CN108827804B - 一种谐振式疲劳试验机动态载荷误差在线补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种谐振式疲劳试验机动态载荷误差在线补偿方法，包括以下步骤：1)建立紧凑拉伸试件(CT)连接刚度模型及三自由度有阻尼振动力学模型，分析影响动态载荷误差的相关因素；2)确定影响动态载荷误差的关键因素；3)在带有预制裂纹的CT试件的裂纹尖端附近粘贴电阻应变片，并制成试件‑应变片传感器；4)用标准力传感器对试件‑应变片传感器进行静态标定；5)开启疲劳试验机，对4)中静态标定好的试件‑应变片传感器进行动态标定；6)根据静态载荷和在线测量的裂纹长度对步骤5)动态标定数据进行双线性插值得到动态载荷测量误差，据此对动态载荷测量值进行误差补偿。本发明有效地提高了疲劳试验机动态载荷在线测量的精度。

Description

一种谐振式疲劳试验机动态载荷误差在线补偿方法

技术领域

本发明涉及误差补偿领域，特别涉及到一种谐振式疲劳试验机动态载荷误差在线补偿方法。

背景技术

疲劳破坏是机械零部件失效的主要形式，由于目前尚不能完全通过有效的理论方法来研究疲劳断裂性能，因此采用特定的材料进行疲劳裂纹扩展试验，来探索零部件疲劳裂纹扩展规律，对提高机械产品的可靠性和使用寿命有着十分重要的意义。由于疲劳试验机性能的好坏直接影响着疲劳裂纹扩展试验结果可靠性和准确性，所以进行疲劳裂纹扩展试验时动态载荷误差是一个很重要的技术指标。目前，对于疲劳试验机动载载荷的校验，一般采用静态标定方法，在静态情况下进行校验，传感器能够获得较高的精度，但是在动态测试过程中，由于上夹具和法兰盘的质量会产生惯性力，试件与销轴及销轴与夹具之间的接触刚度的影响，测力传感器的测量值与试件所受的真实力值不相等，造成较大的测量误差。

为了提高疲劳试验机动态载荷校准准确度，相关学者基于疲劳试验机的力学模型分析得出了动态载荷误差的理论表达式，进行动载载荷误差补偿。但是所建立的模型忽略了接触刚度和阻尼的影响。由接触力学理论可知，接触刚度随着载荷的增大而增大，在载荷较小时接触刚度增长较快，在载荷较大时增长速度趋于平缓，而接触刚度的大小会影响动态误差计算的准确性。在疲劳试验系统共振的时候，系统的振幅会随着阻尼增加而明显减小，阻尼对振幅的抑制作用非常明显。基于该动力学模型得出的动态载荷误差表达式具有很大的误差，导致动态载荷误差补偿效果较差。

发明内容

为了解决现有的疲劳疲劳试验机静态标定方法和动态载荷误差理论标定式补偿方法对动态载荷补偿效果差的问题，本发明提供了一种误差补偿效果良好，有效提高疲劳试验机动态载荷测量精度的谐振式疲劳试验机动载载荷误差补偿方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种谐振式疲劳试验机动态载荷误差在线补偿方法，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CT试件连接模型及三自由度有阻尼振动力学模型，并求解其动力学方程，得到振动系统各质量的位移表达式，根据试件和测力传感器上真实的受力值分析，得到疲劳试验机上动态载荷误差的理论表达式，进一步分析影响动态载荷误差的相关因素；

2)根据谐振式疲劳试验机在进行疲劳裂纹扩展试验过程中实际工作情况，确定影响动态载荷误差的关键因素；

3)采用线切割技术制作一系列不同裂纹长度的CT试件，在试件裂纹尖端附近粘贴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，上端固定在试验机，下端与标准力传感器进行连接，施加静载，使用标准力传感器对试件-应变片传感器进行静态标定，然后更换不同裂纹长度的试件-应变片传感器重复步骤4)分别进行静态标定；

5)将步骤4)中静态标定好的试件-应变片传感器分别装夹在疲劳试验机上，开启疲劳试验机起振后，提取不同静态载荷下试件-应变片传感器与测力传感器的振幅的幅值，计算得到误差，并记录对应的试件-应变传感器的裂纹长度，对试件-应变片传感器进行动态标定；

6)标定结束后，将试件装夹在疲劳试验机上，开启疲劳试验机进行疲劳试验，根据所设定静态载荷和在线测量的裂纹扩展长度对步骤5)动态标定数据进行双线性插值得到动态载荷测量误差，据此对动态载荷测量值进行误差补偿，得到补偿后的动态载荷。

