CN106769561A - 一种温度载荷作用下空心传动轴力学参数无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种温度载荷作用下空心传动轴力学参数无损检测方法。通过经验公式分别建立弹性模量和剪切模量与几何尺寸、弯曲频率和剪切频率之间的对应关系，多次拾取空心传动轴在激振状态下的振动信号，进而获取第一阶弯曲共振频率和第一阶剪切共振频率，作为空心传动轴在弯曲和剪切状态下的共振频率，与待检测空心传动轴的几何尺寸以及材料密度作为经验公式的输入，最后得到空心传动轴的力学参数。本发明简化了空心传动轴力学参数传统检测方法的步骤，实现了无损检测，克服了经典脉冲激振检测力学参数标准方法需要制备矩形截面样件的缺点，适合于空心传动轴温度载荷变化的实际运行条件。

Description

一种温度载荷作用下空心传动轴力学参数无损检测方法

技术领域

本发明属于机械结构无损检测技术领域，涉及一种在温度载荷作用下空心传动轴力学参数无损检测方法。

背景技术

目前，随着国家制造业的飞速发展，社会对机械装备的需求日益扩大。作为机械装备关键核心部件空心传动轴，其损伤问题导致的安全事故时有发生。因此，事先对其进行仿真模拟来预测传动轴的运行稳定性和寿命变得越来越重要。弹性模量E和剪切模量G是进行模拟仿真过程中关键的力学参数。就机械装备而言，由于工作条件恶劣，致使空心传动轴承受的温度载荷会时常变化，进而引起空心传动轴力学参数发生变化，从而导致仿真模拟结果的准确性降低。若能及时准确识别空心传动轴在不同温度载荷下的力学参数(E和G)，必将能够为仿真预测提供必需的技术支持，优化仿真预测结果，提高机械装备整体运行安全性和可靠性，避免恶性事故。

脉冲激振法(Impulse Excitation Technique)是一种号称无损检测方法，通过试样固有频率、尺寸和质量来获取材料杨氏模量、剪切模量、泊松比的一种方法。脉冲激振法是指通过合适的外力给定试样某一特定位置一个连续的脉冲激振信号，当激振信号中的某一频率与试样的固有频率相一致时，产生共振，此时振幅最大，延时最长，通过测量传感器接收该振动信号，然后通过数据的分析处理获得试样的固有频率，该固有频率依据试样的振动方式不同而获得不同类型的频率，如弯曲频率、扭曲频率等，然后由标准试样的经验公式计算得出其杨氏模量E、剪切模量G、泊松比及阻尼比等，是目前世界上公认的先进的非接触测定各种材料弹性模量的一种理想检测方法。

近几年来，脉冲激振技术对机械结构力学参数的识别技术已经引起了业内研究者的广泛关注，业内已经对混凝土、陶瓷、玻璃等不同材料的力学参数初步的研究分析。该方法可准确地识别出空心传动轴的力学参数，并在实验室研究中取得了较好的效果。然而，之前的研究仅仅局限于简单的标准试样(矩形截面标准试样)，针对空心传动轴在不同温度载荷下的力学参数的快速识别，目前由于缺乏适用的方法而未见报道。

发明内容

为了克服以上的技术不足，本发明提供一种在温度载荷作用下空心传动轴力学参数无损检测方法。

本发明提供一种温度载荷作用下空心传动轴力学参数无损检测方法，其步骤如下：

1)对处于弯曲振动时的模拟空心传动轴进行模态频率分析，获得模拟数据，并对获得的模拟数据进行处理拟合，获得弯曲振动下的弹性模量E及校正系数T_f，

其中，l为空心传动轴的长度，f_f为第一阶弯曲共振频率，D为空心传动轴的外径尺寸，d为空心传动轴的内径尺寸，ρ为空心传动轴的密度，T_f为弯曲振型校正系数，μ为泊松比；

2)对处于剪切振动时的模拟空心传动轴进行模态频率分析，获得模拟数据，并对获得的模拟数据进行处理拟合，获得剪切振动下的空心传动轴的动态剪切模量G，G＝4ρl²f_t ²，f_t为第一阶剪切共振频率；

3)在空心传动轴处于不同的温度载荷时，通过

M_T＝M₀[f_T/f₀]²[1/(1+αΔT)]

获得不同温度载荷下空心传动轴的力学参数，其中M_T为温度载荷为T时空心传动轴的力学参数，M₀为温度载荷为室温时空心传动轴的力学参数，f_T为温度载荷为T时的共振频率，f₀为温度载荷为室温时的共振频率，α为空心传动轴的热膨胀系数，ΔT＝T-T₀；

4)将被测的空心传动轴利用弹性金属绳悬挂于空中，其支撑位置为距离两端面均为0.224L处，使该被测的空心传动轴处于弯曲振动，利用激振锤对空心传动轴左端进行激振，在右端通过加速度传感器将空心传动轴的振动信号，并通过快速傅里叶变换获得第一阶弯曲共振频率f_f；

