CN103575491A

CN103575491A - 空心结构高周疲劳振动测试装置及方法

Info

Publication number: CN103575491A
Application number: CN201310562164.9A
Authority: CN
Inventors: 邓瑛; 李志强; 韩秀全; 邵杰
Original assignee: AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute
Current assignee: AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute
Priority date: 2013-11-12
Filing date: 2013-11-12
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2033-11-12
Also published as: CN103575491B

Abstract

本发明属于试验技术领域，涉及一种空心结构高周疲劳振动试验装置及方法。试验装置包括试验装置底座、简支端支板、简支端夹头轴承、简支端夹头、绞支端夹头、绞支端夹头轴、摇臂、摇臂轴承、绞支端支座。本发明采用了一端简支、一端绞支的夹持方案，使试验件的最大应力区域远离夹持位置；该试验装置可采用等截面且截面外形相对简单的试验件，使得试验件考核部位的应力分布相对简单，便于后续理论分析。本发明提出的空心结构试验件的外形方案以及相应的高周疲劳振动试验装置，实现空心结构高周振动试验件结构简单、外形均匀；实现试验件的考核部位远离夹持端；实现试验件的应力状态相对简单、均匀；实现振动台加载过程简单。

Description

空心结构高周疲劳振动测试装置及方法

技术领域

本发明属于试验技术领域，涉及一种空心结构高周疲劳试验装置及方法。

背景技术

当前各类飞行器主要采用航空涡轮喷气发动机作为动力装置，这类动力装置工作时吸入空气，空气压力提高后，燃料被注入到高压空气中并燃烧，生成高温、高压燃气，燃气用于直接或间接产生推力。提高空气压力的部件被称作为”压气机”，目前，压气机以轴流式为主，其由多个相似单元组成，每一单元为一级，由前后两组叶片构成，前面一组为动叶，工作时高速旋转，提高吸入空气的速度，后一组则将气流速度降低，压力提高。在多级叶片协同工作中，后一级动叶将会受到前一级静叶出口气流的扰动，此外，由于转子不平衡力、吸入气流扰动等因素激励，叶片可能产生振动，导致叶片失效。压气机位于发动机前端，失效叶片必然对发动机造成二次损伤，严重威胁到发动机的正常使用，甚至威胁飞行器的安全。

通过对失效航空涡轮喷气发动机进行分析后得出，造成发动机失效的因素中，有约80%的原因与结构的疲劳失效相关。为了避免压气机叶片的疲劳失效，需要在设计中对叶片进行充分的振动疲劳试验，验证叶片振动特性并对叶片的疲劳性能进行评估，根据试验中所用试件的特点可分为材料级试验、构件级试验以及部件级试验三类。构件级别试验相对简单，并且能够反映真实叶片某些方面的特点，因此，在叶片研制的初期需要开展大量构件级别试验，为叶片详细设计提供数据支持。

随着近年来制造技术的发展，诞生了钛合金宽弦空心风扇/压气机叶片，由于SPF/DB技术赋予与这类叶片中空的结构特征，相对于传统实心钛合金叶片，其结构重量极大降低，有利于改善叶片、轮盘工作条件和受力分布，因此，这类叶片逐渐成为压气机/风扇的发展趋势。图1-A所示为空心叶片的结构特征，从图1-B中可以看出，叶片结构特征为外侧的蒙皮11.以及蒙皮之间的瓦楞状加强筋12.。作为航空涡轮喷气发动机的部件，需要完全掌握叶片的振动、疲劳性能，但由于结构形式复杂，设计中的参量较多，难以使用真实结构开展研究，因此，在叶片研制初期常采用结构模拟件考察不同拓扑参数下结构的固有振动特性以及疲劳性能，并将这些数据融入到真实叶片设计中去，为实现这一目标，需要空心结构模拟试件以及空心结构高周疲劳振动测试装置。

压气机叶片在工作过程中的受迫振动，激励源可能为前排静子叶片气流、转子不平衡力，由于压气机转速约为每分钟6000～10000转左右，因此，叶片属于高周疲劳振动，这类振动特点为结构中的交变应力较小，一般不超过材料的屈服极限。从结构上而言，压气机叶片安装特点为悬臂梁的结构。即压气机叶片的振动特征为高周疲劳弯曲振动。

高周疲劳试验中有三个要素，分别为激振设备、试验件和测试装置。现有的激振设备有采用压电晶体为激励源的试验机、旋转弯曲疲劳试验机以及电动振动台等，根据叶片材料以及工作中的振动特点，主要采用电动振动台作为激励手段。

试验件是研究叶片振动特性和疲劳性能的关键要素，将所要研究的参数简化并在试验件设计中体现，即试验件需要反映真实叶片某一方面的特点，此外，试验件的结构特征还需满足以下三个方面的要求：1）考核部位位于空心区域；2）考核部位应力状态简单；3）考核部位应力水平应能达到试验要求；4）试验开展简单。在传统振动试验中，常将叶片外形简化为平板，叶片榫头简化为方块，夹持端厚度较大，夹持端与平板之间采用大圆角过渡。

