夹具体和所述压块可拆卸连接，所述夹具体开设有用于放置所述压块的凹槽，所述夹具体和所述压块之间设置有若干紧固件，所述压块上开设有便于定位的限位孔，在固定压块时，利用限位孔确定压块的准确位置，将任一紧固件穿设过限位孔实现压块和夹具体的预固定，然后再将剩余的紧固件固定在压块和夹具体之间，从而实现压块和夹具体的相对固定；所述压块包括柔性铰链，所述压块的底部开设有插入孔，所述插入孔内能够插设外扩件，所述外扩件能够增大柔性铰链的形变量，在安装叶片时，首先将外扩件伸入插入孔内部，以扩大柔性铰链的形变量，然后将榫头插设进榫槽的内部，然后将外扩件从插入孔内取出。

全文数据：放大梁结构及提高叶片振动疲劳试验中幅值比的方法技术领域本发明涉及振动测试领域，更具体的说涉及放大梁结构及提高叶片振动疲劳试验中幅值比的方法。背景技术周期性的气流激振力能够使压气机叶片以下简称叶片产生共振，从而导致其振动疲劳失效，通过叶片振动疲劳试验，可以测定其疲劳强度。采用电动振动台以下简称振动台对叶片施加激励，使叶片产生共振，通过叶片上控制点位移和应力的标定关系，可以得到叶片到达指定应力时的位移，对于频率在振动台工作频率范围内的叶片模态，控制系统可以提供足够的驱动使振动台达到相应的推力，激振叶片使叶片到达指定应力；对于频率相对较高，超出了振动台动圈工作频率的叶片模态，控制系统会因为驱动无法继续增大而使振动台达不到相应的推力。目前，主要通过设计梁结构的放大夹具，将振动台推力放大一定的倍数传递给叶片，控制系统驱动就可以满足试验要求。对于叶片一阶弯曲模态频率达到2500Hz～3000Hz的振动疲劳试验，由于对振动台推力和工作频率要求较高，故需要从夹具设计上来降低对振动台的输出要求，目前通常采用梁结构的放大夹具对振动台的推力进行放大，其原理是设计梁结构夹具的第一阶共振频率与振动台推力的激振频率尽量接近，使夹具能够满足叶片一阶高频弯曲模态的振动疲劳试验要求。但是，梁结构夹具的第一阶共振频率很难设计到3000Hz以上，故频率在3000Hz以上梁结构夹具的放大倍数不会很高，即放大夹具对振动台推力的放大倍数不高，使传递到叶片上的激振力不够。当叶片第五阶弯曲扭转复合模态振动疲劳试验频率超过3000Hz时，满足此频率的振动台的推力都较低，所以对叶片夹具的放大倍数要求较高；由振动力学知识可知，结构的高阶模态比低阶模态更难激发，因此叶片第五阶弯曲扭转复合模态振动疲劳试验所需的激振力比低阶模态振动疲劳试验的要求更高。综上所述，需要设计一种叶片夹具，其一阶共振频率要高，且夹具对振动台推力的放大倍数增大，进而增大了夹具体传递到叶片上的激振力，提高振动试验系统的幅值比，使其能够满足叶片高阶复合模态的振动疲劳试验。发明内容本发明要解决的技术问题是提供一种放大梁结构，其能够提高振动疲劳试验中的幅值比，从而能够进行激振力较大、频率较高的叶片振动疲劳试验。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种放大梁结构，用于叶片振动疲劳试验，包括底座，所述底座上设置有放大体和夹具体，所述夹具体固定在所述放大体的上方，且所述夹具体和所述放大体呈一体式设置；所述夹具体上设置有压块，所述压块通过连接组件能够与所述叶片固定，所述连接组件包括榫头和榫槽，所述榫槽开设在所述压块上，所述叶片包括能够卡嵌在所述榫槽内的所述榫头。进一步的，所述放大体和所述底座之间固定有支撑块。