一种可施加联合应力载荷的谐振疲劳试验系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种可施加联合应力载荷的谐振疲劳试验系统及方法，所述试验系统包括振动台、夹具机构和控制系统；夹具机构安装在振动台上，包括左右对称设置的左夹持部和右夹持部，两个夹持部用来固定待测试件；通过控制系统，能够实现同时施加稳态拉伸与振动弯曲联合载荷的谐振疲劳试验，且此谐振疲劳试验的应力比能取

【技术实现步骤摘要】
一种可施加联合应力载荷的谐振疲劳试验系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种谐振疲劳试验系统，尤其涉及一种稳态应力与振动应力联合作用的谐振疲劳试验系统及方法。

技术介绍

[0002]航空发动机的高周/超高周疲劳主要由各种气动、机械原因诱发的强迫振动和非同步振动造成，其应力幅值相对较低，但频率较高，能在短时间内积累大量循环次数。据不完全统计，60％以上的风扇/压气机叶片失效与此有关。根据我国最新颁布的《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》(GJB241A
‑
2010)中的规定，在使用环境条件和工作包线范围内，振动应力和稳态应力联合作用条件下，发动机的所有零件应至少有如下的高循环疲劳寿命：
⑴
钢零件：107次循环；
⑵
有色金属零件：3
×
107次循环；
⑶
钛合金：109次循环。因此，找到一种能有效评估航空发动机叶片等构件在振动应力和稳态(离心)应力联合作用下极高周次循环的疲劳试验方法，是提高航空发动机可靠性和延长使用寿命的前提，也是我国航空领域的研究重点之一。
[0003]目前，面对叶片在复杂振动载荷作用下的疲劳失效问题，主要是将复杂的应力分解为拉压、剪切以及弯曲等典型受力特征，通过旋转弯曲试验、拉压试验、三点/四点弯曲试验以及振动台试验来开展试验研究，其中基于振动台的疲劳试验方法拥有最大的可创新性。
[0004]当前疲劳试验系统，除了固支夹持部位易发生破坏，结构激振困难，还存在以下问题：
[0005]1、基于振动台的常规振动试验主要采用悬臂梁式装夹方式对试件进行固定，这种装夹方式只对试件一端进行固定，不具备轴向加载能力；
[0006]2、目前传统的疲劳试验技术，试验方式主要分为两大类，一类是悬臂梁式，只能施加振动应力，该方法随着振动频率的增大，试件的振动量会显著变小，影响试件的激振效果，因此在高频率下进行试验时，需要具备有更大激振能力的振动台、结构更复杂的试验系统，并且在施加拉伸的夹持部位也容易引起疲劳破坏或磨损破坏等问题，容易导致试验失败；一类是轴向拉压式，只能施加轴向拉压应力，无法施加振动应力，且试验频率低，不适合进行超高周疲劳试验；现有的稳态应力与振动应力联合作用的试验技术，只能在超声疲劳试验机上进行。且存在稳态应力和振动应力施加不能从零开始，试验应力比不能覆盖
‑
1到+1范围，试验频率过高可能存在频率效应等不足之处，对于所得的数据不能很好地支撑工程研究；
[0007]3、有的疲劳试验系统振动幅值过小；在高试验频率时，传统试验方法难以使试件产生激振，且激振成功后振动幅值依旧过小。
[0008]4、有的疲劳试验系统振动试验与轴向拉伸试验不能同时进行；传统疲劳试验系统振动试验与轴向拉伸试验不能同时进行。
[0009]上述几种疲劳试验系统，均与以航空发动机叶片为代表的叶轮机构件真实的工作
环境差距大，一旦该类构件发生疲劳破坏，将严重影响发动机的正常运行和使用寿命，甚至造成机毁人亡的重大事故。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的在于提供一种可施加联合应力载荷的谐振疲劳试验系统及方法，以解决现有的疲劳试验系统与以航空发动机叶片为代表的叶轮机构件真实的工作环境差距大的技术问题。
[0011]本专利技术的第一个目的在于提供一种可施加联合应力载荷的谐振疲劳试验系统，包括夹具机构、振动台、待测试件和控制系统；
[0012]待测试件为板状，两端分别为左夹持端和右夹持端，两个夹持端对称开设螺孔，左夹持端和右夹持端之间为检测区，待测试件的危险截面位于检测区的中心，且在谐振疲劳试验时，危险截面所受到振动应力和稳态应力的联合作用最大，待测试件沿危险截面的中心呈中心对称结构；
[0013]所述夹具机构包括左右对称设置的左夹持部和右夹持部，左夹持部和右夹持部结构相同，左夹持部的右端用于固定待测试件左夹持端，右夹持部左端用于固定待测试件右夹持端，左夹持部与右夹持部之间存在间距L1；间距L1的大小与待测试件的检测区大小相适配，即间距L1的大小与检测区左右方向的长度大小一致，当待测试件固定在夹具机构上时，待测试件的危险截面位于所述间距L1的中心；
[0014]所述左夹持部包括壳体和振动臂；振动臂右端用于固定待测试件的左端；振动臂左段设置在所述壳体内，可沿振动臂轴向对振动臂施加轴向拉力(即施加稳态应力)，施加轴向拉力时，振动臂会沿其轴向被拉伸，因此，在振动臂左端与壳体在振动臂轴向上存在间距L2；
[0015]所述壳体底部通过可拆卸方式固定在振动台上，位于壳体外部的振动臂悬空在振动台上；
[0016]所述左夹持部还包括与振动臂左端连接的拉伸机构，