测试装置是高周疲劳试验中的另一个关键因素，要求其具有足够的刚度，试验中将整个试件、夹具放置到电动振动台上，由振动台对试件施加高周振动载荷，利用共振原理使得叶片考核部位达到规定的应力水平。

现有试件为带有夹持端的平板试件，试验中，试验件发生一弯变形，在这种试验状态下，其最大应力点位于夹持端与平板的过渡圆角部位，即最大应力点位于平板根部，由于处于几何变化区（存在过渡圆角），导致应力集中，造成应力分布不均匀，不便于后续理论分析工作；在上述试验件的基础上，一些方案通过改变试验件外形，如采用沿着试验件高度方向逐步减少厚度，或采用较大过渡圆角的设计方案，可以将试验件上的最大应力区域从夹持端的过渡圆角区转移到平板上，然而采用这种结构方式，将导致结构失去一致性，此外，这类结构设计方案同样将导致考核部位存在较大应力梯度。如试验件设计方案不变，但采用高阶振型进行试验，这虽然可以使得最大应力区离开夹持端，然而，这类试验受限于试验装置，如振动台频率范围和推力大小，在高阶激振频率下，难以保证试验件考核部位的应力水平达到试验任务书的中的量级，此外，试验件在产生高阶振动时，发生变形区域不规则，同样造成考核部位应力分布不均匀。

根据上述分析，当前空心结构高周疲劳试验中存在的不足为：1）试验件中最大应力（即考核部位）处于夹持端；2）考核部位及附近区域存在较大的应力集中；3）不同区域结构不一致；4）利用高阶振型开展试验困难。

发明内容

本发明的目的是针对现有空心结构高周疲劳试验技术中存在的不足，提出一种适用于这类结构的高周疲劳试验的试验装置及方法。

本发明的技术解决方案是，试验装置包括试验装置底座1.；简支端支板2.；简支端夹头轴承3.；简支端夹头4；绞支端夹头5.；绞支端夹头轴承6.；摇臂7.；摇臂轴承8.；绞支端支座9.。

试验装置底座1.水平放置，在其一端对称安装两个简支端支板2.，在每个简支端支板2.顶部各安装一个简支端夹头轴承3.，简支端夹头4.安装的简支端夹头轴承3.上；在试验装置底座1.的另一端，对称安装两个绞支端支座9.，摇臂轴承8.安装在绞支端支座9.的轴承孔中，摇臂7.通过摇臂轴承8.与绞支端支座9.连接，在摇臂7.顶部安装绞支端夹头轴承6.，绞支端夹头5.固定在绞支端夹头轴承6.上。

测试时，1）将空心试验件10.的两端分别夹持在简支端夹头4.和绞支端夹头5.上，2）将试验装置紧固在振动台上；3）向空心试验件施加激振力，激振力的频率为空心试验件的一弯固有频率，激振力方向与构件平面法相平行，直至空心试验件出现裂纹。

本发明具有的优点为和有益效果：1）本发明采用的试验方法使得试验件的最大应力区域（即考核部位）远离夹持区域，既使得考核部位应力状态简单、便于后续分析，又能够在很大程度上避免非考核部位破坏的现象，增加了试验的成功率，减少了对试验数量的需求，降低了试验件采购成本和试验周期；2）本发明提出空心结构试验件结构方案以及相应的高周疲劳试验装置，实现空心结构振动试验件结构简单、外形均匀，降低了试验件制造难度，缩短了试验件制备周期，从而降低了试验件制备成本和制备周期；3）本发明中采用的加持方法实现了试验件的方便安装，振动台加载过程简单，减少了最大应力部位标定等环节，降低了试验难度、减少了费用。

附图说明

图1是空心叶片结构示意图，其中，1-B是1-A的A-A剖视图。

图2是本发明中采用试验件外形俯视图示意图。

图3是图2中试验件的左视图。

图4是本发明测试装置示意图，其中4-B是4-A的左视图，4-C是4-A的俯视图。

图5是本发明试验装置工作原理图。

具体实施方式

如图4所示，试验装置包括试验装置底座1；简支端支板2；简支端夹头轴承3；简支端夹头4；绞支端夹头5；绞支端夹头轴承6；摇臂7；摇臂轴承8；绞支端支座9。

试验装置底座1.水平放置，在其一端对称安装两个简支端支板2，在每个简支端支板2顶部安装一个简支端夹头轴承3，简支端夹头4安装的简支端夹头轴承3上；在试验装置底座1的另一端，对称安装两个绞支端支座9，摇臂轴承8安装在绞支端支座9的轴承孔中，摇臂7通过摇臂轴承8与绞支端支座9连接，在摇臂7顶部安装绞支端夹头轴承6，绞支端夹头5固定在绞支端夹头轴承6上。

针对试验件振动疲劳试验中加载、变形特点及其应力分布所需要满足的三点要求，计划采用技术方案如下：

1）用于高周疲劳测试的空心结构试验件的外形为平板，由两侧蒙皮11.以及蒙皮之间的瓦楞状加强筋12组成，试验件外形如图2、图3所示，在试验件高度方向上，截面形状保持一致，两侧蒙皮11为截面为圆弧状，试验件10的几何特征尺寸根据研究要求制定；

