CN105543469A - 一种确定振动时效激振频率的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及振动时效技术领域，特指一种确定振动时效激振频率的系统及方法。系统由处理器、信号发生器、驱动器、激振器、应变片以及动态应变仪构成；通过X射线衍射法获取工件的残余应力分布状态，并在工件的残余应力峰值处粘贴应变片；将粘贴好应变片的工件与激振器相互固定连接；通过支撑装置对工件进行支撑，以便激振器对工件进行激振；处理器控制信号发生器对工件进行扫频振动；处理器通过计算机接口读取动态应变仪采集到的应变波形并获取应变波形的峰值，然后计算出作用在工件上的附加动应力；当附加动应力与附加动应力的临界阈值之间的关系满足σ>δ时，处理器记录下该激振频率f，并在该激振频率下对工件进行振动时效处理。
Description
技术领域
本发明涉及振动时效技术领域，特指一种确定振动时效激振频率的系统及方法。
技术背景
振动时效技术是机械工程领域被广泛使用的残余应力控制方法，即对工件施加机械振动载荷，当工件内部的残余应力和附加的动应力之和超过材料的屈服极限时，材料内部将会发生塑性变形，从而使得材料内部的残余应力得以释放。
目前对于振动时效激振频率的确定是通过扫频的方式寻找工件的固有频率，然后在其固有频率下对工件进行振动时效处理；这种确定激振频率方法的依据为激振频率越接近工件的固有频率时，作用在工件上的振级越大，即作用在工件上的附加动应力越大，越有利于消除工件的残余应力；然而根据机械振动学的基本理论可知，每一阶固有频率都对应一个固有振型，即在工件的固有频率下激振时工件各部分分布的附加动应力是非均匀的；若分布的附加动应力较小处分布有较大的残余应力，此时在这一阶固有频率下对工件进行振动时效处理，会导致工件局部区域的较大残余应力并不能得以有效的消除，降低了振动消除残余应力的效果。
发明内容
为了获取能够消除工件局部区域的峰值残余应力的激振频率，本发明提出一种确定振动时效激振频率的系统及方法。
确定振动时效激振频率的系统，包括处理器、信号发生器、驱动器、激振器、应变片、动态应变仪、支撑装置；激振器固定在工件表面，工件安装在具有弹性的支撑装置上；处理器控制信号发生器输出幅值和频率均独立且连续可调的正弦激振信号；信号发生器输出的正弦激振信号输入驱动器中，驱动器的输出信号驱动激振器产生振动。
应变片粘贴在工件上，应变片的引出线与动态应变仪的输入通道连接，动态应变仪的输出端与处理器连接。
处理器包括获取动态应变仪采集到的应变波形的应变波形读取模块，从应变波形中获取应变峰值ε(με)的应变识别模块，工件弹性模量设置模块，将应变峰值转换为附加动应力的动应力检测模块，附加动应力的临界阈值设置模块，以及附加动应力判断模块。
工件弹性模量设置模块中预设有工件的弹性模量E(GPa)；附加动应力与应变峰值的转换关系为其中，σ表示附加动应力，通过处理器的显示界面显示给用户。
进一步，应变片为三向顺时针应变花。
进一步，动态应变仪为高精度多通道动态应变仪。
进一步，支撑装置为弹性元件。
进一步，应变片粘贴在工件上的分布有峰值残余应力的位置。
用于确定振动时效激振频率的方法包括以下步骤：
(1)通过X射线衍射法获取工件的残余应力分布状态，确定峰值残余应力在工件上的具体位置，并在残余应力峰值处粘贴应变片。
(2)将工件与激振器固定连接；通过支撑装置对工件进行支撑，以便激振器对工件进行激振；接通信号连线；接通电源。
(3)在工件弹性模量设置模块中设置工件的弹性模量E(GPa)；在附加动应力的临界阈值设置模块中设置附加动应力的临界阈值δ(MPa)。
(4)应变波形读取模块获取动态应变仪采集到的应变波形；应变识别模块从应变波形中获取应变峰值ε(με)；动应力检测模块中输出的附加动应力与应变峰值的转换关系为：
