CN109839254B - 一种基于反向共振的复合材料热振疲劳试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于反向共振的复合材料热振疲劳试验装置及方法，试验装置包括双悬臂梁振动测试系统、热环境模拟系统、电子采集系统和测量与控制系统；本发明采用偏心电机带动待测梁振动，相较于激振器体积小、耗能少,具有方便携带的特点,利用双悬臂振动梁反向共振带动待测梁振动,提高了测试效率,节省了能源,并且相较于现有的测试设备,拓宽了待测梁的振幅范围,本发明使用了多种精密仪器对待测材料疲劳特性从光学、声学、时域波形等多个方面进行了测量分析，具有极高的测试精度，且本发明能够模拟复合材料所处的热环境，能够测试复合材料在不同温度下的疲劳特性，本发明设备简单，部件多采取可拆卸式的设计，拆卸方便，便携性好，易操作。

Description

一种基于反向共振的复合材料热振疲劳试验装置及方法

技术领域

本发明属于复合材料结构疲劳测试技术领域，具体涉及一种基于反向共振的复合材料热振疲劳试验装置及方法。

背景技术

众所周知，热疲劳是指材料在温度变化的环境下，造成材料温度分布不均，由于膨胀程度的不同，导致不同部位的变形受到牵制，材料内部产生循环热应力或热应变，导致裂纹萌生和扩展，最终材料破坏的现象。随着各种领域的迅速发展，各种材料性能强化指标日益提高，热疲劳所导致的破坏现象日益增多。复合材料构件在使用过程中,往往会由于应力和环境因素(尤其是热环境)而产生损伤以至破坏，因此，对复合材料的热动态疲劳特征进行深入全面的研究具有重大的意义。

目前，试验室对试样进行加热的方式可分为两类：一类是非接触式，另一种是接触式。非接触式加热方法，例如感应加热、电磁加热和红外线加热等；接触式加热方式，例如燃烧加热和电阻电流加热。热疲劳试验传统操作方法是手动操作，把表面经过打磨抛光的试样放置到电阻炉中，加热保温相应的时间，然后取出置于水中进行冷却，冷却结束后取出吹干，观察表面及边缘是否出现裂纹。传统的热疲劳试验方法自动化程度低，安全系数低，工作效率不高，具有很大的局限性。

此外，人们根据已有的相关技术和设备，设计出了许多热疲劳试验机，但其加热系统或者冷却系统对于进行复合材料热动态疲劳研究都不够完备，存在一些缺陷。如专利CN102981527 A，CN 105424475 A，CN 108387457 A等都采用电阻加热法或高温炉加热法对试件进行加热，不可局部加热，能源利用率低，而专利CN 203965269 U、CN 206627393 U采用高频感应加热法进行加热，但其对于复合材料加热效果不好，而红外加热法是一种非接触式加热方法，具有温度控制容易、可快速加热物质、具有穿透力，能内外同时加热、不需热传介质传递，热效率好、可局部加热，节省能源等优点,因此采用红外线法加热将成为热疲劳试验装置未来的发展趋势。

传统的试验台冷却装置一般采用水冷或空冷。如专利CN 105758758 A，CN107917797 A，CN 207197971 U，均采用水冷作为冷却方式，水冷方式的冷却速度快，但不便于控制且容易使冷却对象表面氧化，且水冷会造成试样内部温度差更大，可能会导致热应力更大，使热疲劳试验的条件与实际有差异，故水冷不适于对复合材料热疲劳分析，而风冷采用空气作为媒介冷却，具有节能环保、节省空间、稳定可靠的特点，这在热疲劳试验领域有着广阔的前景，适合用于复合材料热动态疲劳试验。

常见的疲劳试验机包括液压伺服式、电磁式、机械式，但是都不适合对复合材料的热动态疲劳性能进行研究，如专利CN 106680120 A采用电液伺服式方法，其通过液压控制进行试验，使得其试验成本高昂，低频工作状态下功率消耗大，测试成本高。如专利CN104990820 A采用电磁式方法，其适用于高频工作状态，主要用于测试疲劳性能较好的黑色金属构件，但对于疲劳性能一般的试样效果较差。如专利CN 208239229 U采用机械式方法，其适用范围小，适用于对频率要求不高的疲劳试验，无法调控。综上所述，研究一种实用新型、精度高、操作简单、成本低且效率高的热动态疲劳试验机意义深远。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题,本发明提供一种基于反向共振的复合材料热振疲劳试验装置及方法，技术方案如下：

一种基于反向共振的复合材料热振疲劳试验装置，包括双悬臂梁振动测试系统、热环境模拟系统、电子采集系统和测量与控制系统；

所述双悬臂梁振动测试系统包括，两根悬臂振动梁、偏心电机和底板，底板顶部左侧固定装配有左侧固定板，底板顶部右侧滑动装配有右侧固定板，左侧固定板和右侧固定板平行设置，两根悬臂振动梁设置在左侧固定板与右侧固定板之间，左侧悬臂振动梁的左端与左侧固定板固定连接，右侧悬臂振动梁的右端与右侧固定板固定连接，左侧悬臂振动梁的右端和右侧悬臂振动梁的左端均悬空设置并分别装配有偏心电机，待测梁的两端分别与左侧悬臂振动梁的右端和右侧悬臂振动梁的左端固定连接，左侧悬臂振动梁、右侧悬臂振动梁和待测梁共线设置，两个偏心电机以待测梁为中心对称设置，且两个偏心电机之间有半个周期的相位差；