进一步的，所述夹具体和所述压块可拆卸连接，所述夹具体开设有用于放置所述压块的凹槽，所述夹具体和所述压块之间设置有若干紧固件。进一步的，所述压块上开设有便于定位的限位孔。进一步的，所述压块包括柔性铰链。进一步的，所述压块的底部开设有插入孔，所述插入孔内能够插设外扩件，所述外扩件能够增大所述柔性铰链的形变量。进一步的，所述榫槽位于槽口处的间距小于所述榫头的横截面上的最大距离。进一步的，所述榫槽和所述榫头过盈配合。本发明的另一目的在于提供一种提高叶片振动疲劳试验中幅值比的方法，包括以下步骤：A、根据放大梁结构的阻尼、质量和刚度，获取放大梁结构的阻尼比；B、根据放大梁结构的固有频率和激振频率，获取动力放大系数，其中放大梁结构的固定频率由放大梁结构的质量和刚度得出；C、绘制动力放大系数和放大梁结构的频率比间的幅频特性曲线，其中，频率比为放大梁结构的激振频率和固有频率之间的比值；D、减小放大梁结构的阻尼比和或增大放大梁结构的刚度，使得放大梁结构的动力放大系数增大。进一步的，在步骤D中，减小放大梁结构的阻尼比和或增大放大梁结构刚度的方法包括所述夹具体和所述底座间增加所述支撑块。本发明的有益效果：1、将放大体和夹具体设置成一体式，能够增大放大体和夹具体之间的刚度，减少了梁结构的设计对传递特性的影响，使得梁结构能够承受较大的载荷的激励，从而提高了放大梁结构的一阶共振频率，并能够适应频率较高的叶片振动疲劳试验；2、减小夹具体的阻尼比和或增大夹具体的刚度，增大夹具体的动力放大系数，从而能够使得底座传递到叶片上的激振力增大，增大了整个振动试验系统的幅值比，使得能够在振动台推力较小的情况下，作用在夹具体上的激振力能够使得达到指定的应力，从而满足叶片高阶复合模态振动疲劳试验的要求。附图说明图1是放大梁结构的结构示意图；图2是放大梁结构的主视图；图3是叶片和压块的爆炸视图；图4振动台动圈的动态特性图；图5是实施例一中未加支撑块的叶片高阶复合模态振动疲劳试验谱图；图6是实施例一中加支撑块的叶片高阶复合模态振动疲劳试验谱图；图7是振动试验系统的示意图；图8是实施例二中未加支撑块的叶片高阶复合模态振动疲劳试验谱图的谐振搜索与驻留窗口；图9是实施例二中加支撑块的叶片高阶复合模态振动疲劳试验谱图的谐振搜索与驻留窗口；图10是R-r幅频特性曲线。其中，11、振动台台体；12、动圈；13、磁缸盖；14、驱动线圈；15、励磁线圈；16、磁缸底；17、振动台基座；18、中心磁极；2、底座；21、支撑块；3、夹具体；31、凹槽；4、压块；41、限位孔；42、榫槽；43、紧固件；44、柔性铰链；5、叶片；51、榫头。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。实施例一一种放大梁结构，参照图1和图2，包括底座2，底座2上设置有用于固定叶片5的夹具体3，夹具体3和底座2固定连接。在对叶片5进行振动疲劳试验时，底座2固定在用于提供推力的振动台的上方，夹具体3能够将振动台传递给底座2的推力进行一定倍数的放大；从而对固定在夹具体3上的叶片5进行振动疲劳试验。目前市场上使用的振动台的最大推力在500kN左右，但是由于其动圈结构和质量特别大，动圈的共振频率相对较低，故其工作频率一般在1500Hz以内，远达不到试验要求；若选择动圈结构和质量小的振动台，虽然其工作频率高，但是其最大推力满足不了要求。为解决振动台推力和工作频率之间的矛盾，本试验中选择动圈结构和质量小，工作频率高的推力为10kN的振动台。