(5)处理器控制信号发生器对工件进行扫频振动，从而自动获取振动时效的激振频率f。
所述信号连线包括处理器与信号发生器以及动态应变仪之间的信号连线、信号发生器与驱动器之间的信号连线、驱动器与激振器之间的信号连线、应变片与动态应变仪之间的信号连线；所述电源包括处理器、驱动器、信号发生器、动态应变仪和激振器的电源。
步骤(5)中，处理器控制信号发生器通过扫频法自动确定振动时效的激振频率f包括以下步骤：
(5.1)处理器控制信号发生器的初始激振频率f0设置为0Hz，然后处理器控制信号发生器以100Hz为扫频步长逐步增加信号发生器的输出激振频率；处理器分别记录下每一激振频率时作用在工件上的附加动应力σ(MPa)；判断是否σ>δ，若是，则处理器记录下该激振频率，并记为f01；若否，则处理器继续控制信号发生器对工件进行扫频振动。
(5.2)处理器控制信号发生器的初始激振频率设置为(f01-100)Hz，以10Hz为扫频步长逐步增加信号发生器的输出激振频率；然后重复步骤(5.1)的过程，处理器得到σ>δ时的激振频率；处理器记录下该激振频率，并记为f02。
(5.3)处理器控制信号发生器的初始激振频率设置为(f02-10)Hz，以1Hz为扫频步长逐步增加信号发生器的输出激振频率；然后重复步骤(5.1)的过程，处理器得到σ>δ时的激振频率；处理器记录下该激振频率和附加动应力，分别为振动时效的激振频率f和激振频率f确定的时刻作用在工件上的附加动应力σf。
本发明的技术构思是：由处理器、信号发生器、驱动器、激振器、应变片以及动态应变仪构成确定振动时效激振频率的系统；通过X射线衍射法获取工件的残余应力分布状态，并在工件的残余应力峰值处粘贴应变片；将粘贴好应变片的工件与激振器相互固定连接；通过支撑装置对工件进行支撑，以便激振器对工件进行激振；处理器控制信号发生器对工件进行扫频振动；处理器通过计算机接口读取动态应变仪采集到的应变波形并获取应变波形的峰值，然后计算出作用在工件上的附加动应力；当附加动应力与附加动应力的临界阈值之间的关系满足σ>δ时，处理器记录下该激振频率f，并在该激振频率下对工件进行振动时效处理。
本发明的有益效果如下：
1、能够在工件残余应力峰值处粘贴应变片，进而通过本发明设计的系统确定振动时效的激振频率，能够提高振动消除局部峰值残余应力的效果。
2、通过振动时效激振频率确定系统确定的激振频率，能够实现对残余应力进行定位和定向消除，因此本发明提供了一种残余应力振动定位和定向消除的方法。
3、能够将动态应变仪输出的应变波形转换为附加动应力值，实时、准确地获知作用在工件上的附加动应力；处理器根据附加动应力，自动确定激振频率；确定激振频率和附加动应力的过程全部由处理器自动完成，无需手动操作，减少了工作量，提高了工作效率。
附图说明
图1确定振动时效激振频率的系统示意图。
图2三向顺时针应变花示意图。
具体实施方式
参照附图，进一步说明本发明：
确定振动时效激振频率的系统，包括处理器、信号发生器、驱动器、激振器1、应变片2、动态应变仪、支撑装置4；激振器1固定在工件3表面，工件3安装在具有弹性的支撑装置4上；处理器控制信号发生器输出幅值和频率均独立且连续可调的正弦激振信号；信号发生器输出的正弦激振信号输入驱动器中，驱动器的输出信号驱动激振器1产生振动。
应变片2粘贴在工件3上，应变片2的引出线与动态应变仪的输入通道连接，动态应变仪的输出端与处理器连接。
处理器包括获取动态应变仪采集到的应变波形的应变波形读取模块，从应变波形中获取应变峰值ε(με)的应变识别模块，工件3弹性模量设置模块，将应变峰值转换为附加动应力的动应力检测模块，附加动应力的临界阈值设置模块，以及附加动应力判断模块。