所述热环境模拟系统包括热防护罩、红外辐射加热管、排风与降温系统，所述热防护罩罩在待测梁外侧,所述红外辐射加热管有两个，分别设置于热防护罩内壁底部的两侧，用于提高待测梁所处环境的温度，所述排风与风冷系统包括气泵、喷嘴、二氧化碳储存器组成，喷嘴有四个，分别安装于热防护罩内壁顶部的四角，二氧化碳储存器用于储存干冰，与底板固定连接，气泵为吸气、喷气两用气泵，与底板固定连接，气泵和二氧化碳储存器通过三通阀分别与喷嘴连接，通过数控面板控制三通阀进行管路切换，当气泵工作模式为吸气时，其目的是防止在热环境中复合材料试件会发生材料化学反应产生恶臭气体，使其可在极短时间内将恶臭气体吸收并将其排出实验室，当气泵工作模式为喷气时，其目的是降低待测梁所处环境的温度，其与二氧化碳储存器相连，用于喷射二氧化碳灭火，防止因热环境下复合材料梁试件燃烧引发安全事故，确保实验安全，当需要进行温度调节时，其用于喷射压缩空气来降低待测梁所处温度。热防护罩由下部热防护罩、上前部热防护罩、上后部热防护罩三部分组成，各部分通过机械锁死装置锁死，用于隔绝热量，减少热量损失，热防护罩上设有三扇耐高温玻璃观察窗，分别位于热防护罩的前部、后部和下部，用于方便观察试验情况和测试振动情况；

所述电子采集系统包括位移传感器、温度传感器、试验记录仪和数据采集卡，所述位移传感器有三个，分别设置于左侧悬臂振动梁右端的下方、右侧悬臂振动梁左端的下方、待测梁的下方，用于测量悬臂振动梁和待测梁的振动形变量，激光位移传感器发射激光透过热环境模拟系统中防护罩下部的耐高温玻璃观察口来测试复合材料待测梁的振动，温度传感器位于热防护罩内部，用于测定待测梁所处环境的温度，试验记录仪设置于待测梁的后方，用于记录试验记录，数据采集卡分别与各位移传感器、温度传感器以及试验记录仪电连接，用于存储位移传感器和试验记录仪所采集的数据；

所述测量与控制系统包括数控面板,所述数控面板与底板固定连接,数控面板分别与红外辐射加热管、气泵、三通阀、数据采集卡和两个偏心电机电连接，数控面板内置有基于LabVIEW的测控软件,用于接收并记录试验记录仪的试验记录，整合数据采集卡中的数据以进行全面的分析。

所述电子采集系统还包括声音传感器或电子显微镜，声音传感器或电子显微镜设置在待测梁的下方，且与数据采集卡电连接；

位于左侧悬臂振动梁右端的下方和右侧悬臂振动梁左端的下方的位移传感器具体为电涡流位移传感器，位于待测梁下方的位移传感器具体为激光位移传感器。

所述底板顶部设置有第一导轨，所述第一导轨与悬臂振动梁平行设置，第一导轨上滑动装配有第一导轨滑块，右侧固定板固定装配在第一导轨滑块顶部，所述第一导轨滑块与第一导轨之间设置有机械锁死机构。

所述左侧悬臂振动梁的左端与左侧固定板之间、右侧悬臂振动梁的右端与右侧固定板之间均通过悬臂梁夹紧装置固定连接，所述悬臂梁夹紧装置包括下紧固支撑装置、上紧固装置和下紧固支撑垫块，所述下紧固支撑装置与左侧固定板或右侧固定板固定连接，上紧固装置通过螺栓与下紧固支撑装置连接，悬臂振动梁夹在上紧固装置与下紧固支撑装置之间，左侧悬臂振动梁与左侧固定板之间、右侧悬臂振动梁与右侧固定板之间均留有间隙，下紧固支撑垫块装配于所述间隙中，且所述下紧固支撑垫块的厚度小于悬臂振动梁的厚度。

所述悬臂振动梁的断裂韧性至少为

所述底板上还设置有第二导轨，所述第二导轨与悬臂振动梁平行设置，所述第二导轨上滑动装配有四个下导轨支架，四个下导轨支架的顶部从左至右分别设置电涡流位移传感器、激光位移传感器、电涡流位移传感器和声音传感器或电子显微镜。

所述左侧固定板和右侧固定板的顶部设置有上支撑梁，上支撑梁顶部装配有第三导轨，所述第三导轨与悬臂振动梁平行设置，第三导轨上滑动装配有上导轨支架，上导轨支架下端与热防护罩固定连接。

