一种基于接触热载荷的法向刚度定量试验装置及试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于接触热载荷的法向刚度定量试验装置及试验方法，在标定板和待测试板中分别置入加热件并保持加热面贴合，给定螺钉拧紧力矩，对加热件分段式加热，在任一温度段内基于采样设置对待测试板力锤敲击，获得试验固有频率和试验振幅，分别通过模型计算得到在一定温度和螺钉拧紧力矩条件下的识别振幅和固有频率解析解并进行精度调节。本发明专利技术为计算实际界面热弹塑性接触法向刚度提供基础参数，获得真实界面热弹塑性接触法向刚度，是验证所建界面热弹塑性接触法向刚度理论模型的准确性与合理性、计算整机法向刚度等工作的基础；考虑接触部位热载荷，简化试件结构，真实模拟热力机械产品相关结合部位实际工况，准确计算界面法向刚度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于接触热载荷的法向刚度定量试验装置及试验方法
本专利技术涉及测量；测试的
，特别涉及一种基于接触热载荷的法向刚度定量试验装置及试验方法。
技术介绍
法向刚度是反映结构面产生单位法向变形的法向应力梯度，其不是一个常数，与应力水平有关。事实上，法向刚度与材料的温度关系非常大，在不同的温度下，如果不能较好的了解其对法向刚度的影响，则将影响到机械产品，如机床的应用。然而，现有技术中，关于温度对法向刚度的影响的研究较为复杂、设备较大，试验结果并不可靠。
技术实现思路
本专利技术解决了现有技术中存在的问题，提供了一种优化的基于接触热载荷的法向刚度定量试验装置及试验方法。本专利技术所采用的技术方案是，一种基于接触热载荷的法向刚度定量试验方法，所述方法包括以下步骤：步骤1：在标定板和待测试板中分别置入加热件，保持标定板和待测试板的加热面贴合，给定螺钉拧紧力矩；步骤2：对待测试板进行采样设置；步骤3：对标定板和待测试板中的加热件进行分段式加热，每个加热段内设有保温温度；基于采样设置对待测试板进行力锤敲击，获得试验的固有频率和试验振幅；步骤4：辨识得到界面表征参量，与界面其他预设参数一起代入法向接触刚度的理论模型，得到法向刚度的解析解；步骤5：构建试件有限元分析模型，将步骤4得到的法向刚度的解析解嵌入所述试件有限元分析模型并优化处理，计算得到在一定温度和螺钉拧紧力矩条件下的识别振幅和固有频率；步骤6：分别将步骤3获得的试验振幅和固有频率与步骤5获得的识别振幅和固有频率进行比较；若误差小于预设值，则以当前识别振型和固有频率对待测试板进行标定，否则，返回步骤5。优选地，所述步骤2包括以下步骤：步骤2.1：采用轮廓仪，设置采样参数；所述采样参数包括放大倍率、采样长度、采样频率、频率间隔、采样频率变化范围、采样点数、采样间距；步骤2.2：以最小二乘法进行滤波，离散化采样点。优选地，所述步骤2.1中，设置轮廓仪的放大倍率为1000，采样长度T＝15mm，频率间隔Δf＝1/T，采样间距Δx＝1μm，采样段数为5，采样频率fs＝1/Δx；取最高频率fmax＝fs/2，设定采样频率变化范围为对界面轮廓信号的表达式z(x)进行补零的傅里叶变换，将z(x)的尾部补零使其长度达到Ns；得到补零后的傅里叶变换Y＝FFT(z,Ns)；根据Y得到界面功率谱密度函数其中，Ns为采样点数，G为界面尺度系数，D为界面复杂度，γ为界面轮廓空间频率密度参数，M为界面重叠隆起部的个数，n为频率指数，nmax为最大频率指数，为均匀分布的随机相位，ω为角频率。优选地，所述步骤3中，对待测试板进行力锤敲击，敲击点为待测试板的四个角点中任一个，以力锤沿螺钉孔中心连线的方向从右向左激振，或从上向下激振，每次有效激振若干；通过压电式加速度传感器在不同的温度下获取对应有效激振的x、y、z方向上的试验振型，取稳定波段的试验振型，获得试验的固有频率和试验振幅。优选地，所述步骤4包括以下步骤：步骤4.1：设置处理程序，辨识得到界面复杂度D和界面尺度系数G；步骤4.2：将界面复杂度D和界面尺度系数G代入法向接触刚度的理论模型，得到预设的螺钉拧紧力矩和温度下的接触部位法向刚度理论值。优选地，所述步骤4.1中，将轮廓仪测得的数据保存为扩展名为txt的文件，以Matlab软件编制界面功率谱密度函数p(ω)的程序，按照最小二乘一次多项式回归的方法拟合实测数据(lgω,lgP(ω))，得到对数功率谱密度函数；根据试件原始轮廓，分别采用不均匀刻度功率谱法和均匀刻度功率谱法，辨识得到界面复杂度D和界面尺度系数G；所述步骤4.2中，法向刚度其中，D为界面复杂度、ψ为域扩展因子、E′为当量弹性模量、a′L为变形微接触截面积的最大值、a′c为临界弹性变形微接触截面积、α为线膨胀系数、△T为两界面温差、γ为界面轮廓空间频率密度参数、G为界面尺度系数。