CN108760545B - 一种谐振式疲劳试验机平均载荷加载误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种谐振式疲劳试验机平均载荷加载法误差补偿方法，包括以下步骤：1)建立谐振式疲劳试验机振动力学模型、CT试件夹具连接模型以及静态载荷加载系统模型，分析影响平均载荷加载误差的相关因素；2)确定影响平均载荷加载误差的关键因素；3)将带有预制裂纹的CT试件尖端设定位置粘贴应变片制成试件应变片传感器；4)取不同裂纹长度已知的试件应变片传感器安装在疲劳试验机上，施加静载用标准测力传感器分别对其进行静态标定；5)将贴有电阻应变片的试件安装在疲劳试验机上，系统起振后，得到试件实际所受平均载荷，进而得到误差；6)用计算得到的误差值对相应的平均载荷测量值进行补偿。本发明有效地提高了疲劳试验机平均载荷的测量精度。

Description

一种谐振式疲劳试验机平均载荷加载误差补偿方法

技术领域

本发明涉及误差补偿领域，具体的讲是一种谐振式疲劳试验机平均载荷加载误差补偿方法。

背景技术

对于电磁谐振式疲劳试验机，要保证试验结果的可靠性，需要精确控制施加到试件的交变载荷参数(包括平均载荷和振幅)。目前对于电磁谐振式疲劳试验机的振幅控制研究较多，但对平均载荷的研究却几乎没有。在进行高频疲劳试验时，将平均载荷采用静态加载的形式施加在试件上，但系统起振以后，由于接触刚度的作用使所施加平均载荷并不等于所施加的静态载荷，造成作用在试件上试验载荷的误差。

为了提高疲劳试验机平均载荷加载准确度，基于疲劳试验机力学模型进行分析，得出平均载荷加载误差理论表达式，通过它进行误差的补偿。但是所建立模型忽略了很多因素，这会造成基于力学模型得出的平均载荷加载误差理论表达式存在很大误差，补偿效果不理想。

发明内容

为了克服已有疲劳试验机静态标定方法和平均载荷加载误差理论表达式补偿方法效果差的不足，本发明提供了一种补偿效果良好，可以有效提高疲劳试验机平均载荷加载精度的补偿方法。

本发明解决相关技术问题所采用的技术方案是：

一种谐振式疲劳试验机平均载荷加载误差补偿方法，包括以下步骤：

1)对谐振式疲劳试验机振动系统进行结构分析，建立三自由度有阻尼振动力学模型、试件夹具连接模型以及静态载荷加载系统力学模型，求解其运动微分方程，由此得到系统各参振质量块的位移表达式，通过分析得到平均载荷加载误差的理论表达式，进一步分析得到影响平均载荷加载误差的相关因素；

2)根据谐振式疲劳试验机的实际工作情况，确定影响平均载荷加载误差的主要因素；

3)加工不同裂纹长度的一系列CT试件，在设定位置贴好电阻应变片制成试件应变片传感器；

4)取一裂纹长度已知的试件应变片传感器，上端与试验机夹具连接，下端与标准测力传感器连接，施加静载，用标准测力传感器对其进行静态标定，然后更换不同裂纹长度的试件应变片传感器分别进行标定；

5)标定结束，拆下标准测力传感器，将贴有电阻应变片的试件安装在疲劳试验机上，系统起振后，将采集到的电压读取相应的静态标定文件，经过线性插值得到试件实际所受平均载荷，测力传感器测得平均载荷，两者之差即为平均载荷加载误差，并记录对应裂纹长度；

6)计算平均载荷加载误差，得到误差与裂纹长度关系曲线；

7)将计算得到的平均载荷加载误差值补偿到对应的平均载荷测量值上，得到补偿后的平均载荷。

进一步，所述步骤2)中，由平均载荷加载误差的理论表达式可知，影响平均载荷加载误差的因素包括试件刚度、测力传感器刚度、销轴与试件及销轴与夹具之间的接触刚度，而试件刚度会随裂纹不断扩展发生变化，接触刚度会随载荷不断变化而发生改变，故确定试件刚度及接触刚度为主要因素。

