振动放大器及模拟叶片高阶非线性振动疲劳的试验方法

摘要

本发明公开了一种振动放大器及模拟叶片高阶非线性振动疲劳的试验方法，放大器包括基座、固定壳体、上垫块、下垫块、第一固定螺钉、第二固定螺钉、放大臂及夹持块；上垫块与下垫块位于固定壳体内，放大臂的一端依次穿过固定壳体的一侧面、上垫块与下垫块之间、以及固定壳体的另一侧面伸出到固定壳体外，夹持块位于放大臂另一端的上表面上，第一固定螺钉穿过夹持块及放大臂将夹持块与放大臂相连接，第二固定螺钉穿过固定壳体的顶部伸入到固定壳体内与上垫块的上表面相接触使上垫块、下垫块及放大臂固定连接。该放大器及方法能够基于共振频率及振幅的疲劳试验过程控制实现对叶片疲劳强度的检测。

说明书

技术领域

本发明属于材料疲劳断裂与高周疲劳试验方法领域，涉及一种振动放大器及模拟叶片高阶非线性振动疲劳的试验方法。

背景技术

航空发动机、地面燃气轮机等高速旋转机械，工作状态多变，始终处于一种复杂恶劣的工况之下，转子叶片高周疲劳断裂是最普遍最严重的故障问题，其中振动疲劳是其主要疲劳形式。

目前，叶片疲劳性能考核方式仍主要采用的是一阶弯曲振动疲劳实验，主要考核的是叶片根部(一弯节线)的疲劳性能，而实际上通过结构设计发动机叶片一阶弯曲振动疲劳断裂已经得到了有效避免。但是，高阶振动引起的叶片掉角、裂纹等疲劳故障依然十分严重，尤其是叶片在工作过程中被吸入发动机的砂粒、石块等外物打伤后，疲劳强度急剧下降，导致叶片在存在损伤的叶片叶身部位发生疲劳裂纹、断裂，因此如何通过高阶振型疲劳试验评价叶片叶身疲劳性能十分关键、迫切。由于实际叶片高阶疲劳试验对设备要求高、操作复杂、技术难度大、监控十分困难且试验结果准确性差等问题，所以通常采用设计试件或模拟叶片的方式进行相应的疲劳性能试验考核。

在进行高阶振动疲劳试验方法设计时，主要存在激振困难的问题：一方面是由于激振需要更大的振动加速度，另一方面由于共振时对振动台产生的反作用力会降低振动台的输出振动加速度。现有技术提出了设置夹具支撑体，在支撑体两侧伸出对称的轴体，通过轴体共振产生高加速度，但其未解决共振引起的反作用力抑制振动的问题。另外，该专利中的轴体固定不变，通过试件夹具的移动调整共振频率，该方法频率调整范围较小，且其轴体截面为圆型，易产生扭振，同时轴体与夹具的固定连接方式容易产生扭转。

高阶振动疲劳实验过程中，由于材料特性及振型几何特性等因素，会引起刚度非线性现象，导致其固有频率的变化，使振动控制系统难以追踪到共振峰值。如图6所示为典型的刚度非线性情况，其刚度随着位移的变化而变化，图中的虚线MN是一条假想存在的曲线，称之为骨架线，其受到非线性参数的影响，可以体现出刚度及共振频率随振幅变化的情况。假如是线性振动，则骨架线为垂直于横轴的直线，与横轴的交点为共振点。图中刚度随着位移的增大而增大，称之为硬弹簧特性，其骨架线会弯向右边；与之相反，如果其刚度随着位移的增大而减小，则称之为软弹簧特性，其骨架线会弯向左边，因此如何基于共振频率与振幅进行疲劳试验过程的控制、检测叶片的疲劳强度时一个亟待解决的重要问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种振动放大器及模拟叶片高阶非线性振动疲劳的试验方法，该放大器及方法能够基于共振频率及振幅的疲劳试验过程控制实现对叶片疲劳强度的检测。

为达到上述目的，本发明所述的振动放大器包括基座、固定壳体、上垫块、下垫块、第一固定螺钉、第二固定螺钉、放大臂及夹持块；

上垫块与下垫块位于固定壳体内，放大臂的一端依次穿过固定壳体的一侧面、上垫块与下垫块之间、以及固定壳体的另一侧面伸出到固定壳体外，夹持块位于放大臂另一端的上表面上，第一固定螺钉穿过夹持块及放大臂将夹持块与放大臂相连接，第二固定螺钉穿过固定壳体的顶部伸入到固定壳体内与上垫块的上表面相接触使上垫块、下垫块及放大臂固定连接。