进一步，所述步骤2)中，根据动载载荷误差的理论表达式可知，影响动态载荷误差的的因素包括试件刚度、CT试件连接刚度、测力传感器刚度及上夹具法兰质量；在疲劳裂纹扩展试验中，测力传感器的刚度及上夹具法兰盘的质量不会发生变化，而CT试件连接刚度是随载荷的变化而变化，试件刚度会随着裂纹不断扩展而发生变化，故确定CT试件连接刚度和试件的裂纹长度为影响动态载荷误差的关键因素。

再进一步，所述步骤3)中，所述的试件为国际标准的CT紧凑拉伸试件，在试件裂纹尖端3～4mm处正反面贴上电阻应变片组成全桥电路。

更进一步，所述步骤4)中，试件-应变片传感器的静态标定方法步骤如下：

(4.1)将试件-应变片传感器与标准测力传感器安装在疲劳试验机上；

(4.2)对带有预制裂纹长度的试件-应变片传感器施加静态载荷，从标准力传感器上读出准确的数值，再读出试件-应变片传感器所对应的电压值，建立试件-应变片传感器电压与力值的对应关系，并将数据进行保存；

(4.3)通过线性插值算法分段计算标定曲线的斜率和截距，将数据进行存储，即完成试件-应变片传感器的静态标定过程；

(4.4)更换不同带有预制裂纹长度的试件-应变片传感器，重复步骤(4.1)至(4.3)，完成试件-应变片传感器的静态标定。

再进一步，所述步骤5)中，试件-应变片传感器的动态标定方法步骤如下：

(5.1)将静态标定好的试件-应变片传感器安装在疲劳试验机上；

(5.2)开启疲劳试验机起振后，提取不同静态载荷下试件-应变片传感器与测力传感器的振幅的幅值，计算得到误差，并记录对应的试件-应变传感器的裂纹长度，得到动态误差随静态载荷变化的标定曲线；

(5.3)更换不同裂纹长度的试件-应变片传感器，重复步骤(5.1)至(5.2)完成试件-应变传感器的动态标定。

所述步骤6)中，经过标定试件-应变片传感器输出的电压信号转换为载荷信号，试件-应变片传感器的输出载荷值为试件所受的真实载荷值，测力传感器输出的载荷值为动态载荷测量值，两者为振幅、相位不同且频率相同的正弦信号。

所述步骤6)中，运用基于Labview平台的应用软件提取测力传感器和试件-应变片传感器的振幅。

本发明的有益效果主要表现在：建立了CT试件连接刚度模型和三自由度有阻尼振动力学模型，确定了较为精确的动载载荷误差的理论表达式，充分分析了各个因素对动态载荷误差的影响，根据实际工况，确定了试件裂纹产长度和CT试件连接刚度为影响动态载荷误差的主要因素，根据所设定静态载荷和在线测量的裂纹扩展长度对动态标定数据进行双线性插值得到动态载荷测量误差，据此对动态载荷测量值进行在线误差补偿，得到补偿后的动态载荷，有效的提高了谐振式疲劳试验机动态载荷的测量精度。

附图说明

图1是一种谐振式疲劳试验机动态载荷误差在线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动态载荷误差在线补偿方法中的谐振式疲劳试验机结构图，其中1表示上夹具，2表示CT试件，3表示电磁衔铁，4表示主振弹簧，5表示平衡铁，6表示移动横梁，7表示导向立柱，8表示框式机架，9表示力传感器，10表示下夹具，11表示工作台，12表示电磁铁线圈，13表示激振弹簧，14表示直流电机及传动机构，15表示滚珠丝杠，16表示减震弹簧。

图3是一种谐振式疲劳试验机动态载荷误差在线补偿方法中的CT试件连接刚度模型图。

图4是一种谐振式疲劳试验机动态载荷误差在线补偿方法中的三自由度有阻尼振动力学模型图。

图5是一种谐振式疲劳试验机动态载荷误差在线补偿方法中的试件上电阻应变片的粘贴位置图。

图6是一种谐振式疲劳试验机动态载荷误差在线补偿方法中试件传感器安装示意图，其中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7是一种谐振式疲劳试验机动态载荷误差在线补偿方法中不同裂纹长度下动态误差随载荷变化的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合图对本发明作进一步描述。

参照图1～图7，一种谐振式疲劳试验机动态载荷误差在线补偿方法，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CT试件连接模型及三自由度有阻尼振动力学模型，并求解其动力学方程，得到振动系统各质量的位移表达式，根据试件和测力传感器上真实的受力值分析，得到疲劳试验机上动态载荷误差的理论表达式，进一步分析影响动态载荷误差的相关因素；