信号发生器输出一个加速度幅值为0.5g的正弦扫频信号给振动台，如图5所示，振动台动圈在3000Hz～4600Hz频率范围内的控制系统驱动电压是一个谷值范围，即动圈工作频率在3000Hz～4600Hz时，仍具有良好的动态特性。参照图1，底座2和夹具体3之间固定有支撑块21，支撑块21能够进一步的增大放大梁结构的刚度，并能够减少放大梁结构的阻尼比，从而能够有效提高夹具体3的动力放大系数，并使得传递到叶片5上的激振力增大。增大后的激振力能够使得叶片5达到指定应力，从而降低了对振动台推力的要求，因而使得振动台能够满足高阶复合模态振动疲劳试验的要求。振动台的力学模型是一个单自由度强迫振动的系统，它是由电磁力激振的强迫振动。其推力应包括惯性力ma，阻尼力cv和弹性力kd。故推力公式为：F＝ma+cv+kd公式1其中：m—活动系统的等效质量c—阻尼系数k—弹性常数a—加速度幅值v—速度幅值d—位移幅值由于电动振动台主要工作在系统弹性谐振频率以上的超共振区，因而其阻尼力和弹性力相对于惯性力可以忽略不计，故推力公式可简化为：F＝ma公式2一般情况下，活动系统的等效质量包括两个部分，即：m＝m0+m1其中：m0—动圈质量m1—负载质量故推力公式为：F＝m0+m1a公式3试验时，动圈质量和负载质量为定值，由公式3可知，叶片振动疲劳试验时通过加速度传感器监测夹具底座和夹具体顶部靠近叶片高度上的加速度值，即可知道振动台的推力输出的放大情况，即底座处加速度为a下，夹具体顶部靠近叶片高度处加速度为a上，则放大倍数：由振动力学知识可知，放大梁结构的阻尼比公式为：式中：C—放大梁结构阻尼M—放大梁结构质量K—放大梁结构刚度因为放大梁结构固有频率所以放大梁结构阻尼比为：定义r＝ωFωn为频率比，ωF为激振频率，动力放大系数R为：由公式7绘制R-r幅频特性曲线如下图所示，表示阻尼比和激振频率对响应幅值的影响。参照图10可知：1当放大梁结构固有频率ωn等于激振频率ωF时，Q为品质因子，是夹具体3的最大响应幅值；2减小放大梁结构的阻尼比，可以使Q值增大，提高放大梁结构的动力放大系数R。综上所述，试验具体实施如下：1如图1和图4所示，设计放大梁结构的叶片5夹具时，虽然很难将其一阶共振频率设计到3000Hz以上，但需要使其一阶共振频率尽量接近激振频率，使得频率比r尽可能地接近1，从而使振动台推力F传递到叶片5上时得到了放大效果；2如图1和图4所示，通过在放大梁结构的叶片5夹具中增加支撑块21，增加了放大梁结构的刚度，由知，提高了其固有频率，使得频率比r尽更接近1；由公式5可知，增加刚度减小了叶片5夹具的阻尼比ξ，由R-r幅频特性曲线可知，减小阻尼比使得叶片5夹具的响应幅值Q增大，提高夹具的动力放大系数，即振动台推力F传递到叶片5上时，放大效果进一步增强；3此时，施加到叶片5上的力为F'，已经可以满足叶片5高阶复合模态所需要的激振力，使叶片5到达指定应力值；4进行了加支撑块21和不加支撑块21的某型叶片5高阶复合模态的振动疲劳对比试验，叶片5的第五阶模态频率在3110Hz左右，振动台以1g的加速度进行正弦扫频，因为底座2与放大体3为刚性连接，故夹具底盘处加速度值为1g，试验结果如图5和图6所示，图6为不加支撑块21的试验结果，在3110Hz左右叶片5上的加速度达到了2.4g，由公式4可得，放大倍数约为2.4倍，图6为加支撑块21的试验结果，在3110Hz左右叶片5上的加速度达到了6.2g，由公式4可得，放大倍数约为6.2倍，加支撑块21比不加支撑块21的放大倍数提高了158.3％，试验结果达到了理想的效果。