放大臂上刻有刻度。

放大臂的横截面为矩形截面，且该矩形截面的宽大于该矩形截面的高。

本发明所述的模拟叶片高阶非线性振动疲劳的试验方法包括以下步骤：

1)将振动放大器中的基座固定于振动台1的台面上，将待测试件的端部夹持固定于夹持块与放大臂之间，再在基座上固定安装第一加速度传感器，在夹持块的上部固定安装第二加速度传感器，然后再待试验试件上表面的中部及端部安装应变片及位移传感器；

2)以第二加速度传感器测量得到的夹持块的加速度为控制量、以第一位移传感器测量得到的待测试件的振幅为监测量通过谐振搜索得待测试件所需模态的共振频率；同时以第一加速度传感器测量得到的底座的加速度为控制量、以第二加速度传感器测量得到的夹持块的加速度为监测量通过谐振搜索得到振动放大器的共振频率；

3)通过振动台及振动放大器对待测试件施加激振，判断待测试件的弹簧特性，当待测试件具有软弹簧特性时，则转至步骤4)；当待测试件具有硬弹簧特性时，则转至步骤6)；

4)对待测试件进行疲劳性试验，具体的，通过振动台及振动放大器对待测试件施加激振频率及激振量级，获得频率为ω、振幅为A的振动，当待测试件出现疲劳损伤时，待测试件的共振频率下降，待测试件的振幅变化，则逐渐下调施加给待测试件的激振频率，直至待测试件的振幅为A为止，其中，当待测试件的振幅为A时，待测试件激振频率的调节量为Δω；

5)计算待测试件激振频率的调节量Δω与调节前待测试件的激振频率ω之比，再将计算的结果作为待测试件的漂移率，当待测试件的漂移率小于预设漂移率值时，则将调节后待测试件的激振频率作为新的待测试件的激振频率ω，再重复步骤4)，当待测试件的漂移率大于等于预设漂移率值，则统计待测试件进行疲劳性试验的循环次数，并将待测试件进行疲劳性试验的循环次数作为待测试件的疲劳寿命，待振动发生突跳后，再跟待测试件的疲劳寿命得待测试件的疲劳强度；

6)调节振动台，使最初施加到待测试件上的激振频率ω为该待测试件9的突跳点频率，然后转至步骤4)。

步骤3)中通过振动台及振动放大器对待测试件施加激振，判断待测试件的弹簧特性的具体操作为：

a)通过振动台及振动放大器对待测试件施加低量级激振加速度，并连续调节所述低量级激振加速度的大小，获取待测试件的共振频率ω₀；

b)通过振动台及振动放大器对待测试件施加频率为ω₀的激振，然后调节激振频率，当增加施加到待测试件上的激振频率，待测试件的振幅增大时，则该待测试件具有硬弹簧特性，当降低施加到待测试件上的激振频率，待测试件的振幅增大时，则该待测试件具有软弹簧特性。

基座通过紧固螺钉固定于振动台上。

当待测试件具有软弹簧特性时，最初施加到待测试件上的激振频率ω大于待测试件的突跳点频率。

振动放大器的共振频率小于待测试件的振动加速度，且振动放大器的振动相位与振动台的振动相位的相差为180°。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的振动放大器及模拟叶片高阶非线性振动疲劳的试验方法在具体操作时，将待测试件夹持固定于夹持块与放大臂之间，在检测时，先判断待测试件的弹簧特性，当待测试件具有软弹簧特性时，则通过振动台及振动放大器对待测试件施加的激振频率为用户预设的值即可，当待测试件具有硬弹簧特性时，则使振动台及振动放大器对待测试件施加的激振频率为待测试件的突跳点频率，在试验过程中，通过调节施加在待测试件上的激振频率，使待测试件的振幅始终为初始振幅A，从而实现共振频率及振幅的疲劳试验过程的控制，然后计算待测试件的漂移率，最后根据待测试件的漂移率得到待测试件的疲劳强度。

进一步，放大器的放大臂采用矩形截面，且截面宽度大于截面高度，使得放大臂的扭转振动模态及横向弯曲振动模态远大于纵向弯曲振动模态，防止放大臂发生一阶扭振。

进一步，振动放大器的共振频率小于待测试件的振动加速度，且振动放大器的振动相位与振动台相差180°，因此振动放大器的受迫振动会对振动台的激振产生促进作用，抵消待测试件共振所产生的反作用力。