所述待测梁的两端分别与左侧悬臂振动梁、右侧悬臂振动梁可拆卸式连接,左侧悬臂振动梁的右端面和右侧悬臂振动梁的左端面均开设有连接孔,待测梁的两端分别插入两侧的连接孔中,左侧悬臂振动梁右侧顶部和右侧悬臂振动梁的左侧顶部均设置有锁紧螺钉,两个锁紧螺钉分别与左侧悬臂振动梁和右侧悬臂振动梁螺接,且两个锁紧螺钉的螺杆分别延伸至两侧的连接孔中与待测梁左右两侧顶部接触。

所述试验装置右侧设置有右拱门，右拱门与底板顶部固定连接，右拱门外侧固定装配有右防护罩，所述试验装置前侧设置有前防护罩，前防护罩与底板顶部固定连接，所述试验装置的顶部、后侧和左侧均设置有防护板；

所述底板下方设置有支撑装置，所述支撑装置包括支撑腿和支撑角铁，所述支撑腿由上至下设置有多组固定孔，底板通过其中一组固定孔与支撑腿螺栓连接，支撑角铁固定装配于支撑腿的底部。

一种基于反向共振的复合材料热振疲劳试验方法，采用前述的一种基于反向共振的复合材料热振疲劳试验装置，其特征在于，包括以下步骤:

步骤1、使用左侧固定板和右侧固定板的上的悬臂梁夹紧装置分别将两根悬臂振动梁夹紧，并将两个偏心电机分别装配在两个悬臂振动梁的悬空端；

步骤2、将待测复合材料制成大小合适的待测梁，并通过锁紧螺钉固定于两侧的悬臂振动梁之间，调整两侧偏心电机的位置，分别测量左侧偏心电机中心距离左侧悬臂振动梁右端的距离、右侧偏心电机中心距离右侧悬臂振动梁左端的距离、待测梁尺寸以及悬臂振动梁尺寸，给各系统通电，将上述测量的距离和尺寸输入至数控面板内置的测控软件中；

步骤3、将热防护罩通过导轨移动至能够覆盖全部待测梁的合适位置，用装在热防护罩上的机械锁死装置将上前部热防护罩、上后部热防护罩、下部热防护罩锁紧，检查装置是否锁紧，关闭右防护罩和前防护罩；

步骤4、在数控面板上设定测试温度，启动红外辐射加热管进行加热，到达设定温度后，启动两个偏心电机，激光位移传感器和电涡流位移传感器将两个悬臂振动梁和待测梁的振动数据传输至数控面板内置的测控软件中，形成悬臂振动梁和待测梁振动的时域波形图，通过观察两个悬臂振动梁的时域波形图，控制两个偏心电机振动频率与相位，使两悬臂振动梁分别达到共振，并且二者有半个周期的相位差，实现两个偏心电机反向共振；

步骤5、数控面板内置的测控软件自动判断疲劳破坏是否发生：

疲劳破坏发生时，时域波形图发生突变，系统根据变化幅度自动判断是否达到试验停止要求，当判断材料达到所需试验停止要求时，数控面板控制偏心电机停止振动，同时发出试验结束提示音，测控软件对试验数据进行处理和初步分析，评估材料疲劳特性，启动排风与降温系统，对待测梁所处环境降温及排风，确保实验的安全，若试验中待测梁发生燃烧，立刻开启排风与降温系统，选择喷射二氧化碳进行灭火；

步骤6，使用电子显微镜观察待测梁疲劳破坏情况，拍照记录，结合位移传感器、试验记录仪和声音传感器的测试数据，综合时域波形图、声学、光学对待测复合材料疲劳损伤情况进行分析。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的双悬臂振动梁式热振动态疲劳试验装置适用于多种复合材料的疲劳损伤测试，突出了动态载荷对复合材料疲劳损伤的影响，能够研究在热环境下的材料高周疲劳、低周疲劳等多种情况下的疲劳损伤特点和疲劳寿命。本发明采用偏心电机带动待测梁振动，相较于激振器，体积小、耗能少,具有方便携带的特点,本发明利用双悬臂振动梁反向共振带动待测梁振动,提高了测试效率,节省了能源,并且相较于现有的测试设备,拓宽了待测梁的振幅范围,本发明对偏心电机进行了精确控制,使用了多种精密仪器对待测材料疲劳特性从光学、声学、时域波形等多个方面进行了测量分析，具有极高的测试精度，本发明设备简单，部件多采取可拆卸式的设计，拆卸方便，便携性好，易操作，本发明能够模拟复合材料所处的热环境，能够测试复合材料在不同温度下的动态疲劳特性。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明双悬臂梁振动测试系统的立体结构示意图；