工件3弹性模量设置模块中预设有工件3的弹性模量E(GPa)；附加动应力与应变峰值的转换关系为其中，σ表示附加动应力，通过处理器的显示界面显示给用户。
应变片2为三向顺时针应变花。
动态应变仪为高精度多通道动态应变仪。
支撑装置4为弹性元件。
应变片2粘贴在工件3上的分布有峰值残余应力的位置。
用于确定振动时效激振频率的方法包括以下步骤：
(1)通过X射线衍射法获取工件3的残余应力分布状态，确定峰值残余应力在工件3上的具体位置，并在残余应力峰值处粘贴应变片2。
(2)将工件3与激振器1固定连接；通过支撑装置4对工件3进行支撑，以便激振器1对工件3进行激振；接通信号连线；接通电源。
(3)在工件3弹性模量设置模块中设置工件3的弹性模量E(GPa)；在附加动应力的临界阈值设置模块中设置附加动应力的临界阈值δ(MPa)。
(4)应变波形读取模块获取动态应变仪采集到的应变波形；应变识别模块从应变波形中获取应变峰值ε(με)；动应力检测模块中输出的附加动应力与应变峰值的转换关系为：
(5)处理器控制信号发生器对工件3进行扫频振动，从而自动获取振动时效的激振频率f。
所述信号连线包括处理器与信号发生器以及动态应变仪之间的信号连线、信号发生器与驱动器之间的信号连线、驱动器与激振器1之间的信号连线、应变片2与动态应变仪之间的信号连线；所述电源包括处理器、驱动器、信号发生器、动态应变仪和激振器1的电源。
步骤(5)中，处理器控制信号发生器通过扫频法自动确定振动时效的激振频率f包括以下步骤：
(5.1)处理器控制信号发生器的初始激振频率f0设置为0Hz，然后处理器控制信号发生器以100Hz为扫频步长逐步增加信号发生器的输出激振频率；处理器分别记录下每一激振频率时作用在工件3上的附加动应力σ(MPa)；判断是否σ>δ，若是，则处理器记录下该激振频率，并记为f01；若否，则处理器继续控制信号发生器对工件3进行扫频振动。
(5.2)处理器控制信号发生器的初始激振频率设置为(f01-100)Hz，以10Hz为扫频步长逐步增加信号发生器的输出激振频率；然后重复步骤(5.1)的过程，处理器得到σ>δ时的激振频率；处理器记录下该激振频率，并记为f02。
(5.3)处理器控制信号发生器的初始激振频率设置为(f02-10)Hz，以1Hz为扫频步长逐步增加信号发生器的输出激振频率；然后重复步骤(5.1)的过程，处理器得到σ>δ时的激振频率；处理器记录下该激振频率和附加动应力，分别为振动时效的激振频率f和激振频率f确定的时刻作用在工件3上的附加动应力σf。
图2为所述的三向顺时针应变花的示意图，该应变花具有3组应变珊，能够感知工件3振动时效过程中3个方向上的动态应变；应变珊1与x轴重合，应变珊2与x轴呈45°夹角，应变珊3与y轴重合；图中d为应变花的中心圆直径。
若通过X射线衍射法分析发现，工件3仅在一个方向上的残余应力较大时，只需检测1组应变珊的应变波形，确定一个激振频率进行振动时效处理；若通过X射线衍射法分析发现，工件3在两个方向上的残余应力较大时，先检测其中1组应变珊的应变波形，确定一个激振频率进行振动时效处理；然后再检测另外1组应变珊的应变波形，确定另一个激振频率进行振动时效处理。
通过确定振动时效激振频率的系统及方法确定的激振频率，能够实现对工件残余应力的振动定位和定向消除，提高了振动消除局部峰值残余应力的效果。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (8)
1.一种确定振动时效激振频率的系统，其特征在于：所述系统包括处理器、信号发生器、驱动器、激振器、应变片、动态应变仪、支撑装置；激振器固定在工件表面，工件安装在具有弹性的支撑装置上；处理器控制信号发生器输出幅值和频率均独立且连续可调的正弦激振信号；信号发生器输出的正弦激振信号输入驱动器中，驱动器的输出信号驱动激振器产生振动；应变片粘贴在工件上，应变片的引出线与动态应变仪的输入通道连接，动态应变仪的输出端与处理器连接。