2)根据谐振式疲劳试验机在进行疲劳裂纹扩展试验过程中实际工作情况，确定影响动态载荷误差的关键因素；

3)采用线切割技术制作一系列不同裂纹长度的CT试件，在试件裂纹尖端附近粘贴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，上端固定在试验机，下端与标准力传感器进行连接，施加静载，使用标准力传感器对试件-应变片传感器进行静态标定，然后更换不同裂纹长度的试件-应变片传感器重复步骤4)分别进行静态标定；

5)将步骤4)中静态标定好的试件-应变片传感器分别装夹在疲劳试验机上，开启疲劳试验，机起振后，提取不同静态载荷下试件-应变片传感器与测力传感器的振幅的幅值，计算得到误差，并记录对应的试件-应变传感器的裂纹长度，对试件-应变片传感器进行动态标定；

6)标定结束后，将试件装夹在疲劳试验机上，开启疲劳试验机进行疲劳试验，根据所设定静态载荷和在线测量的裂纹扩展长度对步骤5)动态标定数据进行双线性插值得到动态载荷测量误差，据此对动态载荷测量值进行误差补偿，得到补偿后的动态载荷。

进一步，所述步骤2)中，根据动载载荷误差的理论表达式可知，影响动态载荷误差的的因素包括试件刚度、CT试件连接刚度、测力传感器刚度及上夹具法兰质量；在疲劳裂纹扩展试验中，测力传感器的刚度及上夹具法兰盘的质量不会发生变化，而CT试件连接刚度是随载荷的变化而变化，试件刚度会随着裂纹不断扩展而发生变化，故确定CT试件连接刚度和试件的裂纹长度为影响动态载荷误差的关键因素。

再进一步，所述步骤3)中，所述的试件为国际标准的CT紧凑拉伸试件，在试件裂纹尖端3～4mm处正反面贴上电阻应变片组成全桥电路。

更进一步，所述步骤4)中，试件-应变片传感器的静态标定方法步骤如下：

(4.1)将试件-应变片传感器与标准测力传感器安装在疲劳试验机上；

(4.2)对带有预制裂纹长度的试件-应变片传感器施加静态载荷，从标准力传感器上读出准确的数值，再读出试件-应变片传感器所对应的电压值，建立试件-应变片传感器电压与力值的对应关系，并将数据进行保存；

(4.3)通过线性插值算法分段计算标定曲线的斜率和截距，将数据进行存储，即完成试件-应变片传感器的静态标定过程；

(4.4)更换不同带有预制裂纹长度的试件-应变片传感器，重复步骤(4.1)至(4.3)，完成试件-应变片传感器的静态标定。

再进一步，所述步骤5)中，试件-应变片传感器的动态标定方法步骤如下：

(5.1)将静态标定好的试件-应变片传感器安装在疲劳试验机上；

(5.2)开启疲劳试验机起振后，提取不同静态载荷下试件-应变片传感器与测力传感器的振幅的幅值，计算得到误差，并记录对应的试件-应变传感器的裂纹长度，得到动态误差随静态载荷变化的标定曲线；

(5.3)更换不同裂纹长度的试件-应变片传感器，重复步骤(5.1)至(5.2)完成试件-应变传感器的动态标定。

所述步骤6)中，经过标定试件-应变片传感器输出的电压信号转换为载荷信号，试件-应变片传感器的输出载荷值为试件所受的真实载荷值，测力传感器输出的载荷值为动态载荷测量值，两者为振幅、相位不同且频率相同的正弦信号。

所述步骤6)中，运用基于Labview平台的应用软件提取测力传感器和试件-应变片传感器的振幅。

以电磁谐振式疲劳试验机PLG-100进行说明，谐振式疲劳试验机的动态载荷误差补偿方法，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的结构进行了分析。伺服电机、涡轮蜗杆传动机构m₆和移动横梁m₄通过导向立柱与框架式机架m₅相连，机架通过四个减震弹簧k₅与大地相连。平衡铁和电磁铁线圈通过激振弹簧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通过力传感器k₁与机架相连，试件k_s通过销钉分别与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m₂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m₃包括平衡铁和电磁铁线圈。试件通过销轴与夹具连接，安装在工作台上的夹具将载荷传递到试件上，根据系统子结构综合法，建立试件夹具连接模型，结果参阅图3，图中C_c1为销轴与试件之间的法向阻尼,c_c2为销轴与夹具之间的法向接触阻尼，c_f为夹具的结构阻尼，由于材料的结构阻尼及无摩擦时试件和夹具、试件和销轴的法向接触阻尼均很小，对连接刚度的计算影响微乎其微，以及为了更好载荷的传输，夹具设计的刚度远远大于试件的刚度，因此夹具可以看作成刚体，则试件夹具组合刚度k₂为：