图3为本发明双悬臂梁振动测试系统的主视结构示意图；

图4为本发明的外观示意图；

图5为本发明悬臂振动梁与待测梁连接结构示意图；

图6为本发明悬臂梁夹紧装置的连接结构示意图；

图7为本发明下部热防护罩内部结构示意图；

图8为本发明双悬臂梁测试系统的主视结构示意图；

图9为本发明上前部热防护罩和上后部热防护罩内部结构示意图。

其中：左侧固定板1；悬臂振动梁2；偏心电机3；热防护罩4；上导轨支架5；激光位移传感器6；下紧固支撑装置7；上紧固装置8；右侧固定板9；右拱门10；声音传感器11；待测梁12；电涡流位移传感器13；下导轨支架14；第三导轨15；试验记录仪16；第一导轨17；前防护罩18；右防护罩19；第二导轨20；数控面板21；支撑腿22；支撑角铁23；底板24；下紧固支撑垫块25；第一导轨滑块26；上支撑梁27；连接孔28；锁紧螺钉29；防护板30；下部热防护罩31，气泵32，耐高温玻璃观察口33，温度传感器34，红外辐射加热管35，喷嘴36，上前部热防护罩37，上后部热防护罩38，二氧化碳储存器39。

具体实施方式

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

如图1至图9所示，本发明提供了一种基于反向共振的复合材料热振疲劳试验装置，包括双悬臂梁振动测试系统、热环境模拟系统、电子采集系统和测量与控制系统；

所述双悬臂梁振动测试系统包括，两根悬臂振动梁2、偏心电机3和底板24，底板24顶部左侧固定装配有左侧固定板1，底板24顶部右侧滑动装配有右侧固定板9，左侧固定板1和右侧固定板9之间的距离可调节，以便适应不同长度的悬臂振动梁2和待测梁12，左侧固定板1和右侧固定板9平行设置，两根悬臂振动梁2设置在左侧固定板1与右侧固定板9之间，左侧悬臂振动梁2的左端与左侧固定板1固定连接，右侧悬臂振动梁2的右端与右侧固定板9固定连接，左侧悬臂振动梁2的右端和右侧悬臂振动梁2的左端均悬空设置并分别装配有偏心电机3，待测梁12的两端分别与左侧悬臂振动梁2的右端和右侧悬臂振动梁2的左端固定连接，左侧悬臂振动梁2、右侧悬臂振动梁2和待测梁12共线设置，两个偏心电机3以待测梁12为中心对称设置，且两个偏心电机3之间有半个周期的相位差，提高试验效率，节省能源。

具体的，左侧的偏心电机3和右侧的偏心电机3分别带动左侧悬臂振动梁2和右侧悬臂振动梁2振动，使其分别达到共振效果，在施加精确的电信号的条件下(电信号源自数控面板21)，对偏心电机3的转速和相位准确调整，使两侧的悬臂振动梁2能够产生共振且二者之间有半个周期的相位差，偏心电机3通过角铁和螺栓安装在悬臂振动梁2的悬空端，可调节偏心电机3与悬臂振动梁2悬空端的距离。

所述热环境模拟系统包括热防护罩4、红外辐射加热管35和排风与降温系统，所述热防护罩4罩在待测梁12外侧,所述红外辐射加热管35有两个，分别设置于热防护罩4内壁底部的两侧，用于提高待测梁12所处环境的温度，所述排风与降温系统用于降低待测梁所处环境的温度、灭火和排出有害气体，包括气泵32、喷嘴36和二氧化碳储存器39，所述喷嘴36有四个，分别安装于热防护罩4内壁顶部的四角，二氧化碳储存器39与底板24固定连接，气泵32用于吸气和喷气，与底板24固定连接，气泵32和二氧化碳储存器39分别通过三通阀与喷嘴36连接，喷嘴36用于喷射压缩空气和干冰，热防护罩4由下部热防护罩31、上前部热防护罩37、上后部热防护罩38三部分组成，各部分通过机械锁死装置锁死，用于隔绝热量，减少热量损失，热防护罩4上设有三扇耐高温玻璃观察窗33，分别位于热防护罩的前部、后部和下部，用于方便观察试验情况和测试振动情况；

所述电子采集系统包括位移传感器、试验记录仪16、温度传感器34和数据采集卡，所述位移传感器有三个，分别设置于左侧悬臂振动梁2右端的下方、右侧悬臂振动梁2左端的下方、待测梁12的下方，用于测量悬臂振动梁2和待测梁12的振动形变量，试验记录仪16设置于待测梁12的后方，用于记录试验记录，温度传感器34设置于下部热防护罩31内，用于测量待测梁12所处环境的温度，数据采集卡分别与各位移传感器、温度传感器34以及试验记录仪16电连接，用于存储位移传感器、温度传感器34和试验记录仪16所采集的数据；

所述的试验记录仪16主要由一台摄像机及其分析处理系统构成，用于拍摄试验过程，并将拍摄的视频数据存储至数据采集卡中。

所述测量与控制系统包括数控面板21,所述数控面板21与底板24固定连接,数控面板21分别与红外辐射加热管35、气泵32、三通阀、数据采集卡和两个偏心电机3电连接，数控面板21内置有基于LabVIEW的测控软件,用于接收并记录试验记录仪16的试验记录，整合数据采集卡中的数据以进行全面的分析，并通过数控面板21和测控软件控制偏心电机3工作。

