榫连接结构接触刚度与阻尼识别装置及识别方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于航空航天机械设计领域，提出了一种榫连接结构接触刚度与阻尼识别装置及识别方法。该装置包括的叶盘、叶盘支架、底板和振动台；叶盘与叶盘支架组成的整体结构开有通孔，通孔包括榫槽结构和长条形；叶片根部为榫头，与榫槽结构啮合；传力垫块可拆卸插入通孔中；液压缸通过压力传感器与传力垫块接触；压力传感器和加速度传感器用于测量结构的离心拉应力和振动加速度。本发明专利技术实现了对复杂非连续界面的榫连接结构接触刚度与接触阻尼的准确识别。本发明专利技术的榫连接结构接触刚度与阻尼识别装置，设计精巧且结构简单，对此类多对非连续齿面接触刚度与阻尼识别具有通用性且识别精度高。精度高。精度高。

【技术实现步骤摘要】
榫连接结构接触刚度与阻尼识别装置及识别方法


[0001]本专利技术涉及航空航天机械设计领域，尤其涉及榫连接结构接触刚度与阻尼识别装置及识别方法。

技术介绍

[0002]榫连接结构广泛应用于以航空发动机为代表的叶轮机械叶
‑
盘连接结构中，是涡轮叶片和盘的主要连接形式。榫连接结构在承受不同工作状态和载荷作用下，榫连接结构的刚度与阻尼可能发生非线性变化，对叶
‑
盘结构动力学特性有着显著的影响。由于榫连接结构一般处于高温、高转速、复杂载荷环境中，对榫头/榫槽结构强度、接触特性和动力学特性的准确预测是航空发动机安全稳定运行的保障。榫连接结构中多曲面协调接触刚度与阻尼特性涉及加工表面粗糙度、初始装配偏差、运行转速频率及转速引起的离心力等诸多因素影响，导致了榫连接结构接触有限元直接建模及连接刚度与阻尼测试的困难。
[0003]目前，由于表面接触刚度的量级比较大，对榫连接结构接触刚度采用直接测量方式会引入很大的传感器测量误差等；对复杂非连续界面的榫连接结构接触阻尼的间接识别方法鲜有研究，针对简单机械结合面(如螺栓连接的一对粗糙平面)的接触阻尼识别方法，还难以直接应用于复杂多齿面接触阻尼建模中。因此，需要合适的榫连接结构接触刚度与阻尼测试实验装置及识别方法，从而为榫连接结构的设计和制造装配提供依据。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有榫连接结构性能测量实验装置和方法的不足，提出榫连接结构接触刚度与阻尼识别装置及识别方法。
[0005]本专利技术的技术方案：一种榫连接结构接触刚度与阻尼识别装置，包括叶盘1、传力垫块2、叶片3、加速度传感器4、振动台5、底板6、叶盘支架7、液压缸8、压力传感器9、螺栓10、数字显示仪11、保持性放大电荷12、动态数据采集仪13和工控机14；
[0006]叶盘1、叶盘支架7、底板6和振动台5自上而下依次固连；叶盘支架7内部设有空心箱体结构；叶盘1与叶盘支架7组成的整体结构中，几何形状中心处开有通孔连通至空心箱体结构，通孔上半部分为带有多对对称齿面的榫槽结构，下半部分为长条形；叶片3根部为带齿状的榫头，其与榫槽结构相啮合；传力垫块2与叶片3根部相接触，可拆卸插入长条形的通孔部分；位于空心箱体结构内的液压缸8一端通过压力传感器9与传力垫块2接触，另一端固定；
[0007]压力传感器9连接保持性电荷放大器12，压力信号通过保持性电荷放大器12放大后实时在数字显示仪11上显示，用于测量液压缸8提供给叶片3的离心拉应力F；加速度传感器4位于叶片3表面上，并与保持性放大电荷12、动态数据采集仪13和工控机14依次相连，用于测量结构的振动加速度。
[0008]所述底板6形状为工字型。
[0009]所述叶盘1、叶盘支架7、底板6和振动台5自上而下依次固连的方式均通过螺栓10
螺接。
[0010]一种榫连接结构接触刚度与阻尼识别方法，包括步骤如下：
[0011]步骤一、组建榫连接结构接触刚度与阻尼识别装置；
[0012]步骤二、利用液压缸8对叶片3根部施加离心拉应力F；
[0013]步骤三、离心拉应力F加载后，待整个榫连接结构状态稳定，锤击叶片3的不同位置；
[0014]步骤四、根据加速度传感器4、工控机14获得该离心拉应力F下对应的榫连接结构的频率值；
[0015]步骤五、利用液压缸8施加逐步增大的离心拉应力，直至完成所有应力载荷工况测试，获得不同离心拉应力与固有频率的关系；
[0016]步骤六、重复上述步骤五不少于5次；
[0017]步骤七、利用薄层单元法赋予榫连接结构模型一定厚度的薄层单元，通过改变薄层单元的弹性模量，对榫连接结构模型进行有限元模态分析进而获得弹性模量与固有频率之间的关系；
[0018]步骤八、榫连接结构接触刚度识别方法：
[0019]S8.1定义试验结果和仿真模型模态结果的平方误差函数：
[0020][0021]其中，表示榫连接结构固有特性试验中特定离心拉应力作用下的一、三阶固有频率；表示通过薄层单元法仿真计算得到的一、三阶频率拟合函数；η
i
表示试验测得的各阶固有频率权重比，表示各阶固有频率对离心拉应力变化的敏感程度，定义为：