再进一步，所述步骤3)中，所述CT试件为紧凑拉伸标准试件，在其裂纹尖端3mm处采用正反两面贴片方式粘贴，并连接成全桥电路。

更进一步，所述步骤4)中，试件应变片传感器的标定方法步骤如下：

(4.1)将试件应变片传感器装夹在疲劳试验机上，保证试件对中并在试验过程中保持位置不变；

(4.2)确定量程，分别对试件应变片传感器施加相应静态载荷，从标准测力传感器读取力值，之后读取试件应变片传感器电压示值，建立起传感器电压与力值一一对应关系，并存储相关数据；

(4.3)通过分段线性插值算法计算标定曲线的斜率和截距，并将数据进行存储，即完成了对试件应变片传感器的静态标定过程；

(4.4)更换不同裂纹长度试件应变片传感器，重复步骤(4.2)至(4.3)，完成标定过程。

所述步骤5)中，标定后传感器输出的电压信号已转换为载荷信号，计算试件应变片传感器输出的平均载荷值以及测力传感器测得的平均载荷值。

所述步骤5)中，运用基于Labview的平台软件实现线性插值获得传感器平均载荷幅值。

本发明的有益效果主要表现在：建立系统三自由度有阻尼振动力学模型、试件夹具连接模型以及静态载荷加载系统力学模型，确定较为精确的平均载荷加载误差理论表达式，充分分析了各个因素对误差的影响，根据实际工作情况，确定了影响平均载荷加载误差的主要因素，通过计算不同裂纹长度试件应变片传感器与测力传感器之间实际平均载荷误差，来补偿谐振式疲劳试验机平均载荷加载误差，有效地提高了疲劳试验机平均载荷加载的准确度。

附图说明

图1是一种谐振式疲劳试验机平均载荷加载误差补偿方法的基本流程示意图。

图2是一种谐振式疲劳试验机平均载荷加载误差补偿方法中电磁谐振式疲劳试验机结构图，其中，1表示测力传感器，2表示上夹具，3表示工作台，4表示电磁线圈，5表示激振弹簧，6表示直流电机及传动机构，7表示滚珠丝杠，8表示减震弹簧，9表示试件，10表示下夹具，11表示电磁衔铁，12表示主振弹簧，13表示平衡铁，14表示移动横梁，15表示导向立柱，16表示框架式机架。

图3是一种谐振式疲劳试验机平均载荷加载误差补偿方法中试件夹具连接模型图。

图4是一种谐振式疲劳试验机平均载荷加载误差补偿方法中三自由度有阻尼振动力学模型。

图5是一种谐振式疲劳试验机平均载荷加载误差补偿方法中静态载荷加载系统力学模型。

图6是一种谐振式疲劳试验机平均载荷加载误差补偿方法中试件上粘贴应变片位置图。

图7是一种谐振式疲劳试验机平均载荷加载误差补偿方法中试件应变片传感器安装方式图。17表示机架，18表示测力传感器，19表示上夹具和法兰，20表示试件应变片传感器，21表示标准测力传感器，22表示下夹具和法兰。

图8是一种谐振式疲劳试验机平均载荷加载误差补偿方法中试件应变片传感器裂纹长度与平均载荷加载误差的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图8，一种谐振式疲劳试验机平均载荷加载误差加载误差补偿方法，包括以下步骤：

1)对谐振式疲劳试验机振动系统进行结构分析，建立三自由度有阻尼振动力学模型、试件夹具连接模型以及静态载荷加载系统力学模型，求解其运动微分方程，由此得到系统各参振质量块的位移表达式，通过分析得到平均载荷加载误差的理论表达式，进一步分析得到影响平均载荷加载误差的相关因素；

2)根据谐振式疲劳试验机的实际工作情况，确定影响平均载荷加载误差的主要因素；

3)加工不同裂纹长度的一系列CT试件，在设定位置贴好电阻应变片制成试件应变片传感器；

4)取一裂纹长度已知的试件应变片传感器，上端与试验机夹具连接，下端与标准测力传感器连接，施加静载，用标准测力传感器对其进行静态标定，然后更换不同裂纹长度的试件应变片传感器分别进行标定；