所述电子采集系统还包括声音传感器11或电子显微镜，声音传感器11或电子显微镜设置在待测梁12的下方，且声音传感器11与数据采集卡电连接；

位于左侧悬臂振动梁2右端的下方和右侧悬臂振动梁2左端的下方的位移传感器具体为电涡流位移传感器13，位于待测梁12下方的位移传感器具体为激光位移传感器6。

具体的，所述的电涡流位移传感器13是由传感器线圈、传感器探头以及振荡电路构成。由于电涡流可以穿透绝缘体，即使表面覆盖有绝缘体的金属材料，也可以作为电涡流传感器的被测物体，故其用于悬臂振动梁2振动的测量。

所述的激光位移传感器6是由激光器、激光检测器以及测量电路组成，激光位移传感器发射激光透过热环境模拟系统中防护罩下部的耐高温玻璃观察口33来测试复合材料待测梁12的振动。

所述底板24顶部设置有第一导轨17，所述第一导轨17与悬臂振动梁2平行设置，第一导轨17上滑动装配有第一导轨滑块26，右侧固定板9固定装配在第一导轨滑块26顶部，所述第一导轨滑块26与第一导轨17之间设置有机械锁死机构，用于导轨的机械锁死机构的结构和设置方法属于现有技术，在此不再详述。

所述左侧悬臂振动梁2的左端与左侧固定板1之间、右侧悬臂振动梁2的右端与右侧固定板9之间均通过悬臂梁夹紧装置固定连接，所述悬臂梁夹紧装置包括下紧固支撑装置7、上紧固装置8和下紧固支撑垫块25，所述下紧固支撑装置7与左侧固定板1或右侧固定板9固定连接，上紧固装置8通过螺栓与下紧固支撑装置7连接，悬臂振动梁2夹在上紧固装置8与下紧固支撑装置7之间，左侧悬臂振动梁2与左侧固定板1之间、右侧悬臂振动梁2与右侧固定板9之间均留有间隙，下紧固支撑垫块25装配于所述间隙中，且所述下紧固支撑垫块25的厚度小于悬臂振动梁2的厚度，在悬臂振动梁2与左侧或右侧的固定板之间设置下紧固支撑垫块25的目的在于，给予悬臂振动梁2一定的振动空间，便于悬臂振动梁2的振动。

所述悬臂振动梁2的断裂韧性至少为

在本实施例中,悬臂振动梁2可采用弹簧钢或多层金属粘接复合材料制成。

所述底板上还设置有第二导轨20，所述第二导轨20与悬臂振动梁2平行设置，所述第二导轨20上滑动装配有四个下导轨支架14，四个下导轨支架14的顶部从左至右分别设置电涡流位移传感器13、激光位移传感器6、电涡流位移传感器13和声音传感器11或电子显微镜。

所述的声音传感器11是由一个对声音敏感的电容式驻极体话筒和分析处理系统组成。

具体的，在本实施例中，还可以在待测梁12的下方加装电子显微镜，电子显微镜与数据采集卡电连接。可用电子显微镜来观测待测梁12疲劳破坏后的内部结构变化，来研究复合材料的疲劳破坏情况。

所述左侧固定板1和右侧固定板的顶部设置有上支撑梁，上支撑梁顶部装配有第三导轨，所述第三导轨与悬臂振动梁平行设置，第三导轨上滑动装配有上导轨支架5，上导轨支架5下端与热防护罩4固定连接。

所述待测梁12的两端分别与左侧悬臂振动梁2、右侧悬臂振动梁2可拆卸式连接,左侧悬臂振动梁2的右端面和右侧悬臂振动梁2的左端面均开设有连接孔28,待测梁12的两端分别插入两侧的连接孔28中,左侧悬臂振动梁2右侧顶部和右侧悬臂振动梁2的左侧顶部均设置有锁紧螺钉29,两个锁紧螺钉29分别与左侧悬臂振动梁2和右侧悬臂振动梁2螺接,且两个锁紧螺钉29的螺杆分别延伸至两侧的连接孔28中与待测梁12左右两侧顶部接触，通过锁紧螺钉29对待测梁12上表面的压力，实现待测梁12与悬臂振动梁2之间的固定。

所述试验装置右侧设置有右拱门10，右拱门10与底板24顶部固定连接，右拱门10外侧固定装配有右防护罩19，所述试验装置前侧设置有前防护罩18，前防护罩18与底板24顶部固定连接，所述试验装置的顶部、后侧和左侧均设置有防护板30；

所述底板24下方设置有支撑装置，所述支撑装置包括支撑腿22和支撑角铁23，所述支撑腿22由上至下设置有多组固定孔，底板24通过其中一组固定孔与支撑腿22螺栓连接，支撑角铁23固定装配于支撑腿22的底部。