[0022][0023]S8.2利用Matlab软件求得使R(F)最小的弹性模量值，通过公式：其中，h为薄层单元的厚度；识别出不同离心拉应力所对应榫接接触面的单位接触刚度值；
[0024]步骤九、榫连接结构接触阻尼识别方法：
[0025]S9.1重新组建榫连接结构接触刚度与阻尼识别装置，开启振动台5；
[0026]S9.2重复上述步骤二、三、四、五操作过程3次，获得不同离心拉应力与振动响应的关系；
[0027]S9.3利用薄层单元法赋予榫接模型一定厚度的薄层单元，通过在接触面接触刚度识别的基础上改变薄层单元的阻尼比，对榫连接结构模型进行有限元谐响应分析进而获得阻尼比与振动响应之间的关系；
[0028]S9.4选取一个在离心拉应力下谐响应分析得到的一阶加速度响应，对其按照下列公式进行八项式拟合得到M1：
[0029]A1＝[M1][ξ
b
]；
[0030][M1]＝[M1(1)，M1(2)，M1(3)，M1(4)，M1(5)，M1(6)，M1(7)，M1(8)，M1(9)][0031][0032]其中，A1为一阶加速度响应幅值；ξ
b
为薄层单元材料阻尼比；M1(1)
‑
M1(9)为八次拟合多项式相关系数；
[0033]S9.5将试验结果中相对应的离心拉应力下的3次振动响应平均幅值A1代入上述拟合公式得到离心拉应力F所对应的阻尼比；
[0034]S9.6选取其他离心拉应力F重复上述S9.4、S9.5计算过程，从而识别出不同离心拉应力所对应榫接接触面的接触阻尼值。
[0035]本专利技术榫连接结构接触刚度与阻尼识别装置及识别方法，榫连接结构齿面接触压力分布测量原理为：首先选取合适量程和裁剪略大于榫头榫槽接触面尺寸的压敏纸；其次在确保榫头榫槽两侧截面对齐时将压敏纸放置在榫头榫槽第一对最大齿接触面，保证接触面与压敏纸处于完全接触状态；通过位于叶盘支架7内的液压缸8对叶片3底部施加垂直向上的力，完成对榫连接结构离心拉应力F的施加，得到表面着色的压敏纸；在通过改变离心拉应力F，重复上述操作，获得不同离心拉应力F对压敏纸着色程度的影响规律，进而确定叶片3根部压力的实施方法。
[0036]本专利技术榫连接结构接触刚度与阻尼识别装置及识别方法，榫连接结构接触刚度测量和识别原理为：通过位于叶盘支架7内的液压缸8对叶片3根部施加垂直向上的力，完成对榫连接结构离心拉应力F的施加；通过激励力锤敲击叶片3的表面上，采用加速度传感器4测量榫连接结构的振动特性；再通过加速度传感器信号综合后处理分析，得到不同离心拉应力F时，榫连接结构各阶固有频率变化规律、振动特性变化规律，根据离心拉应力F和振动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种榫连接结构接触刚度与阻尼识别装置，其特征在于，该榫连接结构接触刚度与阻尼识别装置包括叶盘(1)、传力垫块(2)、叶片(3)、加速度传感器(4)、振动台(5)、底板(6)、叶盘支架(7)、液压缸(8)、压力传感器(9)、螺栓(10)、数字显示仪(11)、保持性放大电荷(12)、动态数据采集仪(13)和工控机(14)；叶盘(1)、叶盘支架(7)、底板(6)和振动台(5)自上而下依次固连；叶盘支架(7)内部设有空心箱体结构；叶盘(1)与叶盘支架(7)组成的整体结构中，几何形状中心处开有通孔连通至空心箱体结构，通孔上半部分为带有多对对称齿面的榫槽结构，下半部分为长条形；叶片(3)根部为带齿状的榫头，其与榫槽结构相啮合；传力垫块(2)与叶片(3)根部相接触，可拆卸插入长条形的通孔部分；位于空心箱体结构内的液压缸(8)一端通过压力传感器(9)与传力垫块(2)接触，另一端固定；压力传感器(9)连接保持性电荷放大器(12)，压力信号通过保持性电荷放大器(12)放大后实时在数字显示仪(11)上显示，用于测量液压缸(8)提供给叶片(3)的离心拉应力F；加速度传感器(4)位于叶片(3)表面上，并与保持性放大电荷(12)、动态数据采集仪(13)和工控机(14)依次相连，用于测量结构的振动加速度。2.根据权利要求1所述的榫连接结构接触刚度与阻尼识别装置，其特征在于，所述底板(6)形状为工字型。3.根据权利要求1或2所述的榫连接结构接触刚度与阻尼识别装置，其特征在于，所述叶盘(1)、叶盘支架(7)、底板(6)和振动台(5)自上而下依次固连的方式均通过螺栓(10)螺接。4.一种榫连接结构接触刚度与阻尼识别方法，其特征在于，包括步骤如下：步骤一、组建榫连接结构接触刚度与阻尼识别装置；步骤二、利用液压缸(8)对叶片(3)根部施加离心拉应力F；步骤三、离心拉应力F加载后，待整个榫连接结构状态稳定，锤击叶片(3)的不同位置；步骤四、根据加速度传感器(4)、工控机(14)获得该离心拉应力F下对应的榫连接结构的频率值；步骤五、利用液压缸(8)施加逐步增大的离心拉应力，直至完成所有应力载荷工...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵广，张泽新，袁巍，张红晓，吴玉萍，荆建平，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：