5)将被测的空心传动轴利用弹性金属绳悬挂于空中，其支撑位置为长度和宽度方向的中线处，使该被测的空心传动轴处于剪切振动，利用激振锤对空心传动轴左端进行激振，在右端通过加速度传感器将空心传动轴的振动信号，并通过快速傅里叶变换获得第一阶剪切共振频率f_t；

6)将4)、5)中获得的第一阶弯曲共振频率f_f以及第一阶剪切共振频率f_t利用1)、2)、3)中获得的关系式获得弹性模量、剪切模量以及在温度载荷下的力学参数。

所述力学参数为弹性模量或剪切模量。

所述共振频率为第一阶弯曲共振频率和第一阶剪切共振频率频率。

本发明的有益效果：本发明克服了经典脉冲激振检测弹性模量和剪切模量标准方法需要制备矩形截面样件的缺点，避免了检测过程中对结构本身的损伤影响，适合于空心传动轴温度载荷变化的实际运行条件；通过对空心传动轴第一阶弯曲共振频率和第一阶剪切共振频率的研究识别，高效、简单、准确地得到空心传动轴的弹性模量和剪切模量。另外，该方法在分辨率，量程和可靠性上超过其它原理的测试方法，是无损测定材料力学参数的一种理想检测方法。

附图说明

图1为空心传动轴的截面简图。

图2为结构支撑位置简图，其中(1)为弯曲振型的结构支撑位置简图，(2)为剪切振型的结构支撑位置简图。

图3为空心传动轴力学参数检测方法流程。

图4为空心传动轴弯曲模态的振动响应图和频谱图，其中(1)为振动响应图，(2)为频谱图。

图5空心传动轴剪切模态的振动响应图和频谱图，其中(1)为振动响应图，(2)为频谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作进一步说明：

如图所示，本发明采用技术方案包括先通过有限元分析和数据处理软件拟合得到空心传动轴脉冲激振检测弹性模量和剪切模量的经验公式，分别建立空心传动轴弹性模量和剪切模量与几何尺寸、弯曲频率以及剪切频率之间的对应关系，利用接触式加速度传感器分别测量空心传动轴在受到弯曲和剪切激振时的振动信号，通过对原始振动信号快速傅里叶变换处理，得到空心传动轴第一阶弯曲共振频率和第一阶剪切共振频率，多次测量然后取平均，最终获得空心传动轴在弯曲和剪切状态下的固有频率，与空心传动轴的几何尺寸以及材料密度作为经验公式的输入，最后计算得到空心传动轴的力学参数动态弹性模量E和动态剪切模量G的值。包括以下步骤：

1、空心传动轴脉冲激振检测在不同温度载荷下的弹性模量和剪切模量的经验公式。

图1所示的为空心传动轴的截面简图。图2所示为空心传动轴支撑位置图，弯曲振动时支撑位置为距离两端面均为0.224L处，对于剪切振动时，支撑位置为长度和宽度方向的中线处(0.5L和0.5D)。通过有限元分析计算和Design-expert对仿真数据进行处理得到空心传动轴弹性模量和剪切模量的经验计算公式，建立空心传动轴弹性模量和剪切模量与几何尺寸和弯曲频率的关系。具体实施流程：

(1)弹性模量的计算

当空心传动轴处于弯曲振动时，综合考虑空心传动轴转动半径与力学参数的关系，利用有限元仿真软件ANSYS，采用实体单元“Solid186”，四阶梯机床主轴材料参数为泊松比μ＝0.3，材料密度ρ＝7860kg/m³，约束位置如图2所示处，进行模态频率计算，经过大量的仿真实验得到足够多的仿真数据，然后利用软件Design-expert对仿真数据进行处理拟合，得到弯曲振动下的弹性模量E校正系数T_f的经验公式(1)和(2)。另外，已经在实验室中进行大量的实验，证明弹性模量和校正系数的计算结果精度可以满足工程实际应用中对结果精度的要求。

动态弹性模量E可以由如下的公式计算得到：

式中，l为空心传动轴的长度，f_f为第一阶弯曲共振频率，D为空心传动轴的外径尺寸，d为空心传动轴的内径尺寸，ρ为空心传动轴的密度，T_f为弯曲振型校正系数，μ为泊松比。

(2)剪切模量的计算

当空心传动轴处于剪切振动时，与获得弹性模量经验公式相类似的方法，可以得到空心传动轴动态剪切模量G(3)，通过大量的仿真实验我们可以得知，在剪切振动状态时的剪切校正系数为1，因此剪切模量为：

式中，f_t为第一阶剪切共振频率。

(3)当空心传动轴处于不同的温度载荷时，综合考虑温度变化量和由温度变化引起的材料膨胀，在计算有温度载荷下空心传动轴力学参数时我们引入了线膨胀系数α和温度变化量ΔT这两个参数变量。空心传动轴在不同温度载荷下的力学参数由下式获得