具体的，在本实施例中，电涡流位移传感器13的型号为ML33-50MM-V，激光位移传感器6的型号为HG-C1050，电子显微镜的型号为X-603，声音传感器11的型号为ISD1820P，试验记录仪16的型号为3200_1080P，数据采集卡的型号为NI4431，数控面板21的主板的型号为研华P4级工业主板PCA-6006LV，温度传感器34的型号为PKTH100B，红外辐射加热管35为南京丹联科技有限公司生产的短波红外辐射器。

一种基于反向共振的复合材料动态疲劳试验方法，前述的一种基于反向共振的复合材料热振疲劳试验装置，其特征在于，包括以下步骤:

步骤1、使用左侧固定板1和右侧固定板9的上的悬臂梁夹紧装置分别将两根悬臂振动梁2夹紧，并将两个偏心电机3分别装配在两个悬臂振动梁2的悬空端；

步骤2、将待测复合材料制成大小合适的待测梁12，并通过锁紧螺钉29固定于两侧的悬臂振动梁2之间，调整两侧偏心电机3的位置，分别测量左侧偏心电机3中心距离左侧悬臂振动梁2右端的距离、右侧偏心电机3中心距离右侧悬臂振动梁2左端的距离、待测梁12尺寸以及悬臂振动梁2尺寸，给各系统通电，将上述测量的距离和尺寸输入至数控面板21内置的测控软件中；

步骤3、将热防护罩4通过第三导轨15移动至能够覆盖全部待测梁12的合适位置，用装在热防护罩4上的机械锁死装置将上前部热防护罩37、上后部热防护罩38、下部热防护罩31锁紧，检查装置是否锁紧，关闭右防护罩19和前防护罩18；

步骤4、在数控面板21上设定测试温度，启动红外辐射加热管35进行加热，到达设定温度后，启动两个偏心电机3，激光位移传感器6和电涡流位移传感器13将两个悬臂振动梁2和待测梁12的振动数据传输至数控面板21内置的测控软件中，形成悬臂振动梁2和待测梁12振动的时域波形图，通过观察两个悬臂振动梁2的时域波形图，控制两个偏心电机3振动频率与相位，使两悬臂振动梁2分别达到共振，并且二者有半个周期的相位差，实现两个偏心电机3反向共振；

步骤5、数控面板21内置的测控软件自动判断疲劳破坏是否发生：

疲劳破坏发生时，时域波形图发生突变，系统根据变化幅度自动判断是否达到试验停止要求，当判断材料达到所需试验停止要求时，数控面板21控制偏心电机3停止振动，同时发出试验结束提示音，测控软件对试验数据进行处理和初步分析，评估材料疲劳特性，启动排风与降温系统，对待测梁所处环境降温及排风，确保实验的安全，若试验中待测梁发生燃烧，立刻开启排风与降温系统，选择喷射二氧化碳进行灭火；

步骤6，使用电子显微镜观察待测梁12疲劳破坏情况，拍照记录，结合位移传感器、试验记录仪16和声音传感器11的测试数据，综合时域波形图、声学、光学对待测复合材料疲劳损伤情况进行分析。

具体的，基于LabVIEW的测控软件的运行原理如下：

测控软件包括前面板、模拟信号输出模块、数据采集与处理模块、扫频模块和频率跟踪控制模块；

前面板是人机交互的界面，用于设置初始数据和实时显示采集到的数据波形；测控软件的前面板主要包括，电机工作频率(motor operating frequency)、数据采集通道(physical channel)，实时波形显示(real-time waveform display)，测试温度(testtemperature)，功率谱显示(power spectrum)，采样率(sampling rate)。

模拟信号输出模块可以产生幅值和频率大小可调的信号，作为激励源推动偏心电机3工作。此模块主要由While Loop循环结构和DAQmx Clear Task.VI，AO Configure.VI,DAQmx Write.VI,sub Generate WDT.VI,DAQmx Stop Task.VI，DAQmx Start Task.VI组成。

数据采集与处理模块主要是实现被测信号的采集、处理、分析及显示。所用函数与模拟信号输出模块类似，不同的是加入了分析子函数。数据采集主要是运用Acquisition子模板采集数据。采集到数据后，进行数据处理。数据处理主要是对所采集到的信号进行加窗、滤波功能,加窗主要是为了减少频谱的泄露,而滤波主要是为了从信号中对期望值进行提取,主要是通过Filter.VI的带通滤波器，滤掉高频和低频的干扰信号。数据分析及显示过程通过将一个分支接Extract Single Tone Information.VI和Power Spectrum.VI,得到当前波形的实时频率、幅值和能量值，另一个分支送往控件Waveform Chart进行实时显示来实现。数据分析主要是对数据的时域分析以及频域分析。时域分析包含自相关分析、波峰检测等。频域分析包括幅值谱以及相位分析。

为了能够实现反向共振的工作原理，必须找到悬臂振动梁2的共振频率，原理上可以根据系统的结构参数计算得到理论共振频率，但是与实际共振频率还是有较大的误差，因此，设计自动扫频程序。具体设计思想为：根据理论共振频率设定扫频上限与扫频下限，将扫频上限减去扫频下限所得的差值分成十等分，共十一个频率分别作为模拟信号的频率，以此信号推动偏心电机3工作；同时数据采集卡得到对应十一个频率的反馈波形幅值，找到幅值最大的对应频率及前后两个频率，用前后两个频率作为下一轮扫频的上下限频率再次重复上一轮算法，直至前后频率差值小于等于预设值时结束循环，同时得到共振频率。