2）疲劳试验中，采用的激振频率为试验件10的一弯固有频率，在该激振频率下，试验件10将产生一阶弯曲变形11；

3）试验件10采用两端夹持的夹持方案，从而释放了沿着试验件10高度方向的自由度以及夹持端的转动自由度；

4）激振力方向与试验件10平面法相平行，在一弯激振频率激振下试验件10发生弯曲变形，最大应力点位于试验件10中部，此外，由于试验件10截面外形采用大圆弧设计，其考核部位应力分布较为均匀。

此次申请的试验装置用于空心结构试验件10高周疲劳振动试验，针对外形为平板的试验件10，使得试验件10在特定的激励作用下发生一弯变形11，使得其最大应力位置远离夹持端。根据以上目的设计得到试验装置如图4所示。图中所示试验装置由9个主要部件组成：试验装置底座1；简支端支板2；简支端夹头轴承3；简支端夹头4；绞支端夹头5；绞支端夹头轴承6；摇臂7；摇臂轴承8；绞支端支座9。试验件10安装到试验装置上的示意图如图5所示。

试验件10的振动疲劳试验通过如下方式实现，通过图5进行说明：

1）将图4所示的试验装置放置到电动振动台上，通过位于试验装置底座1上面的螺钉孔及螺钉（必要时可以采用压板等辅助固定装置）实现试验装置以及振动台的刚性连接；

2）振动台产生垂直方向上高频周期运动，由于振动台面与试验装置为刚性连接，因此，试验装置底座1与振动台面产生同相位的高频周期运动；

3）试验装置底座1的高频周期运动通过简支端支板2、简支端夹头轴承3以及简支端夹头4传递到试验件10的右侧端部，同时，试验装置底座1.的高频周期运动通过绞支端支座9、摇臂轴承8、摇臂7、绞支端夹头轴承6以及绞支端夹头5传递到试验件10的左侧端部，简支端夹头4以及绞支端夹头5振动相位相同；

4）试验件10在两端同相位、高频、周期激励作用下产生一弯振动，图5中虚线11.示意为试验件发生一弯变形后的外形；

5）试验件10发生一阶弯曲变形后，夹持端面的法线方向将发生偏转，夹持端处采用轴承连接，释放了该处的旋转自由度，保证了试验件10夹持端的自由旋转变形；

6）试验件10在发生了一阶弯曲变形后，在高度方向上的投影长度将发生变化，高度方向上的投影将缩短，如图5所示，试验装置的左端为绞支支持，摇臂7在试验件10高度变化时将会绕着摇臂轴承8旋转，从而释放试验件10高度方向上的变形自由度。

7）试验件10在振动试验中，其所在平面内的平动、转动自由度以及平面法向的平动、转动自由度被约束，试验件10两侧端面的一个旋转自由度以及其高度方向上的平动自由度得到释放，振动台的振动激励下，将发生一弯振动；

实施例

1）空心试验件10：按照图2、图3所示几何特征设计试验件，长274.5mm，宽150mm，最厚部位为10mm，两侧蒙皮11厚度一致，蒙皮11有三种尺寸，分别为1mm，2mm和3mm，蒙皮11之间的瓦楞12与蒙皮11间夹角均为45度，三类试验件均为钛合金，重量接近，约为0.746kg。

2）试验装置：按照试验件10尺寸以及图4所示几何特征设计试验装置，试验装置长376mm，宽270mm，底面至绞支端夹头5顶面距离为156mm，试验装置采用45#钢加工，重量为35kg。

3）高周疲劳试验：按照图5中的方法开展高周疲劳试验，试验频率为250Hz，试验件最大应力区为试验件中部，试验件破坏区域均在设计区域。

Claims

1.一种空心结构高周疲劳振动试验装置及方法，其特征是，试验装置包括试验装置底座（1）、简支端支板（2）.、简支端夹头轴承（3）、简支端夹头（4）、绞支端夹头（5）、绞支端夹头轴承（6）、摇臂（7）、摇臂轴承（8）、绞支端支座（9），

试验装置底座（1）水平放置，在试验装置底座（1）一端对称安装两个简支端支板（2），在每个简支端支板（2）顶部各安装一个简支端夹头轴承（3），简支端夹头（4）安装的简支端夹头轴承（3）上；在试验装置底座（1）的另一端，对称安装两个绞支端支座（9），摇臂轴承（8）安装在绞支端支座（9）的轴承孔中，摇臂（7）通过摇臂轴承（8）与绞支端支座（9）连接，在摇臂（7）顶部安装绞支端夹头轴承（6），绞支端夹头（5）固定在绞支端夹头轴承（6）上。

测试时，1）试验件（10）.的两端分别夹持在简支端夹头（4）和绞支端夹头（5）上，2）将试验装置紧固在振动台上；3）振动台的激振力通过本发明装置传递到试验件（10）上，激振力的频率为空心试验件的一弯固有频率，激振力方向与构件平面法相平行。