CN108801822B - 一种预载荷高频振动疲劳试验装置 - Google Patents

一种预载荷高频振动疲劳试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种预载荷高频振动疲劳试验装置，包括试样和夹具，其中：所述试样为条状，其包括位于中间的试验段，位于试验段两端的挟持段，两个挟持段的端部各连接有一个螺柱；所述夹具包括一个夹具底座和两个夹块，夹具底座安装于电动振动台的连接盘上，并通过多个第二螺栓固定在连接盘上；夹具底座的两端各设置有一个卡槽，卡槽的开口宽度小于试样的挟持段的宽度；试样两端的螺柱分别卡入两个卡槽内，且在螺柱的端部安装有螺母，螺母的外径大于卡槽的开口宽度；两个夹块分别压在两个卡槽之上，并通过多个第一螺栓与夹具底座固定。本发明有效解决了基于振动台的高频疲劳试验系统中施加平均应力的问题。

Description

一种预载荷高频振动疲劳试验装置
技术领域
本发明涉及一种预载荷高频振动疲劳试验装置，属于材料与结构疲劳试验领域。
背景技术
随着现代工业对燃气涡轮发动机安全性、可靠性及经济性要求的不断提高，故障来源、机制、预防及维护是科研工作者们长期以来需要不断深入研究的课题。高循环疲劳失效问题是目前现代燃气涡轮发动机结构完整性中的突出问题。燃气涡轮发动机工作过程中，高速旋转的风扇、压气机和涡轮叶片不仅承受着巨大的离心力载荷，同时还承受着气流强迫振动引起的高频振动载荷。气流激励导致叶片上的振动载荷频率甚至超过1000Hz，循环数达到107循环甚至以上，以至于外场确认安全的叶片亦有可能在一个飞行起落中发生高循环疲劳破坏。
由于高循环失效对结构表面状态非常敏感，而航空涡轮发动机在经历起飞、着陆或低空飞行过程中，常常会因为强大的气流压力吸入一些外物，随后进入发动机气流通道后与高速旋转的叶片发生碰撞形成外物冲击损伤而极易成为疲劳源，造成叶片过早发生高循环疲劳失效危及飞行安全。
预防叶片的高循环疲劳失效问题的有效途径之一是提高部件的抗疲劳能力，而材料疲劳性能提升及抗疲劳结构设计是提高部件的抗疲劳能力的主要方面，其中就需要大量的材料和结构的疲劳试验数据。而一方面，巨大的循环数让目前频率不超过350Hz的电磁或液压式疲劳试验机负担过重，往往试验耗时过长；另一方面振动台虽然能实现频率达到5000Hz，但往往是对称振动循环无法提供模拟离心力载荷的平均应力。
发明内容
本发明的目的是提供一种预载荷高频振动疲劳试验装置，以解决基于振动台的高频疲劳试验系统中施加平均应力的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种预载荷高频振动疲劳试验装置，包括试样和夹具，其中：
所述试样为条状，其包括位于中间的试验段，位于试验段两端的挟持段，两个挟持段的端部各连接有一个螺柱；
所述夹具包括一个夹具底座和两个夹块，夹具底座安装于电动振动台的连接盘上，并通过多个第二螺栓固定在连接盘上；夹具底座的两端各设置有一个卡槽，卡槽的开口宽度小于试样的挟持段的宽度；试样两端的螺柱分别卡入两个卡槽内，且在螺柱的端部安装有螺母，螺母的外径大于卡槽的开口宽度；两个夹块分别压在两个卡槽之上，并通过多个第一螺栓与夹具底座固定。
进一步的，所述试样为条板形，且为两端的挟持段的纵向截面较大，中间的试验段的纵向截面较小的哑铃状。
进一步的，所述试样的试验段上下表面分别与挟持段上下面表面采用一组第一圆弧面过渡连接。
进一步的，所述试样的试验段的两个侧面分别与挟持段两个侧面采用一组第二圆弧面过渡连接。
进一步的，所述试样两侧具有模拟叶片前后缘特征的带状楔形结构。
进一步的，所述第一螺栓为细牙内六角螺栓，第二螺栓为内六角螺栓，螺母为细牙外六角螺母。
进一步的，所述电动振动台是苏试DC-600-6电动振动试验系统，能够提供频率为5～5000Hz，额定正弦推力5.88KN，最大载荷200Kg。
有益效果：本发明有效解决了基于振动台的高频疲劳试验系统中施加平均应力的问题。采用螺纹连接施加预载荷以及采用压紧的方式固支具有部件少装配、简单的优点；采用两端固支的受迫振动试样更容易获得较高的共振频率所以更接近真实叶片承受的气流激励频率；采用两端大中间小的狗骨头形状的试样能够使最大振动应力发生在试样中间位置，不仅利于测点排布和测试元件的安装而且避免了挟持力等对关键点应力状态的影响。
附图说明
图1为本发明预载荷高频振动疲劳试验装置的结构示意图；
图2为夹具底座的结构示意图；
图3为夹块的结构示意图；
图4为实施例中试样I的结构示意图；
图5为实施例中试样II的结构示意图；
图6为实施例中试样III的结构示意图；
图7为拉伸载荷下试样应力分布有限元分析结果示意图；
图8为拉伸预载荷下试样一阶振型有限元分析结果示意图；
图9为拉伸预载荷下试样前六阶共振频率直方图；
图10为一阶频率的简谐激励下试样振型响应有限元分析结果示意图；
图11为一阶频率的简谐激励下试样弯曲应力分布有限元分析结果示意图；