扫频结束后，两侧的悬臂振动梁2在共振频率发生谐振，进行复合材料疲劳试验。当待测梁12开裂时，系统共振频率下降，此时测控软件自动跟踪，找到新的共振频率。程序涉及思想为：当波形幅值满足一定条件时自动触发扫频模块重新扫描新的共振频率。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于反向共振的复合材料热振疲劳试验装置，其特征在于，包括双悬臂梁振动测试系统、热环境模拟系统、电子采集系统和测量与控制系统；

所述双悬臂梁振动测试系统包括，两根悬臂振动梁、偏心电机和底板，底板顶部左侧固定装配有左侧固定板，底板顶部右侧滑动装配有右侧固定板，左侧固定板和右侧固定板平行设置，两根悬臂振动梁设置在左侧固定板与右侧固定板之间，左侧悬臂振动梁的左端与左侧固定板固定连接，右侧悬臂振动梁的右端与右侧固定板固定连接，左侧悬臂振动梁的右端和右侧悬臂振动梁的左端均悬空设置并分别装配有偏心电机，待测梁的两端分别与左侧悬臂振动梁的右端和右侧悬臂振动梁的左端固定连接，左侧悬臂振动梁、右侧悬臂振动梁和待测梁共线设置，两个偏心电机以待测梁为中心对称设置，且两个偏心电机之间有半个周期的相位差；

所述热环境模拟系统包括热防护罩、红外辐射加热管、排风与降温系统，所述热防护罩罩在待测梁外侧,所述红外辐射加热管有两个，分别设置于热防护罩内壁底部的两侧，用于提高待测梁所处环境的温度，所述排风与降温系统包括气泵、喷嘴、二氧化碳储存器组成，喷嘴有四个，分别安装于热防护罩内壁顶部的四角，二氧化碳储存器用于储存干冰，与底板固定连接，气泵为吸气、喷气两用气泵，与底板固定连接，气泵和二氧化碳储存器分别通过三通阀与喷嘴连接，热防护罩由下部热防护罩、上前部热防护罩、上后部热防护罩三部分组成，各部分通过机械锁死装置锁死；

所述电子采集系统包括位移传感器、温度传感器、试验记录仪和数据采集卡，所述位移传感器有三个，分别设置于左侧悬臂振动梁右端的下方、右侧悬臂振动梁左端的下方、待测梁的下方，用于测量悬臂振动梁和待测梁的振动形变量，激光位移传感器发射激光透过热环境模拟系统中防护罩下部的耐高温玻璃观察口来测试复合材料待测梁的振动，温度传感器位于热防护罩内部，用于测定待测梁所处环境的温度，试验记录仪设置于待测梁的后方，用于记录试验数据，数据采集卡分别与各位移传感器、温度传感器以及试验记录仪电连接，用于存储位移传感器和试验记录仪所采集的数据；

所述测量与控制系统包括数控面板,所述数控面板与底板固定连接,数控面板分别与红外辐射加热管、气泵、三通阀、数据采集卡和两个偏心电机电连接,数控面板内置有基于LabVIEW的测控软件,用于接收并记录试验记录仪的试验记录，整合数据采集卡中的数据以进行全面的分析。

2.根据权利要求1所述的一种基于反向共振的复合材料热振疲劳试验装置，其特征在于，所述电子采集系统还包括声音传感器或电子显微镜，声音传感器或电子显微镜设置在待测梁的下方，且与数据采集卡电连接；

位于左侧悬臂振动梁右端的下方和右侧悬臂振动梁左端的下方的位移传感器具体为电涡流位移传感器，位于待测梁下方的位移传感器具体为激光位移传感器。

3.根据权利要求2所述的一种基于反向共振的复合材料热振疲劳试验装置，其特征在于，所述底板顶部设置有第一导轨，所述第一导轨与悬臂振动梁平行设置，第一导轨上滑动装配有第一导轨滑块，右侧固定板固定装配在第一导轨滑块顶部，所述第一导轨滑块与第一导轨之间设置有机械锁死机构。

4.根据权利要求3所述的一种基于反向共振的复合材料热振疲劳试验装置，其特征在于，所述左侧悬臂振动梁的左端与左侧固定板之间、右侧悬臂振动梁的右端与右侧固定板之间均通过悬臂梁夹紧装置固定连接，所述悬臂梁夹紧装置包括下紧固支撑装置、上紧固装置和下紧固支撑垫块，所述下紧固支撑装置与左侧固定板或右侧固定板固定连接，上紧固装置通过螺栓与下紧固支撑装置连接，悬臂振动梁夹在上紧固装置与下紧固支撑装置之间，左侧悬臂振动梁与左侧固定板之间、右侧悬臂振动梁与右侧固定板之间均留有间隙，下紧固支撑垫块装配于所述间隙中，且所述下紧固支撑垫块的厚度小于悬臂振动梁的厚度。