5)标定结束，拆下标准测力传感器，将贴有电阻应变片的试件安装在疲劳试验机上，系统起振后，将采集到的电压读取相应的静态标定文件，经过线性插值得到试件实际所受平均载荷，测力传感器测得平均载荷，两者之差即为平均载荷加载误差，并记录对应裂纹长度；

6)计算平均载荷加载误差，得到误差与裂纹长度关系曲线；

7)将计算得到的平均载荷加载误差值补偿到对应的平均载荷测量值上，得到补偿后的较为准确的平均载荷。

进一步，所述步骤2)中，由平均载荷加载误差的理论表达式可知，影响平均载荷加载误差的因素包括试件刚度、测力传感器刚度、销轴与试件及销轴与夹具之间的接触刚度，而试件刚度会随裂纹不断扩展发生变化，接触刚度会随载荷不断变化而发生改变，故确定试件刚度及接触刚度为主要因素。

再进一步，所述步骤3)中，所述CT试件为紧凑拉伸标准试件，在其裂纹尖端3mm处采用正反两面贴片方式粘贴，并连接成全桥电路。

更进一步，所述步骤4)中，试件应变片传感器的标定方法步骤如下：

(4.1)将试件应变片传感器装夹在疲劳试验机上，保证试件对中并在试验过程中保持位置不变；

(4.2)确定量程，分别对试件应变片传感器施加相应静态载荷，从标准测力传感器读取力值，之后读取试件应变片传感器电压示值，建立起传感器电压与力值一一对应关系，并存储相关数据；

(4.3)通过分段线性插值算法计算标定曲线的斜率和截距，并将数据进行存储，即完成了对试件应变片传感器的静态标定过程；

(4.4)更换不同裂纹长度试件应变片传感器，重复步骤(4.2)至(4.3)，完成标定过程。

所述步骤5)中，标定后传感器输出的电压信号已转换为载荷信号，计算试件应变片传感器输出的平均载荷值以及测力传感器测得的平均载荷值。

所述步骤5)中，运用基于Labview的平台软件实现线性插值获得传感器平均载荷幅值。

以电磁谐振式疲劳试验机PLG-100为例进行说明，谐振式疲劳试验机的平均载荷加载误差补偿方法，包括以下步骤：

1)首先对图2所示的电磁谐振式疲劳试验机进行结构分析。伺服电机、涡轮蜗杆传动机构和移动横梁通过导向立柱与框架式机架相连，机架通过四个减震弹簧与大地相连。平衡铁和电磁线圈通过激振弹簧k₃与工作台相连，电磁衔铁、下夹具和工作台通过主振弹簧k₄与移动横梁相连。上夹具和法兰m₁通过测力传感器k₁与机架相连，试件k_s通过销轴分别上夹具和下夹具相连。主振质量m₂和激振质量m₃是影响主机谐振性能的关键性因素，其中主振质量包括电磁衔铁、工作台以及工作台上的法兰和下夹具的质量，激振质量包括平衡铁和电磁线圈。

通过分析研究系统各部分的连接和相互作用，考虑到试件和销轴、夹具和销轴之间为接触面连接，首先建立了试件夹具连接模型，结果参阅图3。其中夹具的刚度为k_f，试件刚度为k_s，试件与销轴的接触刚度为k_c1，夹具与销轴的接触刚度为k_c2，夹具的结构阻尼为c_f，试件与销轴的接触阻尼为c_c1，夹具与销轴的接触阻尼为c_c2。由于阻尼力对连接刚度影响很小，对其忽略不计，定义试件夹具组合刚度为k₂为：

由于上下夹具的刚度远大于试件刚度，所以可将上下夹具视为刚体，忽略其在疲劳试验中的变形，则可得试件夹具组合刚度为：

之后建立了系统振动力学模型，由于机座质量要远远大于系统的主振质量和激振质量，而减震弹簧的刚度又远远小于系统其它弹簧的刚度，因此系统最终可简化为三自由度有阻尼振动力学模型，结果参阅图4。图中c₁，c₂，c₃，c₄为系统阻尼系数。对于此模型选取向下为正方向，根据牛顿第二定律和三自由度质量——弹簧系统自由振动模型建立系统运动方程如下：