2.如权利要求1所述的一种确定振动时效激振频率的系统，其特征在于：处理器包括获取动态应变仪采集到的应变波形的应变波形读取模块，从应变波形中获取应变峰值ε(με)的应变识别模块，工件弹性模量设置模块，将应变峰值转换为附加动应力的动应力检测模块，附加动应力的临界阈值设置模块，以及附加动应力判断模块。
3.如权利要求2所述的一种确定振动时效激振频率的系统，其特征在于：工件弹性模量设置模块中预设有工件的弹性模量E(GPa)；附加动应力与应变峰值的转换关系为其中，σ表示附加动应力，通过处理器的显示界面显示给用户。
4.如权利要求1所述的一种确定振动时效激振频率的系统，其特征在于：应变片为三向顺时针应变花，应变片粘贴在工件上的分布有峰值残余应力的位置。
5.如权利要求1所述的一种确定振动时效激振频率的系统，其特征在于：动态应变仪为高精度多通道动态应变仪，支撑装置为弹性元件。
6.使用如权利要求1所述的确定振动时效激振频率的系统确定振动时效激振频率的方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)通过X射线衍射法获取工件的残余应力分布状态，确定峰值残余应力在工件上的具体位置，并在残余应力峰值处粘贴应变片；
(2)将工件与激振器固定连接；通过支撑装置对工件进行支撑，以便激振器对工件进行激振；接通信号连线；接通电源；
(3)在工件弹性模量设置模块中设置工件的弹性模量E(GPa)；在附加动应力的临界阈值设置模块中设置附加动应力的临界阈值δ(MPa)；
(4)应变波形读取模块获取动态应变仪采集到的应变波形；应变识别模块从应变波形中获取应变峰值ε(με)；动应力检测模块中输出的附加动应力与应变峰值的转换关系为：
(5)处理器控制信号发生器对工件进行扫频振动，从而自动获取振动时效的激振频率f。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述信号连线包括处理器与信号发生器以及动态应变仪之间的信号连线、信号发生器与驱动器之间的信号连线、驱动器与激振器之间的信号连线、应变片与动态应变仪之间的信号连线；所述电源包括处理器、驱动器、信号发生器、动态应变仪和激振器的电源。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤(5)中，处理器控制信号发生器通过扫频法自动确定振动时效的激振频率f包括以下步骤：
(5.1)处理器控制信号发生器的初始激振频率f0设置为0Hz，然后处理器控制信号发生器以100Hz为扫频步长逐步增加信号发生器的输出激振频率；处理器分别记录下每一激振频率时作用在工件上的附加动应力σ(MPa)；判断是否σ>δ，若是，则处理器记录下该激振频率，并记为f01；若否，则处理器继续控制信号发生器对工件进行扫频振动；
(5.2)处理器控制信号发生器的初始激振频率设置为(f01-100)Hz，以10Hz为扫频步长逐步增加信号发生器的输出激振频率；然后重复步骤(5.1)的过程，处理器得到σ>δ时的激振频率；处理器记录下该激振频率，并记为f02；
(5.3)处理器控制信号发生器的初始激振频率设置为(f02-10)Hz，以1Hz为扫频步长逐步增加信号发生器的输出激振频率；然后重复步骤(5.1)的过程，处理器得到σ>δ时的激振频率；处理器记录下该激振频率和附加动应力，分别为振动时效的激振频率f和激振频率f确定的时刻作用在工件上的附加动应力σf。
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