定义CT试件连接刚度k_ct为：

试件夹具组合刚度k2进一步表示为：

通过研究疲劳试验机振动系统各机型部分的连接以及相互作用，建立系统动力学模型，由于机座的质量要远远大于系统的主振质量m₂和激振质量m₃，而减震弹簧的刚度又远远小于系统其他刚度，因此系统可以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。根据多自由度振动力学理论，选取向下为正，得到系统动力学方程为：

其中F_e＝F₀sin(ωt),F₀为电磁激振力振幅,ω为电磁激振力频率。

根据振动系统动力学方程，选取状态量x₁＝x₁,x₂＝x₂,x₃＝x₃,

以激振力作为系统输入u，试验载荷作为输出量y,得到试验试验载荷状态方程如下：

其中

将已知的参数代入状态方程，使用MATLAB求解，得到位移质量表达式。

在试验过程中，试件上所受的真实力值为：

测力传感器的示值为：

F_传＝k₁x₁

疲劳试验机处于动载工作状态时，由于上夹具及法兰盘质量块m₁惯性力的存在，试件所受到的力与疲劳试验机传感器的示值不相等，疲劳试验机测力传感器与试件之间的动态误差表达式为：

将状态方程求出的解代入动态误差表达式中，可知，该动态载荷误差δ与测力传感器刚度k₁、试件刚度k_s、CT试件连接刚度k_ct、激振弹簧刚度k₃、主振弹簧刚度k₄、上夹具与法兰盘质量m₁、激振质量m₃有关及激振频率ω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、上夹具与法兰的质量、主振质量及激振质量是几乎不发生变化，随着试件裂纹长度的扩展，试件刚度也会发生变化，随着载荷的变化CT试件的连接刚度也会发生变化，从而导致激振频率发生变化，故可以确定试件裂纹长度及CT试件的连接刚度为影响动态载荷误差的关键因素。

3)采用线切割技术制作一系列不同裂纹长度的CT试件，通过的裂纹长度的不同使它们的刚度不同，用来模拟试件产生不同长度时刚度的情况。在试件裂纹尖端贴上电阻应变片(参照图5)，并连接成全桥，将其制成试件-应变片传感器。

4)取一裂纹长度已知的试件-应变片传感器，按照图6所示，将试件-应变片传感器上端固定在试验机，下端与标准力传感器进行连接，施加静载，使用标准力传感器对试件-应变片传感器进行静态标定，标定步骤具体如下：

(4.1)将试件-应变片传感器与标准测力传感器安装在疲劳试验机上；

(4.2)对带有预制裂纹长度的试件-应变片传感器施加静态载荷，从标准力传感器上读出准确的数值，再读出试件-应变片传感器所对应的电压值，建立试件-应变片传感器电压与力值的对应关系，并将数据进行保存；

(4.3)通过线性插值算法分段计算标定曲线的斜率和截距，将数据进行存储，即完成试件-应变片传感器的静态标定过程；

(4.4)更换不同带有预制裂纹长度的试件-应变片传感器，重复步骤(4.1)至(4.3)，完成试件-应变片传感器的静态标定。

5)将步骤4)中静态标定好的试件应变片传感器进行动态标定，标定步骤具体如下：

(5.1)将静态标定好的试件-应变片传感器安装在疲劳试验机上；

(5.2)开启疲劳试验机起振后，提取不同静态载荷下试件-应变片传感器与测力传感器的振幅的幅值，计算得到误差，并记录对应的试件-应变传感器的裂纹长度，得到动态误差随静态载荷变化的标定曲线，参照图7；

(5.3)更换不同裂纹长度的试件-应变片传感器，重复步骤(5.1)至(5.2)完成试件-应变传感器的动态标定。

6)根据动态标定曲线与系统实时采集的裂纹长度进行动态误差在线补偿实验。具体步骤如下：

(6.1)将试件按要求安装到疲劳试验机上，开始进行疲劳裂纹扩展试验。

(6.2)显示载荷的测量值及其波形。

(6.3)根据疲劳裂纹在线检测系统得知试件实时裂纹长度，并根据裂纹长度和动态标定数据进行双线性插值得到动态载荷误差值。

(6.4)将得到的动态载荷误差补偿到动态载荷的测量值上，即可得到补偿后的动态载荷值。

最后说明的是，以上实施例仅仅是对于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 (5)