参照图1和图3，夹具体3上可拆卸的设置有压块4，压块4和叶片5能够通过连接组件固定连接。夹具体3开设有用于放置压块4的凹槽31，且夹具体3和压块4之间设置有若干紧固件43，本实施例中紧固件43优选紧固螺栓。同时，为了便于更加精准的确定压块4放置在夹具体3上的位置，压块4上开设有限位孔41。在固定压块4时，利用限位孔41确定压块4的准确位置，然后将任一紧固件43穿设过限位孔41实现压块4和夹具体3的预固定，然后再将剩余的紧固件43固定在压块4和夹具体3之间，从而能够实现压块4和夹具体3的相对固定。参照图3，用于连接压块4和叶片5的连接组件包括榫头51和与榫头51配合的榫槽42，叶片5靠近压块4的一端包括上述的榫头51，榫槽42开设在压块4上，本实施例中榫槽42的开设方向和压块4插设进凹槽31的方向一致。同时榫槽42位于其槽口处的间距小于榫头51横截面上最大间距，因而使得榫头51仅能够沿榫槽42的开设方向运动。本实施例中榫头51和榫槽42之间为过盈配合，因而将榫头51插设进榫槽42内部后，榫头51会受到榫槽42的侧壁施加在其外壁上的预紧力，从而实现压块4和叶片5的固定。参照图3，压块4包括柔性铰链44，柔性铰链44具有结构简单、无机械摩擦、无间隙以及运动灵活的多种优点。柔性铰链44能够利用弹性材料的微小变形及其自动恢复的特性，其可以围绕一个轴弹性弯曲，并且这种变形是可逆的。压块4的底部开设有插入孔，且插入孔内能够放置用于增大柔性铰链44形变量的外扩件，本实施例中外扩件可以选用螺栓或插入销，则对应的，插入孔设置为螺纹孔或销孔。在安装叶片5时，首先将外扩件伸入插入孔内部，以扩大柔性铰链44的形变量，然后将榫头51插设进榫槽42的内部，然后将外扩件从插入孔内取出。实施例二一种提高叶片振动疲劳试验中幅值比的方法，参照图7，整个振动试验系统的励磁线圈15与直流电源相连，在振动台台体11内建立磁场，产生一个高磁通量，驱动线圈14环绕在动圈12上，并一起悬挂在振动台台体11内，将驱动线圈14与交流电相连，电磁力会在驱动线圈14的绕组上产生，使得动圈12能够上下移动。负载与动圈12通过14个M12螺钉刚性连接，由于电动振动台是基于安培定律设计的，故其推力即为电磁力，电磁力公式为：F＝BLi＝BLIsinωt公式8式中：B—磁感应强度L—动圈绕线的有效长度i—i＝Isinωt，动圈中的交流电ω—信号发生器的频率t—时间夹具体3与动圈12一起在推力F的作用力下做简谐振动，其频率取决于振动试验系统信号发生器的频率ω，振动幅值取决于电流I。在叶片振动疲劳试验中，幅值比是振动试验系统的输出与输入之比，叶片振动疲劳试验涉及的输出量是叶片上控制点位移D，输入量是振动台推力F，故幅值比为：叶片振动疲劳试验方法是通过给叶片上控制点施加一定的位移，使叶片到达指定应力，根据力学理论，叶片振动疲劳试验时，根据叶片上控制点位移和应力的线性标定关系可知，当叶片到达指定应力时，其控制点位移D是定值，故由公式9可得：D＝AF公式10由公式10可知，当振动台推力F较小时，通过提高振动试验系统的幅值比A，可以使叶片上控制点位移值D满足要求，使叶片到达指定应力。