其中x₁,x₂,x₃为对应质点的位移，F_e＝F₀ sinωt，F₀为电磁激振力振幅，ω为电磁激振力频率。

令该振动系统的稳态解为

将式(4)中位移x₁,x₂,x₃及它们的一阶、二阶导数带入式(3)中，经化简整理得：

为使式(5)恒成立，则每一项sinωt和cosωt的系数都为零，同时由于

可以求得六个未知数A_1s,A_1c,A_2s,A_2c,A_3s,A_3c则上夹具与法兰的位移振幅A₁、主振质量位移振幅A₂以及激振质量位移振幅A₃可表示为：

上夹具与法兰的位移相位角

主振质量位移相位角

以及激振质量位移相位角

可表示为：

由于位移的稳态输出解中均没有考虑x₁、x₂、x₃的初始位移。而x₁、x₂、x₃的初始位移是通过静态载荷的加载产生，求其初始位移，则必须对静态载荷加载系统建立力学模型，结果参阅图5。其中，m₁为上夹具和法兰质量，m₂为包括电磁衔铁、工作台以及工作台上的法兰和下夹具的主振质量，m₄为移动横梁质量、k₁为传感器弹性体刚度、k₂为试件夹具组合刚度，k₄为主振弹簧刚度，F为静态加载力。根据静态载荷加载系统力学模型，取向下为正方向，列出静态时的方程，具体表达式如下：

解得x₁、x₂、x₄：

上述x₁、x₂为静态加载后的初始位移值，系统尚未开始振动，即为0时刻的位移，所以记为x₁(0)和x₂(0)，则

由于激振质量块是用激振弹簧悬挂在工作台上，所以系统在未开始振动时，激振质量会随着工作台的运动而下上移动，其位移与工作台的位移一致，故

由此可得实际位移，即位移的稳态输出解加上初始的静态加载位移整理可得

在试验过程中，试件的实际受力为:

F_s＝k₂(x₂(t)-x₁(t)) (13)

将式(12)代入得：

设F_a为在一个周期T内试件所受平均载荷，则

式中k₂(t)表示随时间变化的试件夹具组合刚度，k₂(0)为未振动时的试件夹具组合刚度，F为静态载荷。

平均载荷加载的绝对误差E为：

疲劳试验机上测力传感器测得的力值为：

由于传感器弹性体刚度k₁不变，所以测力传感器测得的平均载荷就等于所施加的静态载荷。

在进行高频疲劳试验时，首先将平均载荷采用静态加载的形式施加在试件上，但系统起振以后，由于接触刚度的作用，导致试件夹具组合刚度k₂的变化，使所施加平均载荷并不等于所施加的静态载荷，造成作用在试件上试验载荷的误差。平均载荷加载的相对误差δ为

分析式(18)中相关参数得到平均载荷加载误差与测力传感器刚度、试件刚度、激振弹簧刚度、主振弹簧刚度、上夹具与法兰质量、主振质量、激振质量以及激振频率有关。

2)在疲劳裂纹扩展试验中，测力传感器刚度、激振弹簧刚度、主振弹簧刚度、上夹具与法兰质量、主振质量及激振质量基本不发生改变，随着裂纹的不断扩展，试件刚度及接触刚度会随之发生变化，从而导致系统谐振频率发生变化，进而可以确定试件刚度以及试件和夹具与销轴之间的接触刚度为影响平均载荷加载误差的主要因素。

3)利用精密线切割技术加工不同预制裂纹长度的一系列CT试件，模拟试件产生不同裂纹长度时，刚度不同的情况。在试件裂纹尖端3mm出贴好电阻应变片制成试件应变片传感器(参阅图6)，并连成全桥电路；