图12a-12d为前四阶模态归一化轴向应力分布；其中，图12a为一阶模态归一化轴向应力分布，图12b为二阶模态归一化轴向应力分布，图12c为三阶模态归一化轴向应力分布，图12d为四阶模态归一化轴向应力分布；
图中符号说明如下：
1-连接盘，2-夹具底座，3-夹块，4-螺母，5-第一螺栓，6-试样，7-第二螺栓，8-卡槽，9-螺柱；
A-试验段，B-挟持段，C1-第一圆弧面，C2-第二圆弧面，D-带状楔形结构。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做更进一步的解释。
实施例
本实施例为四点弯曲疲劳试验夹具。
如图1-6所示，本发明的一种预载荷高频振动疲劳试验装置，包括试样6和夹具，试样6为条状，其包括位于中间的试验段A，位于试验段A两端的挟持段B，两个挟持段B的端部各连接有一个螺柱9；夹具包括一个夹具底座2和两个夹块3，夹具底座2安装于电动振动台的连接盘1上，并通过多个第二螺栓7固定在连接盘1上；夹具底座2的两端各设置有一个卡槽8，卡槽8的开口宽度小于试样6的挟持段B的宽度；试样6两端的螺柱9分别卡入两个卡槽8内，且在螺柱9的端部安装有螺母4，螺母4的外径大于卡槽8的开口宽度；两个夹块3分别压在两个卡槽8之上，并通过多个第一螺栓5与夹具底座2固定。
装配时，通过第二螺栓7将夹具底座2固定在连接盘1上，然后将试样6放入夹具底座的卡槽8内，然后通过两个夹块3压住试样6，防止通过旋转螺母4时，试样6发生转动，利用螺母4与螺柱9的螺纹连接使试样6产生给定的平均应力，最后通过旋紧第一螺栓5使两个夹块3压紧试样，实现试样在预拉伸载荷下的两端固支约束。工作时由试样6两端挟持段的摩擦力和螺纹预紧力共同分担试样振动中所产生的轴向拉伸载荷。优选的，第一螺栓5为细牙内六角螺栓，第二螺栓7为内六角螺栓，螺母4为细牙外六角螺母，通过细牙螺纹和双螺纹连接来保证高频振动过程中的挟持松动。
试样6为条板形，且为两端的挟持段B的纵向截面较大，中间的试验段A的纵向截面较小的哑铃状。本发明中，试样6有多种形状，一种简单试样见图4，试验段A上下表面分别与挟持段B上下面表面采用一组第一圆弧面C1过渡连接，以下称试样I；另一种试样见图5，不仅试验段A上下表面分别与挟持段B上下面表面采用一组第一圆弧面C1过渡连接，而且试验段A的两个侧面分别与挟持段B两个侧面采用一组第二圆弧面C2过渡连接，以下称试样II；再一种试样为结构特征模拟试样，见图6，试验段A上下表面分别与挟持段B上下面表面采用一组第一圆弧面C1过渡连接，试验段A的两个侧面分别与挟持段B两个侧面采用一组第二圆弧面C2过渡连接，试样两侧还具有模拟叶片前后缘特征的带状楔形结构D，楔形结构D的前缘半径和楔角取值于真实叶片的前后缘设计值，以下称试样III。
本实施例中，电动振动台是苏试DC-600-6电动振动试验系统，能够提供频率为5～5000Hz，额定正弦推力5.88KN，最大载荷200Kg。
本实施例中，试样采用如图5所示的高频振动疲劳试样II，其主要尺寸为170×24×16mm3，试验段最小截面为15×1.6mm，挟持段长度为25mm，试样两端螺柱公称直径为12mm，长度为40mm，其材料为TC4钛合金。对试样II进行有限元分析，确定其预拉伸载荷下的应力分布及模态。图7为拉伸载荷下试样应力分布有限元分析结果示意图，试样总长发生0.1mm伸长时，其试验段应力为174.8Mpa且呈均匀分布。图8为拉伸预载荷下试样一阶归一化振型有限元分析结果示意图，一阶振型下试样的最大变形位置发生在试样试验段中间位置。图9为拉伸预载荷下试样前六阶共振频率直方图，试样一阶固有频率为3832.2Hz，二阶固有频率为6866.1Hz，三阶固有频率为9114.7Hz，四阶固有频率为9701.3。图10为一阶频率的简谐激励下试样振型响应有限元分析结果示意图，激振力加速度为500m/s2，试样最大变形为1.0029mm。图11为一阶频率的简谐激励下试样弯曲应力分布有限元分析结果示意图，在激励力加速度500m/s2下试样最大应力为590.41MPa。图12a-12d为前四阶模态归一化轴向应力分布。
本实施例中，试样还可以采用如图4和图6所示的试样I和试样III。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种预载荷高频振动疲劳试验装置，其特征在于：包括试样(6)和夹具，其中：
所述试样(6)为条状，其包括位于中间的试验段(A)，位于试验段(A)两端的挟持段(B)，两个挟持段(B)的端部各连接有一个螺柱(9)；
所述夹具包括一个夹具底座(2)和两个夹块(3)，夹具底座(2)安装于电动振动台的连接盘(1)上，并通过多个第二螺栓(7)固定在连接盘(1)上；夹具底座(2)的两端各设置有一个卡槽(8)，卡槽(8)的开口宽度小于试样(6)的挟持段(B)的宽度；试样(6)两端的螺柱(9)分别卡入两个卡槽(8)内，且在螺柱(9)的端部安装有螺母(4)，螺母(4)的外径大于卡槽(8)的开口宽度；两个夹块(3)分别压在两个卡槽(8)之上，并通过多个第一螺栓(5)与夹具底座(2)固定；