M_T＝M ₀[f_T/f₀]²[1/(1+αΔT)] (4)

式中，M_T为温度载荷为T时空心传动轴的力学参数(弹性模量或剪切模量)，M₀为温度载荷为室温时空心传动轴的力学参数(弹性模量或剪切模量)，f_T为温度载荷为T时的共振频率(第一阶弯曲共振频率和第一阶剪切共振频率频率)，f₀为温度载荷为室温时的共振频率(第一阶弯曲共振频率和第一阶剪切共振频率频率)，α为空心传动轴的热膨胀系数，ΔT＝T-T₀。

2、空心传动轴弹性模量无损检测方法。

图3所示为检测方法流程。空心传动轴力学参数无损检测方法操作流程：

首先，将被测的空心传动轴结构按图2所示的支撑方式利用弹性金属绳悬挂于空中使其处于自由振动的状态。利用激振锤对空心传动轴左端进行激振，在右端通过加速度传感器将空心传动轴的振动信号(图4(1)和图5(1))实时地传送到数据采集分析仪中。

其次，对采集到的激振响应信号进行快速傅里叶变换，得到振动信号在频域的频谱图，分别提取脉冲激振算法所需的第一阶弯曲共振频率f_f和第一阶剪切共振频率f_t(如图4(2)和图5(2))。

最后将第一阶弯曲共振频率f_f和第一阶剪切共振频率f_t与待检测空心传动轴的几何尺寸以及密度，代入计算弹性模量、剪切模量以及在温度载荷下力学参数经验公式。计算我们所要的传动轴力学参数值。

实施例不应视为对本发明的限制，任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种温度载荷作用下空心传动轴力学参数无损检测方法，其特征在于：其步骤如下：

1)对处于弯曲振动时的模拟空心传动轴进行模态频率分析，获得模拟数据，并对获得的模拟数据进行处理拟合，获得弯曲振动下的弹性模量E及校正系数T_f，

$T_f=1+19.755(1+0.052\mathrm{\μ}+0.8109{\mathrm{\μ}}^2)\left(\frac{D^2+d^2}{l^2}\right)-7.8125{\left(\frac{D^2+d^2}{l^2}\right)}^2-\frac{75.0625(1+0.2023\mathrm{\μ}+2.173{\mathrm{\μ}}^2){\left(\frac{D^2+d^2}{l^2}\right)}^2}{1+19.015(1+0.1408\mathrm{\μ}+1.536{\mathrm{\μ}}^2)\left(\frac{D^2+d^2}{l^2}\right)}$

其中，l为空心传动轴的长度，f_f为第一阶弯曲共振频率，D为空心传动轴的外径尺寸，d为空心传动轴的内径尺寸，ρ为空心传动轴的密度，T_f为弯曲振型校正系数，μ为泊松比；

2)对处于剪切振动时的模拟空心传动轴进行模态频率分析，获得模拟数据，并对获得的模拟数据进行处理拟合，获得剪切振动下的空心传动轴的动态剪切模量G，G＝4ρl²f_t ²，f_t为第一阶剪切共振频率；

3)在空心传动轴处于不同的温度载荷时，通过

M_T＝M₀[f_T/f₀]²[1/(1+αΔT)]

获得不同温度载荷下空心传动轴的力学参数，其中M_T为温度载荷为T时空心传动轴的力学参数，M₀为温度载荷为室温时空心传动轴的力学参数，f_T为温度载荷为T时的共振频率，f₀为温度载荷为室温时的共振频率，α为空心传动轴的热膨胀系数，ΔT＝T-T₀；

4)将被测的空心传动轴利用弹性金属绳悬挂于空中，其支撑位置为距离两端面均为0.224L处，使该被测的空心传动轴处于弯曲振动，利用激振锤对空心传动轴左端进行激振，在右端通过加速度传感器将空心传动轴的振动信号，并通过快速傅里叶变换获得第一阶弯曲共振频率f_f；

5)将被测的空心传动轴利用弹性金属绳悬挂于空中，其支撑位置为长度和宽度方向的中线处，使该被测的空心传动轴处于剪切振动，利用激振锤对空心传动轴左端进行激振，在右端通过加速度传感器将空心传动轴的振动信号，并通过快速傅里叶变换获得第一阶剪切共振频率f_t；

6)将4)、5)中获得的第一阶弯曲共振频率f_f以及第一阶剪切共振频率f_t利用1)、2)、3)中获得的关系式获得弹性模量、剪切模量以及在温度载荷下的力学参数。

2.根据权利要求1所述的一种温度载荷作用下空心传动轴力学参数无损检测方法，其特征在于，所述力学参数为弹性模量或剪切模量。

3.根据权利要求1所述的一种温度载荷作用下空心传动轴力学参数无损检测方法，其特征在于，所述共振频率为第一阶弯曲共振频率和第一阶剪切共振频率频率。