优选地，所述步骤5包括以下步骤：步骤5.1：通过有限元计算软件平台搭建试件界面有限元实体模型；步骤5.2：对试件界面有限元实体模型进行模态分析；确定承受时变载荷时的敲击点上法向刚度稳态响应，其中，p为接触部位的法向载荷，ν为激励频率，0.1Hz≤ν≤200Hz，子步长50，stepped方式，t为时间，为初相位；步骤5.3：计算得到一定温度和螺钉拧紧力矩条件下的有限元识别振幅和固有频率。优选地，所述步骤6中，分别将步骤3获得的试验的固有频率和试验振幅与步骤5获得的有限元结果进行比较；在比较过程中，令不同螺钉拧紧力矩下，沿x向平移振动矢量的最小值是x0，最大值是x1，选取其中任一元素x对应的拉格朗日差值公式为使上述情况下法向刚度最大值均为1，最小值均为0；分别计算试验的固有频率和试验振幅与有限元结果的误差，从而验证法向接触刚度理论模型的有效性和准确性。一种采用所述的基于接触热载荷的法向刚度定量试验方法的试验装置，所述装置包括：一标定板，为标准测试件，用于承载待测试板并与待测试板贴合；配合所述标定板和待测试板的贴合面对应设有加热件；所述标定板底部设有加速度传感器，所述待测试件上配合设有力锤，所述加速度传感器和力锤通过采样单元连接至控制器。优选地，所述标定板和待测试板的对应侧面间设有气凝胶毡。本专利技术涉及一种优化的基于接触热载荷的法向刚度定量试验装置及试验方法，通过在标定板和待测试板中分别置入加热件，保持标定板和待测试板的加热面贴合并给定螺钉拧紧力矩，对待测试板进行采样设置，对标定板和待测试板中的加热件进行分段式加热，在任一温度段内，基于采样设置对待测试板进行力锤敲击，获得试验的固有频率和试验振幅，分别通过模型计算得到在一定温度和螺钉拧紧力矩条件下的识别振幅和固有频率解析解并进行精度调节。本专利技术为计算实际界面热弹塑性接触法向刚度提供基础参数，获得真实界面热弹塑性接触法向刚度，是验证所建界面热弹塑性接触法向刚度理论模型的准确性与合理性、计算整机法向刚度等工作的基础；本专利技术考虑了接触部位热载荷，尽量简化试件结构，可真实模拟热力机械产品相关结合部位实际工况，从而准确计算界面法向刚度。附图说明图1为本专利技术的试验装置结构示意图，其中，箭头为力锤敲击的方向；图2为本专利技术的试验装置的俯视图结构示意图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做进一步的详细描述，但本专利技术的保护范围并不限于此。本专利技术涉及一种基于接触热载荷的法向刚度定量试验方法，所述方法包括以下步骤。步骤1：在标定板1和待测试板2中分别置入加热件3，保持标定板1和待测试板2的加热面贴合，给定螺钉4拧紧力矩。步骤2：对待测试板2进行采样设置。所述步骤2包括以下步骤：步骤2.1：采用轮廓仪，设置采样参数；所述采样参数包括放大倍率、采样长度、采样频率、频率间隔、采样频率变化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于接触热载荷的法向刚度定量试验方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：/n步骤1：在标定板和待测试板中分别置入加热件，保持标定板和待测试板的加热面贴合，给定螺钉拧紧力矩；/n步骤2：对待测试板进行采样设置；/n步骤3：对标定板和待测试板中的加热件进行分段式加热，每个加热段内设有保温温度；基于采样设置对待测试板进行力锤敲击，获得试验的固有频率和试验振幅；/n步骤4：辨识得到界面表征参量，与界面其他预设参数一起代入法向接触刚度的理论模型，得到法向刚度的解析解；/n步骤5：构建试件有限元分析模型，将步骤4得到的法向刚度的解析解嵌入所述试件有限元分析模型并优化处理，计算得到在一定温度和螺钉拧紧力矩条件下的识别振幅和固有频率；/n步骤6：分别将步骤3获得的试验振幅和固有频率与步骤5获得的识别振幅和固有频率进行比较；若误差小于预设值，则以当前识别振型和固有频率对待测试板进行标定，否则，返回步骤5。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于接触热载荷的法向刚度定量试验方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1：在标定板和待测试板中分别置入加热件，保持标定板和待测试板的加热面贴合，给定螺钉拧紧力矩；
步骤2：对待测试板进行采样设置；
步骤3：对标定板和待测试板中的加热件进行分段式加热，每个加热段内设有保温温度；基于采样设置对待测试板进行力锤敲击，获得试验的固有频率和试验振幅；
步骤4：辨识得到界面表征参量，与界面其他预设参数一起代入法向接触刚度的理论模型，得到法向刚度的解析解；
步骤5：构建试件有限元分析模型，将步骤4得到的法向刚度的解析解嵌入所述试件有限元分析模型并优化处理，计算得到在一定温度和螺钉拧紧力矩条件下的识别振幅和固有频率；
步骤6：分别将步骤3获得的试验振幅和固有频率与步骤5获得的识别振幅和固有频率进行比较；若误差小于预设值，则以当前识别振型和固有频率对待测试板进行标定，否则，返回步骤5。


