CN103994812A - 可施加预紧力的固有频率综合测试试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可施加不同大小预紧力的航空薄壁件固有频率综合测试装置，分为三个部分：测试系统、数据采集系统、数据分析处理系统，包括底座、活动端一、活动端二、把手、定位板、丝杠、加速度传感器、弹性力锤、力传感器、薄壁试件、计算机、DASP、智能控制(变送)仪、开口销、弹簧、挡圈、螺纹连杆一和螺纹连杆二。本发明与现有技术相比，其显著优点是：结构简单，测试原理清晰，通过转动把手改变预紧力可以测量薄壁件在不同载荷状态下的动态特性参数，结合计算机软件分析实验结果，具有很高的效率、稳定性和精度。

Description

可施加预紧力的固有频率综合测试试验平台

技术领域

本发明涉及一种固有频率的综合测试装置，特别是涉及一种可施加不同大小预紧力的航空薄壁件固有频率综合测试装置。

背景技术

制造业是一个国家的支柱产业，制造技术更是各种高科技产业赖以生存和发展的技术支撑。航空制造业作为制造业的一个重要分支，近年来得到了迅速的发展。随着航空发动机对工作温度、工作转速、推重比、功重比等参数和轻量化的极限化追求，难加工材料(钛合金、高温合金、复合材料等)和难加工结构(整体叶盘结构、叶环结构、复杂叶片结构、整体机匣结构、薄壁盘环轴结构等)得到了广泛的应用，新材料和新结构的应用也带来了诸多棘手的问题，其中加工变形已成为航空结构件制造业的难题之一。现代航空发动机中的关键零件(机匣、盘轴类等)的材料去除率可高达70％以上，壁薄处只有几毫米甚至不到一毫米。在毛坯制造过程中，因外力或者不均匀温度场的作用而引起材料不均匀弹塑性变形，在毛坯中产生残余应力。整体结构件生产现场和理论研究均表明，毛坯初始残余应力对整体结构件的变形影响较大。当毛坯初始残余应力平衡遭到破坏时，零件内部应力重新分布以达到新的平衡，从而导致工件的变形(同时薄壁位置在加工和装卡时容易产生让刀变形和装卡变形)。零件加工后综合变形量可达几毫米甚至几十毫米，严重影响零件精度和后续的装配工序。整体结构件的残余应力对加工变形有很大影响，但不容易进行测试，所以非常需要找到一种方式能够快速的测试残余应力，以用于加工变形的分析。

发明内容

本设计是基于上述背景，根据材料固有频率可以通过简单实验测出这一事实。拟以材料动态特性和残余应力之间的关系为基础，设计可施加不同预紧力的薄壁件固有频率综合测试实验平台，得出一种简单的测定其残余应力的方式，为进一步分析研究残余应力对薄壁件加工变形影响提供基础。

根据实验目的可知，综合测试试验平台需要满足三个要求：实验研究、数据采集、数据分析，故将综合试验平台分为三个部分：测试系统、数据采集系统、数据分析处理系统。测试系统包括支承系统、加载系统和施力装置，主要用于预紧力的加载和产生信号输出；数据采集系统利用相应的传感器(力传感器、加速度传感器和弹性力锤)采集力信号和频率信号，向分析系统传输数据；数据分析处理系统通过数据处理设备分析处理数据并在显示屏显示，用于数据分析、曲线拟合，生成实验报告。本综合实验平台主要设计部分为测试系统，测试系统、数据采集系统和数据分析处理系统组成可施加不同预紧力的薄壁件固有频率综合测试实验平台。