因而一种提高叶片振动疲劳试验中幅值比的方法，包括以下步骤:S1、根据夹具体的阻尼、质量和刚度，获取夹具体的阻尼比；由振动力学知识可知，放大梁结构阻尼比公式为：式中：C—放大梁结构阻尼M—放大梁结构质量K—放大梁结构刚度因为放大梁结构固有频率所以放大梁结构阻尼比为：S2、根据放大梁结构的固有频率和激振频率，获取动力放大系数，其中放大梁结构的固定频率由放大梁结构的质量和刚度得出；定义r＝ωFωn为频率比，ωF为激振频率，动力放大系数R为：S3、绘制动力放大系数和放大梁结构的频率比之间的幅频特性曲线，其中，频率比为放大梁结构的激振频率和固有频率之间的比值；由公式13绘制R-r幅频特性曲线如图10所示，表示阻尼比和激振频率对响应幅值的影响。S4、减小放大梁结构的阻尼比和或增大放大梁结构的刚度，增大放大梁结构的动力放大系数；并且减小放大梁结构的阻尼比和或增大放大梁结构的刚度，包括在夹具体和底座之间固定支撑块。1通过在传统放大梁结构的叶片夹具中加支撑块，可以降低对振动台推力的要求，即公式9中的F值要比不加支撑块时要更小，提高了整个振动试验系统的幅值比；2进行了加支撑块和不加支撑块的某型叶片高阶复合模态的振动疲劳对比试验，试验结果如图8和图9所示，图8为不加支撑块的试验结果，其幅值比为2123.1，图9为加支撑块的试验结果，其幅值比为2853.9，加支撑块比不加支撑块的幅值比提高了34.4％，试验结果达到了理想的效果。以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

权利要求：1.一种放大梁结构，用于叶片振动疲劳试验，其特征在于，包括底座，所述底座上设置有夹具体，所述夹具体和所述底座之间固定有支撑块；所述夹具体上设置有压块，所述压块通过连接组件能够与所述叶片固定，所述连接组件包括榫头和榫槽，所述榫槽开设在所述压块上，所述叶片包括能够卡嵌在所述榫槽内的所述榫头。2.如权利要求1所述的放大梁结构，其特征在于，所述夹具体和所述压块可拆卸连接，所述夹具体开设有用于放置所述压块的凹槽，所述夹具体和所述压块之间设置有若干紧固件。3.如权利要求2所述的放大梁结构，其特征在于，所述压块上开设有便于定位的限位孔。4.如权利要求1所述的放大梁结构，其特征在于，所述压块包括柔性铰链。5.如权利要求4所述的放大梁结构，其特征在于，所述压块的底部开设有插入孔，所述插入孔内能够插设外扩件，所述外扩件能够增大所述柔性铰链的形变量。6.如权利要求4所述的放大梁结构，其特征在于，所述榫槽位于槽口处的间距小于所述榫头的横截面上的最大距离。7.如权利要求6所述的放大梁结构，其特征在于，所述榫槽和所述榫头过盈配合。8.一种应用权利要求1-7中任一项所述的放大梁结构的提高叶片振动疲劳试验中幅值比的方法，其特征在于，包括以下步骤：A、根据放大梁结构的阻尼、质量和刚度，获取放大梁结构的阻尼比；B、根据放大梁结构的固有频率和激振频率，获取动力放大系数，其中放大梁结构的固定频率由夹具体的质量和刚度得出；C、绘制动力放大系数和放大梁结构的频率比间的幅频特性曲线，其中，频率比为放大梁结构的激振频率和固有频率之间的比值；D、减小放大梁结构的阻尼比和或增大放大梁结构的刚度，使得放大梁结构的动力放大系数增大。9.如权利要求8所述的提高叶片振动疲劳试验中幅值比的方法，其特征在于，在步骤D中，减小放大梁结构的阻尼比和或增大放大梁结构刚度的方法包括所述夹具体和所述底座间增加所述支撑块。

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