5.根据权利要求4所述的一种基于反向共振的复合材料热振疲劳试验装置，其特征在于，1

所述悬臂振动梁的断裂韧性至少为50MPam²。

6.根据权利要求5所述的一种基于反向共振的复合材料热振疲劳试验装置，其特征在于，所述底板上还设置有第二导轨，所述第二导轨与悬臂振动梁平行设置，所述第二导轨上滑动装配有四个下导轨支架，四个下导轨支架的顶部从左至右分别设置电涡流位移传感器、激光位移传感器、电涡流位移传感器和声音传感器或电子显微镜。

7.根据权利要求6所述的一种基于反向共振的复合材料热振疲劳试验装置，其特征在于，所述左侧固定板和右侧固定板的顶部设置有上支撑梁，上支撑梁顶部装配有第三导轨，所述第三导轨与悬臂振动梁平行设置，第三导轨上滑动装配有上导轨支架，上导轨支架下端与热防护罩固定连接。

8.根据权利要求7所述的一种基于反向共振的复合材料热振疲劳试验装置，其特征在于，所述待测梁的两端分别与左侧悬臂振动梁、右侧悬臂振动梁可拆卸式连接,左侧悬臂振动梁的右端面和右侧悬臂振动梁的左端面均开设有连接孔,待测梁的两端分别插入两侧的连接孔中,左侧悬臂振动梁右侧顶部和右侧悬臂振动梁的左侧顶部均设置有锁紧螺钉,两个锁紧螺钉分别与左侧悬臂振动梁和右侧悬臂振动梁螺接,且两个锁紧螺钉的螺杆分别延伸至两侧的连接孔中与待测梁左右两侧顶部接触。

9.根据权利要求8所述的一种基于反向共振的复合材料热振疲劳试验装置，其特征在于，所述试验装置右侧设置有右拱门，右拱门与底板顶部固定连接，右拱门外侧固定装配有右防护罩，所述试验装置前侧设置有前防护罩，前防护罩与底板顶部固定连接，所述试验装置的顶部、后侧和左侧均设置有防护板；

所述底板下方设置有支撑装置，所述支撑装置包括支撑腿和支撑角铁，所述支撑腿由上至下设置有多组固定孔，底板通过其中一组固定孔与支撑腿螺栓连接，支撑角铁固定装配于支撑腿的底部。

10.一种基于反向共振的复合材料热振疲劳试验方法，采用权利要求9所述的一种基于反向共振的复合材料热振疲劳试验装置，其特征在于，包括以下步骤:

步骤1、使用左侧固定板和右侧固定板的上的悬臂梁夹紧装置分别将两根悬臂振动梁夹紧，并将两个偏心电机分别装配在两个悬臂振动梁的悬空端；

步骤2、将待测复合材料制成大小合适的待测梁，并通过锁紧螺钉固定于两侧的悬臂振动梁之间，调整两侧偏心电机的位置，分别测量左侧偏心电机中心距离左侧悬臂振动梁右端的距离、右侧偏心电机中心距离右侧悬臂振动梁左端的距离、待测梁尺寸以及悬臂振动梁尺寸，给各系统通电，将上述测量的距离和尺寸输入至数控面板内置的测控软件中；

步骤3、将热防护罩通过第三导轨移动至能够覆盖全部待测梁的合适位置，用装在热防护罩上的机械锁死装置将上前部热防护罩、上后部热防护罩、下部热防护罩锁紧，检查装置是否锁紧，关闭右防护罩和前防护罩；

步骤4、在数控面板上设定测试温度，启动红外辐射加热管进行加热，到达设定温度后，启动两个偏心电机，激光位移传感器和电涡流位移传感器将两个悬臂振动梁和待测梁的振动数据传输至数控面板内置的测控软件中，形成悬臂振动梁和待测梁振动的时域波形图，通过观察两个悬臂振动梁的时域波形图，控制两个偏心电机振动频率与相位，使两悬臂振动梁分别达到共振，并且二者有半个周期的相位差，实现两个偏心电机反向共振；

步骤5、数控面板内置的测控软件自动判断疲劳破坏是否发生：

疲劳破坏发生时，时域波形图发生突变，测量与控制系统根据变化幅度自动判断是否达到试验停止要求，当判断材料达到所需试验停止要求时，数控面板控制偏心电机停止振动，同时发出试验结束提示音，测控软件对试验数据进行处理和初步分析，评估材料疲劳特性，启动排风与降温系统，对待测梁所处环境降温及排风，确保实验的安全，若试验中待测梁发生燃烧，立刻开启排风与降温系统，选择喷射二氧化碳进行灭火；

步骤6，使用电子显微镜观察待测梁疲劳破坏情况，拍照记录，结合位移传感器、试验记录仪和声音传感器的测试数据，综合时域波形图、声学、光学对待测复合材料疲劳损伤情况进行分析。

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