1.一种谐振式疲劳试验机动态载荷误差在线补偿方法，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CT试件连接模型及三自由度有阻尼振动力学模型，并求解其动力学方程，得到振动系统各质量的位移表达式，根据试件和测力传感器上真实的受力值分析，得到疲劳试验机上动态载荷误差的理论表达式，进一步分析影响动态载荷误差的相关因素；

2)根据谐振式疲劳试验机在进行疲劳裂纹扩展试验过程中实际工作情况，确定影响动态载荷误差的关键因素；

3)采用线切割技术制作一系列不同裂纹长度的CT试件，在试件裂纹尖端附近粘贴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，上端固定在试验机，下端与标准力传感器进行连接，施加静载，使用标准力传感器对试件-应变片传感器进行静态标定，然后更换不同裂纹长度的试件-应变片传感器重复步骤4)分别进行静态标定；

5)将步骤4)中静态标定好的试件-应变片传感器分别装夹在疲劳试验机上，开启疲劳试验机起振后，提取不同静态载荷下试件-应变片传感器与测力传感器的振幅的幅值，计算得到误差，并记录对应的试件-应变传感器的裂纹长度，对试件-应变片传感器进行动态标定；

6)标定结束后，将试件装夹在疲劳试验机上，开启疲劳试验机进行疲劳试验，根据所设定静态载荷和在线测量的裂纹扩展长度对步骤5)动态标定数据进行双线性插值得到动态载荷测量误差，据此对动态载荷测量值进行误差补偿，得到补偿后的动态载荷；

所述步骤2)中，根据动载载荷误差的理论表达式可知，影响动态载荷误差的因素包括试件刚度、CT试件连接刚度、测力传感器刚度及上夹具法兰质量；在疲劳裂纹扩展试验中，测力传感器的刚度及上夹具法兰盘的质量不会发生变化，而CT试件连接刚度是随载荷的变化而变化，试件刚度会随着裂纹不断扩展而发生变化，故确定CT试件连接刚度和试件的裂纹长度为影响动态载荷误差的关键因素；

所述的步骤5)中，试件-应变片传感器的动态标定方法步骤如下：

(5.1)将静态标定好的试件-应变片传感器安装在疲劳试验机上；

(5.2)开启疲劳试验机起振后，提取不同静态载荷下试件-应变片传感器与测力传感器的振幅的幅值，计算得到误差，并记录对应的试件-应变传感器的裂纹长度，得到动态误差随静态载荷变化的标定曲线；

(5.3)更换不同裂纹长度的试件-应变片传感器，重复步骤(5.1)至(5.2)完成试件-应变传感器的动态标定。

2.如权利要求1所述的一种谐振式疲劳试验机动态载荷误差在线补偿方法，其特征在于：所述的步骤3)中，所述的试件为国际标准的CT紧凑拉伸试件，在试件裂纹尖端3～4mm处正反面贴上电阻应变片组成全桥电路。

3.如权利要求1所述的一种谐振式疲劳试验机动态载荷误差在线补偿方法，其特征在于：所述的步骤4)中，试件-应变片传感器的静态标定方法步骤如下：

(4.1)将试件-应变片传感器与标准测力传感器安装在疲劳试验机上；

(4.2)对带有预制裂纹长度的试件-应变片传感器施加静态载荷，从标准力传感器上读出准确的数值，再读出试件-应变片传感器所对应的电压值，建立试件-应变片传感器电压与力值的对应关系，并将数据进行保存；

(4.3)通过线性插值算法分段计算标定曲线的斜率和截距，将数据进行存储，即完成试件-应变片传感器的静态标定过程；

(4.4)更换不同带有预制裂纹长度的试件-应变片传感器，重复步骤(4.1)至(4.3)，完成试件-应变片传感器的静态标定。

4.如权利要求1所述的一种谐振式疲劳试验机动态载荷误差在线补偿方法，其特征在于：所述步骤6)中，经过标定试件-应变片传感器输出的电压信号转换为载荷信号，试件-应变片传感器的输出载荷值为试件所受的真实载荷值，测力传感器输出的载荷值为动态载荷测量值，两者为振幅、相位不同且频率相同的正弦信号。

5.如权利要求1所述的一种谐振式疲劳试验机动态载荷误差在线补偿方法，其特征在于：所述步骤6)中，运用基于Labview平台的应用软件提取测力传感器和试件-应变片传感器的振幅。

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