附图说明

图1是综合测试试验平台设计原理框图；

图2是综合测试试验平台测试系统；

图3是综合测试试验平台数据采集系统；

图4是综合测试试验平台数据分析处理系统；

图5是综合测试试验平台整体结构；

图6是丝杠安装示意图；

图7是力传感器安装示意图。

图中1为底座，2为活动端一，3为活动端二，4为把手，5为定位板，6为丝杠，7为加速度传感器，8为弹性力锤，9为力传感器，10为薄壁试件，11为计算机，12为DASP(Data Auto Sample and Process System)，13为智能控制(变送)仪，14为开口销，15为弹簧，16为挡圈，17为螺纹连杆一，18为螺纹连杆二。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例附图中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图及实施例对本发明的设计原理、各部分功能结构及装配工艺进行介绍：

如图1所示，根据实验目的可确定设计原理。综合测试试验平台需要满足三个要求：实验研究、数据采集、数据分析，故将综合实验平台分为三个部分：测试系统、数据采集系统和数据分析处理系统。综合测试试验平台设计原理框图清晰的展示了设计思路及原理。

如图2所示，测试装置分为支承系统、加载系统、施力装置。支撑系统主要由底座1构成，用于将测试系统和实验台相连以及固定加载系统和施力系统；加载系统由活动端一2、活动端二3、把手4、定位板5和丝杆6构成，用于对试件施加一定大小的预紧力；施力装置既弹性力锤8，用于施加激振力。底座1为前后对称结构，底部有用于和试验台固定的螺纹孔、用于和活动端配合的导向槽以及含有螺纹孔的用于固定力传感器的左侧板，右侧有用于固定定位板5的螺纹孔；活动端一2和活动端二3底端均为与底座1导向槽配合的导向装置，上端均为可用于与不同宽度的薄壁件连接的长方形连接孔，活动端一2有用于固定力传感器螺纹孔，活动端二3有用于安装丝杠的通孔；定位板5用于丝杠定位，上端设有和丝杠配合的螺纹孔以配合丝杠带动活动端二3运动，下端螺纹通孔和底座1右端螺纹孔配和实现固定；丝杠6用于带动活动端二3，为试验时提供不同大小的预紧力；弹性力锤8型号为MSC-1，用于施加激振力。

如图3所示，数据采集系统用于拉力、频率和敲击力的采集，包括加速度传感器7，用于测定和采集振动的频率信息加速度；弹性力锤8，含有力传感器，可用来简便有效直接地测量冲击力大小及力脉冲宽度；力传感器9，用于测定和采集测试装置对试件施加的预紧力。加速度传感器7型号为YD-67；弹性力锤的型号为MSC-1；力传感器9型号为TDCQS-01、量程为100kg、精度为0.03％FS。

如图4所示，数据分析处理系统用于分析数据采集系统所收集的实验数据，包括计算机11，用于操作分析系统，进行数据分析、曲线拟合和生成分析报告；DASP12，用于分析弹性力锤对薄壁件施加的敲击力和加速度传感器收集的薄壁试件频率数据；智能控制(变送)仪13，分析和显示力传感器收集的测试装置对薄壁试件施加的预紧力数据。计算机11为普通个人计算机；DASP12型号为DASP-V10，是由北京东方振动和噪声技术研究所开发的容量数据刺激与信号处理、频谱分析、模态分析系统软件智能控制(变送)仪型号为XMT604、工作电源为AC/DC85～260V、基本误差为0.2％FS、馈电输出为DC24V/30mA、采样速率为3次/秒、触点容量为AC220V/3A、变送输出为4～20mA和0～20Ma(不同变送输入)。