4)取一裂纹长度已知的试件应变片传感器，按图7所示连接方式，将其上端与试验机夹具连接，下端与标准测力传感器连接，施加静载，用标准测力传感器对其进行静态标定，然后更换不同裂纹长度的试件应变片传感器分别进行标定，步骤如下：

(4.1)将试件应变片传感器装夹在疲劳试验机上，保证试件对中并在试验过程中保持位置不变；

(4.2)确定量程，分别对试件应变片传感器施加相应静态载荷，从标准测力传感器读取力值，之后读取试件应变片传感器电压示值，建立起传感器电压与力值一一对应关系，并存储相关数据；

(4.3)通过分段线性插值算法计算标定曲线的斜率和截距，并将数据进行存储，即完成了对试件应变片传感器的静态标定过程；

(4.4)更换不同裂纹长度试件应变片传感器，重复步骤(4.2)至(4.3)，完成标定过程。

5)标定结束后，进行平均载荷加载误差测量实验，步骤如下：

(5.1)拆下标准测力传感器，将贴有电阻应变片的试件安装在疲劳试验机上下夹具之间，将测力传感器与试件应变片传感器输出的两路信号接入计算机。

(5.2)由上位计算机控制数字载荷控制器使工作台运动从而使试件产生变形将试验载荷作用到试件上，引起电阻应变片阻值的变化及桥路输出电压的变化，将此信号通过NI应变测量模块进行转换后输入到计算机内通过标定曲线将此电压值转换为作用在试件上的载荷值，从而可求得作用在试件上的平均载荷。而疲劳试验机上测力传感器的测得的平均载荷则由原谐振式疲劳试验系统测量系统测量并显示，两者的平均载荷的差值即为平均载荷加载误差。

(5.3)记录裂纹长度与平均载荷误差。

(5.4)更换不同裂纹长度的试件应变片传感器，重复步骤(5.1)至(5.3)，记录不同裂纹长度试件应变片传感器对应的平均载荷加载误差值，由数据可绘制出裂纹长度与加载误差关系曲线，参阅图8。

6)根据裂纹长度与平均载荷加载误差关系曲线，进行误差补偿实验，步骤如下：

(6.1)将试件按实验要求安装在上下夹具之间，开始疲劳试验。

(6.2)显示平均载荷测量值。

(6.3)根据疲劳裂纹在线监测识别系统确定试件裂纹长度，根据裂纹长度与误差关系计算得到实时平均载荷加载误差值。

(6.4)将计算得到的误差值补偿到平均载荷测量值上，得到相应补偿后的平均载荷值。

最后说明的是，以上实施例仅仅是对本发明专利精神作举例说明。本发明专利所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法替代，但并不会偏离本发明专利的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种谐振式疲劳试验机平均载荷加载误差补偿方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)对谐振式疲劳试验机振动系统进行结构分析，建立三自由度有阻尼振动力学模型、试件夹具连接模型以及静态载荷加载系统力学模型，求解其运动微分方程，由此得到系统各参振质量块的位移表达式，通过分析得到平均载荷加载误差的理论表达式，进一步分析得到影响平均载荷加载误差的相关因素；

伺服电机、涡轮蜗杆传动机构和移动横梁通过导向立柱与框架式机架相连，机架通过四个减震弹簧与大地相连，平衡铁和电磁线圈通过激振弹簧与工作台相连，电磁衔铁、下夹具和工作台通过主振弹簧与移动横梁相连，上夹具和法兰通过测力传感器与机架相连，试件通过销轴分别上夹具和下夹具相连，主振质量和激振质量是影响主机谐振性能的关键性因素，其中主振质量包括电磁衔铁、工作台以及工作台上的法兰和下夹具的质量，激振质量包括平衡铁和电磁线圈；

考虑到试件和销轴、上下夹具和销轴之间为接触面连接，首先建立了试件夹具连接模型，其中夹具的刚度为k_f，试件刚度为k_s，夹具与销轴的接触刚度为k_c2，定义试件夹具组合刚度k₂为：