附图说明

图1为本发明中待测试件9的一种结构示意图；

图2为本发明中待测试件9的另一种结构示意图；

图3为本发明中振动放大器的截面图；

图4为本发明中振动放大器的结构示意图；

图5为本发明的流程图；

图6为具有硬弹簧特性的非线性振动幅频响应曲线图；

图7为振动放大器中各传感器的分布示意图；

图8为待测试件9所展现出的软硬弹簧特性并存的幅频响应曲线图。

其中，1为振动台、2为基座、3为上垫块、4为下垫块、5为放大臂、6为第二固定螺钉、7为第一固定螺钉、8为紧固螺钉、9为待测试件、10为夹持块、11为第一加速度传感器、12为第二加速度传感器、13为第一位移传感器、14为第二位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明所述的振动放大器包括基座2、固定壳体、上垫块3、下垫块4、第一固定螺钉7、第二固定螺钉6、放大臂5及夹持块10；上垫块3与下垫块4位于固定壳体内，放大臂5的一端依次穿过固定壳体的一侧面、上垫块3与下垫块4之间、以及固定壳体的另一侧面伸出到固定壳体外，夹持块10位于放大臂5另一端的上表面上，第一固定螺钉7穿过夹持块10及放大臂5将夹持块10与放大臂5相连接，第二固定螺钉6穿过固定壳体的顶部伸入到固定壳体内与上垫块3的上表面相接触使上垫块3、下垫块4及放大臂5固定连接；放大臂5上刻有刻度；放大臂5的横截面为矩形截面，且该矩形截面的宽大于该矩形截面的高。

本发明码所述的模拟叶片高阶非线性振动疲劳的试验方法包括以下步骤：

1)将振动放大器中的基座2固定于振动台1的台面上，将待测试件9的端部夹持固定于夹持块10与放大臂5之间，再在基座2上固定安装第一加速度传感器11，在夹持块10的上部固定安装第二加速度传感器12，然后再待试验试件上表面的中部及端部安装第一位移传感器13及第二位移传感器14；

2)以第二加速度传感器12测量得到的夹持块10的加速度为控制量、以第一位移传感器13测量得到的待测试件9的振幅为监测量通过谐振搜索得待测试件9所需模态的共振频率；同时以第一加速度传感器11测量得到的底座的加速度为控制量、以第二加速度传感器12测量得到的夹持块10的加速度为控制量通过谐振搜索得到振动放大器的共振频率；

3)通过振动台1及振动放大器对待测试件9施加激振，判断待测试件9的弹簧特性，当待测试件9具有软弹簧特性时，则转至步骤4)；当待测试件9具有硬弹簧特性时，则转至步骤6)；

4)对待测试件9进行疲劳性试验，具体的，通过振动台1及振动放大器对待测试件9施加激振频率为ω、振幅为A的振动，当待测试件9出现疲劳损伤时，待测试件9的共振频率下降，待测试件9的振幅下降，则逐渐下调施加给待测试件9的激振频率，直至待测试件9的振幅为A为止，其中，当待测试件9的振幅为A时，待测试件9激振频率的调节量为Δω；

5)计算待测试件9激振频率的调节量Δω与调节前待测试件9的激振频率ω中间的之比，再将计算的结果作为待测试件9的漂移率，当待测试件9的漂移率小于预设漂移率值时，则将调节后待测试件9的激振频率作为新的待测试件9的激振频率ω，再重复步骤4)，当待测试件9的漂移率大于等于预设漂移率值，则统计待测试件9进行疲劳性试验的循环次数，并将待测试件9进行疲劳性试验的循环次数作为待测试件9的疲劳寿命，然后再跟待测试件9的疲劳寿命得待测试件9的疲劳强度；

6)调节振动台1，使最初施加到待测试件9上的激振频率ω为该待测试件9的突跳点频率，然后转至步骤4)。

步骤3)中通过振动台1及振动放大器对待测试件9施加激振，判断待测试件9的弹簧特性的具体操作为：

a)通过振动台1及振动放大器对待测试件9施加低量级激振加速度，并连续调节所述低量级激振加速度的大小，获取待测试件9的共振频率ω₀；

b)通过振动台1及振动放大器对待测试件9施加频率为ω₀的激振，然后调节激振频率，当增加施加到待测试件9上的激振频率，待测试件9的振幅增大时，则该待测试件9具有硬弹簧特性，当降低施加到待测试件9上的激振频率，待测试件9的振幅增大时，则该待测试件9具有软弹簧特性。

基座2通过紧固螺钉8固定于振动台1上。

当待测试件9具有软弹簧特性时，最初施加到待测试件9上的激振频率ω大于待测试件9的突跳点频率。

振动放大器的共振频率小于待测试件9的振动加速度，且振动放大器的振动相位与振动台1的振动相位的相差为180°。

针对航空发动机叶片叶尖经常在高阶振动条件下发生裂纹及掉块故障，利用有限元数值分析试件的高阶振型及模态应力分布，通过改进、优化叶片试件形状，使叶片试件在某一高阶振型下最大振动应力位于试件表面的中部，从而反向设计出菱形平板试件，如图1所示，实现模拟叶片叶叶身的高阶疲劳过程；使叶片试件在某一高阶振型下最大振动应力位于试件顶部边缘，从而反向设计出方形平板试件，如图2所示，实现模拟叶片叶尖的高阶疲劳过程。