如图5所示，根据设计的测试系统以及数据采集系统、数据分析处理系统可以搭建可施加不同预紧力的薄壁件固有频率综合测试实验平台。

下面结合实例对本发明做进一步详细的描述：

采用本发明中提出的方法及综合测试试验平台，对95mm×250mm×1mm的航空薄壁件材料在不同预紧力下的固有频动态特性参数进行测试。

如图5所示，首先搭建综合测试试验平台。用螺栓将底座1固定在铸铁实验平台上，构成试验测试基础平台。在基础平台上，将活动端一2、活动端二3上的导向装置与底座1的导向槽配合，构成活动连接，以便活动端可以沿着导向槽运动。用螺钉将定位板5与底座1固定，用于丝杠定位。丝杠6穿过定位板5并与其上端螺纹孔配合，用以带动活动端二3沿着导向槽运动，把手4与丝杠6右端连接用于转动丝杠。丝杆6与活动端二3的连接方式如图6所示，丝杠6穿过活动端二3下端通孔，通过开口销14、弹簧15、挡圈16，将丝杠6与活动端二3形成可转动连接。力传感器9安装方式如图7所示，力传感器9左侧螺纹孔与螺纹连杆一17连接，将螺纹连杆一17左侧与底座1左侧板上螺纹孔连接，力传感器9右侧螺纹孔与螺纹连杆二18连接，将螺纹连杆二18右侧与活动端一2上端螺纹孔连接。用数据线将力传感器9和智能控制(变送)仪13相连。薄壁试件10左右两端分别开两个通孔，用螺栓与活动端一2和活动端二3上端的长方形连接孔连接。将加速度传感器7用强力磁铁或者强力胶固定在薄壁试件10右侧中心线上。用数据线将加速度传感器7和弹性力锤8与DASP12相连。最后将DASP12和计算机用数据线连接。

在搭建完综合测试试验平台之后，先仔细确认安装以及连线是否正确。打开测量仪器电源，准备试验测试。通过转动把手4带动活动端一2和活动端二3对薄壁试件10施加预紧力，这个预紧力通过力传感器9采集可在智能控制(变送)仪13中读出，根据实验要求应该施加一系列具有代表性的预紧力。启动DASP12，在计算机软件中选择动态特性分析模块，用弹性力锤8敲击薄壁试件10，每敲击一次需注意计算机屏幕敲击力的曲线，防止出现连击，这个敲击力为激振力，敲击3～5次。敲击完毕后在计算机中分析加速度传感器7和力传感器9传回的数据，以得出薄壁试件10在不同预紧力下动态特性关系及固有频率。最后分析数据得出振型图和试验报告。在实验完毕后关闭仪器开关。

以上对本发明所提出的可施加预紧力的固有频率综合测试试验平台进行了详细的介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种可施加预紧力的固有频率综合测试试验平台，其特征在于，包括测试系统、数据采集系统、数据分析处理系统；所述测试系统包括支承系统、加载系统和施力装置，包括底座(1)、活动端一(2)、活动端二(3)、把手(4)、定位板(5)和丝杆(6)弹性力锤(8)；所述数据采集系统包括加速度传感器(7)，弹性力锤(8)，力传感器(9)；所述数据分析系统包括计算机(11)、DASP(12)智能控制(变送)仪器(13)。

2.如权利要求1所述的可施加预紧力的固有频率综合测试试验平台，其特征在于：底座(1)为前后对称结构，底部有用于和试验台固定的螺纹孔、用于和活动端配合的导向槽以及含有螺纹孔的用于固定力传感器的左侧板，右侧有用于固定定位板(5)的螺纹孔。

3.如权利要求1所述的可施加预紧力的固有频率综合测试试验平台，其特征在于：活动端一(2)和活动端二(3)底端均为与底座(1)导向槽配合的导向装置，上端均为可用于与不同宽度的薄壁件连接的长方形连接孔，活动端一(2)有用于固定力传感器螺纹孔，活动端二(3)有用于安装丝杠的通孔。

4.如权利要求1所述的可施加预紧力的固有频率综合测试试验平台，其特征在于：定位板(5)用于丝杠定位，上端设有和丝杠配合的螺纹孔以配合丝杠带动活动端二(3)运动，下端螺纹通孔和底座(1)右端螺纹孔配和实现固定。

5.如权利要求1所述的可施加预紧力的固有频率综合测试试验平台，其特征在于：丝杠(6)穿过活动端二(3)下端通孔，通过开口销(14)、弹簧(15)、挡圈(16)，将丝杠(6)与活动端二(3)形成可转动连接，带动活动端二(3)，为试验时提供不同大小的预紧力。