[0017]或者，
[0018]所述壳体左端固连有垫块，所述左夹持部还包括拉力调节螺栓，拉力调节螺栓穿过垫块与振动臂左端螺纹连接，振动臂左端设有与拉力调节螺栓匹配的外螺纹；
[0019]右夹持部的振动臂左端用于固定待测试件的右端；所述控制系统包括：
[0020]控制单元，控制所述拉伸机构的输出拉力、或者控制拉力调节螺栓转动；
[0021]驱动单元，用于驱动所述振动台振动，施加振动应力；并由控制单元控制驱动单元的输出功率；因此可以控制振动台的振动频率和加速度，对加速度的控制可以改变待测试件危险截面处的振幅大小，进而达到精确控制危险截面处振动应力大小的目的；
[0022]应变片，安装在待测试件的危险截面处，监测危险截面的微应变，并将微应变转换为电信号，再通过应变仪将电信号转换成数字信号并反馈至所述控制单元，控制单元根据待测试件材料的弹性模量得到危险截面对应的应力值；
[0023]位移传感器，可采用激光位移传感器、电感式位移传感器或电涡流位移传感器；位移传感器悬空在危险截面的正上方，用于监测危险截面的振幅，并将监测结果反馈至控制单元；
[0024]加速度传感器，安装在所述振动台上，监测振动台的振动加速度，并将监测结果反馈至控制单元，起反馈控制的作用，使振动台能在不同频率时保证等振动量输出。
[0025]进一步地，左夹持部的右端设有卡槽，用于放置所述待测试件的左夹持端，右夹持部的左端设有卡槽，用于放置所述待测试件的右夹持端，卡槽与振动台台面平行，卡槽上方和下方的左夹持部设有贯穿的螺孔，该螺孔与待测试件两个夹持端(这两个夹持端分别为左夹持端和右夹持端)的螺孔大小一致，通过试样固定螺栓将待测试件两个夹持端固定在对应振动臂的卡槽，待测试件两个夹持端与对应振动臂的卡槽采用间隙配合，间隙量不超过0.1mm。
[0026]进一步地，所述待测试件采用漏斗形设计，即检测区相对的两侧设计成向内对称收缩的圆弧，该圆弧优选二分之一的圆；检测区的表面粗糙度Ra≤0.2mm。
[0027]进一步地，壳体顶部开设有螺孔，该螺孔内设有振动臂压紧螺栓，所述振动臂包括固定段和振动段；通过振动臂压紧螺栓顶住固定段，将固定段锁定贴在壳体底部；振动段保持悬空，即位于壳体内本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可施加联合应力载荷的谐振疲劳试验系统，其特征在于：包括夹具机构、振动台、待测试件和控制系统；待测试件为板状，两端分别为左夹持端和右夹持端，左夹持端和右夹持端对称开设螺孔，左夹持端和右夹持端之间为检测区，待测试件的危险截面位于检测区的中心，且在谐振疲劳试验时、危险截面所受到振动应力和稳态应力的联合作用最大，待测试件沿危险截面的中心呈中心对称结构；所述夹具机构包括左右对称设置的左夹持部和右夹持部，左夹持部的右端用于固定待测试件左夹持端，右夹持部左端用于固定待测试件右夹持端，左夹持部与右夹持部之间存在间距L1，间距L1的大小与所述检测区大小相适配；所述左夹持部包括壳体和振动臂；振动臂左段设置在所述壳体内，振动臂左端与壳体在振动臂轴向上存在间距L2；所述壳体底部通过可拆卸方式固定在振动台上，位于壳体外部的振动臂悬空在振动台上；所述左夹持部还包括与振动臂左端连接的拉伸机构，或者，所述壳体左端固连有垫块，所述左夹持部还包括拉力调节螺栓，拉力调节螺栓穿过垫块与振动臂左端螺纹连接，振动臂左端设有与拉力调节螺栓匹配的外螺纹；所述控制系统包括：控制单元，控制所述拉伸机构的输出拉力、或者控制拉力调节螺栓转动；驱动单元，用于驱动振动台振动，控制单元控制驱动单元的输出功率；应变片，安装在待测试件的危险截面处，通过应变仪与控制单元连接；控制单元通过应变片获得危险截面对应的应力值；位移传感器，悬空在危险截面的正上方，用于监测危险截面的振幅，并将监测结果反馈至控制单元。2.根据权利要求1所述的谐振疲劳试验夹具机构，其特征在于：所述左夹持部的右端设有卡槽，用于放置所述待测试件的左夹持端，右夹持部的左端设有卡槽，用于放置所述待测试件的右夹持端，卡槽与振动台台面平行，卡槽上方和下方的左夹持部开设有贯穿的螺孔，该螺孔与待测试件两个夹持端的螺孔大小一致，通过试样固定螺栓将待测试件两个夹持端固定在对应振动臂的卡槽，待测试件两个夹持端与对应振动臂的卡槽采用间隙配合，间隙量不超过0.1mm。3.根据权利要求2所述的谐振疲劳试验系统，其特征在于:检测区相对的两侧设计成对称收缩的圆弧，该圆弧优选二分之一的圆；检测区的表面粗糙度Ra≤0.2mm。4.根据权利要求3所述的谐振疲劳试验系统，其特征在于:所述位移传感器采用激光位移传感器、电感式位移传感器或电涡流位移传感器。5.根据权利要求4所述的谐振疲劳试验系统，其特征在于:所述控制单元还包括加速度传感器，安装在所述振动台上，监测振动台的振动加速度，并将监测结果反馈至控制单元。6.根据权利要求1至5任一权利要求所述的谐振疲劳试验夹具系统，其特征在于：所述壳体顶部开设有螺孔，...

【专利技术属性】
技术研发人员：程礼，刘景元，李冬春，丁均梁，曾林，王博涵，张小博，张文俊，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军工程大学，
类型：发明
国别省市：