2.根据权利要求1所述的一种基于接触热载荷的法向刚度定量试验方法，其特征在于：所述步骤2包括以下步骤：
步骤2.1：采用轮廓仪，设置采样参数；所述采样参数包括放大倍率、采样长度、采样频率、频率间隔、采样频率变化范围、采样点数、采样间距；
步骤2.2：以最小二乘法进行滤波，离散化采样点。


3.根据权利要求2所述的一种基于接触热载荷的法向刚度定量试验方法，其特征在于：所述步骤2.1中，设置轮廓仪的放大倍率为1000，采样长度T＝15mm，频率间隔Δf＝1/T，采样间距Δx＝1μm，采样段数为5，采样频率fs＝1/Δx；
取最高频率fmax＝fs/2，设定采样频率变化范围为对界面轮廓信号的表达式z(x)进行补零的傅里叶变换，


将z(x)的尾部补零使其长度达到Ns；
得到补零后的傅里叶变换Y＝FFT(z,Ns)；根据Y得到界面功率谱密度函数
其中，Ns为采样点数，G为界面尺度系数，D为界面复杂度，γ为界面轮廓空间频率密度参数，M为界面重叠隆起部的个数，n为频率指数，nmax为最大频率指数，为均匀分布的随机相位，ω为角频率。


4.根据权利要求1所述的一种基于接触热载荷的法向刚度定量试验方法，其特征在于：所述步骤3中，对待测试板进行力锤敲击，敲击点为待测试板的四个角点中任一个，以力锤沿螺钉孔中心连线的方向从右向左激振，或从上向下激振，每次有效激振若干；通过压电式加速度传感器在不同的温度下获取对应有效激振的x、y、z方向上的试验振型，取稳定波段的试验振型，获得试验的固有频率和试验振幅。


5.根据权利要求4所述的一种基于接触热载荷的法向刚度定量试验方法，其特征在于：所述步骤4包括以下步骤：

【专利技术属性】
技术研发人员：冯燕，杨鹏，
申请(专利权)人：浙江水利水电学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33