建立三自由度有阻尼振动力学模型为公式(3)：

其中，c₁，c₂，c₃，c₄为系统阻尼系数，k₁为传感器弹性体刚度、k₂为试件夹具组合刚度，k₃为激振弹簧刚度，k₄为主振弹簧刚度，x₁,x₂,x₃为对应质点的位移，F_e＝F₀sinωt，F₀为电磁激振力振幅，ω为电磁激振力频率；

建立静态载荷加载系统力学模型如下：

F为静态加载力；

求解得到：

表示上夹具与法兰的位移相位角、

表示主振质量位移相位角、

表示激振质量位移相位角、A₁表示上夹具与法兰的位移振幅、A₂表示主振质量位移振幅、A₃表示激振质量位移振幅；

平均载荷加载的绝对误差E为：

T表示周期，k₂(t)表示随时间变化的试件夹具组合刚度k₂(0)为未振动时的试件夹具组合刚度；

疲劳试验机上测力传感器测得的力值为：

由于传感器弹性体刚度k₁不变，所以测力传感器测得的平均载荷就等于所施加的静态载荷；

2)根据谐振式疲劳试验机的实际工作情况，确定影响平均载荷加载误差的主要因素；

3)加工不同裂纹长度的一系列CT试件，在设定位置贴好电阻应变片制成试件应变片传感器；

4)取一裂纹长度已知的试件应变片传感器，上端与试验机夹具连接，下端与标准测力传感器连接，施加静载，用标准测力传感器对其进行静态标定，然后更换不同裂纹长度的试件应变片传感器分别进行标定；

5)标定结束，拆下标准测力传感器，将贴有电阻应变片的试件安装在疲劳试验机上，系统起振后，将采集到的电压读取相应的静态标定文件，经过线性插值得到试件实际所受平均载荷，测力传感器测得平均载荷，两者之差即为平均载荷加载误差，并记录对应裂纹长度；

6)计算平均载荷加载误差，得到误差与裂纹长度关系曲线；

7)将计算得到的平均载荷加载误差值补偿到对应的平均载荷测量值上，得到补偿后的平均载荷。

2.如权利要求1所述的一种谐振式疲劳试验机平均载荷加载误差补偿方法，其特征在于：所述步骤2)中，由平均载荷加载误差的理论表达式可知，影响平均载荷加载误差的因素包括试件刚度、测力传感器刚度、销轴与试件及销轴与夹具之间的接触刚度，而试件刚度会随裂纹不断扩展发生变化，接触刚度会随载荷不断变化而发生改变，故确定试件刚度及接触刚度为主要因素。

3.如权利要求1或2所述的一种谐振式疲劳试验机平均载荷加载误差补偿方法，其特征在于：所述步骤3)中，所述CT试件为紧凑拉伸标准试件，在其裂纹尖端3mm处采用正反两面贴片方式粘贴，并连接成全桥电路。

4.如权利要求1或2所述的的一种谐振式疲劳试验机平均载荷加载误差补偿方法，其特征在于：所述步骤4)中，试件应变片传感器的标定方法步骤如下：

(4.1)将试件应变片传感器装夹在疲劳试验机上，保证试件对中并在试验过程中保持位置不变；

(4.2)确定量程，分别对试件应变片传感器施加相应静态载荷，从标准测力传感器读取力值，之后读取试件应变片传感器电压示值，建立起传感器电压与力值一一对应关系，并存储相关数据；

(4.3)通过分段线性插值算法计算标定曲线的斜率和截距，并将数据进行存储，即完成了对试件应变片传感器的静态标定过程；

(4.4)更换不同裂纹长度试件应变片传感器，重复步骤(4.2)至(4.3)，完成标定过程。

5.如权利要求1或2所述的一种谐振式疲劳试验机平均载荷加载误差补偿方法，其特征在于：所述步骤5)中，标定后传感器输出的电压信号已转换为载荷信号，计算试件应变片传感器输出的平均载荷值以及测力传感器测得的平均载荷值。

6.如权利要求1或2所述的一种谐振式疲劳试验机平均载荷加载误差补偿方法，其特征在于：所述步骤5)中，运用基于Labview平台的软件实现线性插值获得传感器平均载荷幅值。

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