所述试样(6)为条板形，且为两端的挟持段(B)的纵向截面较大，中间的试验段(A)的纵向截面较小的哑铃状；
所述试样(6)的试验段(A)上下表面分别与挟持段(B)上下面表面采用一组第一圆弧面(C1)过渡连接；
所述试样(6)的试验段(A)的两个侧面分别与挟持段(B)两个侧面采用一组第二圆弧面(C2)过渡连接；
所述试样(6)两侧具有模拟叶片前后缘特征的带状楔形结构(D)。
2.根据权利要求1所述的预载荷高频振动疲劳试验装置，其特征在于：所述第一螺栓(5)为细牙内六角螺栓，第二螺栓(7)为内六角螺栓，螺母(4)为细牙外六角螺母。
3.根据权利要求1所述的预载荷高频振动疲劳试验装置，其特征在于：所述电动振动台是苏试DC-600-6电动振动试验系统，能够提供频率为5～5000Hz，额定正弦推力5.88KN，最大载荷200Kg。
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109883820B (zh) * 2019-03-12 2024-03-19 吉林大学 用于高温高频复杂载荷加载测试的试样夹持装置
CN109870375B (zh) * 2019-03-14 2022-06-24 华东理工大学 一种低温高频疲劳试验系统
WO2020208891A1 (ja) * 2019-04-12 2020-10-15 株式会社Ihi 静翼の振動試験用治具
CN110160863B (zh) * 2019-05-24 2021-12-03 西北工业大学 一种可施加预拉力的复合材料层合板冲击测试专用夹具
FR3096596B1 (fr) * 2019-05-28 2021-05-07 Safran Aircraft Engines Éprouvette d’essai ayant une géométrie représentative d’un bord de fuite d’aube de turbomachine
CN110936191B (zh) * 2019-12-10 2021-01-26 南京航空航天大学 一种车铣加工机床用叶片加工振动控制装置及方法
CN112710448B (zh) * 2021-01-22 2023-02-28 中国人民解放军空军工程大学 一种可施加联合应力载荷的谐振疲劳试验方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201945429U (zh) * 2011-01-14 2011-08-24 长沙理工大学 用于风力机叶片的振动特性分析装置
CN102279137A (zh) * 2011-06-30 2011-12-14 西安交通大学 切向微动试验装置及其试验方法
CN103076246A (zh) * 2013-01-06 2013-05-01 北京航空航天大学 一种双轴高低循环复合疲劳试验装置
CN104019950A (zh) * 2014-05-20 2014-09-03 北京航空航天大学 一种测试飞机油箱振动疲劳性能的试验系统
CN104251798A (zh) * 2013-06-26 2014-12-31 宝山钢铁股份有限公司 高强度螺栓延迟断裂试验方法及装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201945429U (zh) * 2011-01-14 2011-08-24 长沙理工大学 用于风力机叶片的振动特性分析装置
CN102279137A (zh) * 2011-06-30 2011-12-14 西安交通大学 切向微动试验装置及其试验方法
CN103076246A (zh) * 2013-01-06 2013-05-01 北京航空航天大学 一种双轴高低循环复合疲劳试验装置
CN104251798A (zh) * 2013-06-26 2014-12-31 宝山钢铁股份有限公司 高强度螺栓延迟断裂试验方法及装置
CN104019950A (zh) * 2014-05-20 2014-09-03 北京航空航天大学 一种测试飞机油箱振动疲劳性能的试验系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《Specimen design for fatigue testing at very high frequencies》;T. E. Matikas;《Journal of Sound and Vibration》;20011130;第247卷(第4期);第675页图1，第676页第2段-第677页第4段，特别是公式(17) *

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