CN110146243B - 一种整体叶盘的高周疲劳测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种整体叶盘的高周疲劳测试方法，包括如下步骤，夹具设计及制造，对夹具进行模态计算、模态测试、频响测试，自由及固持状态下，对整体叶盘的一阶固有频率、阻尼比、振型进行测试，采用有限元法进行叶片最大应力区域计算，采用贴片法确定叶片最大应力点，标定出叶尖最大位移和应力之间的关系曲线，进行叶片频率配重设计，陪试叶片同时被监测系统监测，从频率最小的叶片开始进行疲劳测试。该测试方法较之传统切割叶片的疲劳测试方法，优势在于叶盘叶片试验边界条件更接近实际使用条件，不破坏叶盘，降低由于叶片切割面带来的试验数据误差，试验周期缩短，试验费用降低。
Description
技术领域
本发明涉及机械振动测试技术领域，尤其涉及一种整体叶盘的高周疲劳测试方法。
背景技术
整体叶盘是将叶片和叶盘通过先进的工艺做成一体，与常规叶盘相比，省去了连接的榫头和榫槽，使结构大大简化，重量降低，故障率降低，发动机的推重比得到提高，但是整体叶盘的振动及疲劳破坏问题极为突出。整体叶盘的叶片疲劳测试，到目前为止均为将叶片从叶盘上切割下来，再做每一片叶片的疲劳寿命/极限，这样试验存在几个问题：一是叶盘试验后被完全破坏；二是叶片试验的边界条件与使用环境边界条件相差较远；三是切割工艺对试验数据有一定影响。
综上所述，现有技术中的叶片疲劳强度测试方法会对叶盘进行破坏，如何在整体叶盘上对叶片进行疲劳强度测试，是现有技术中亟待解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中，叶片疲劳强度测试方法会对叶盘进行破坏的技术问题，本发明的技术方案如下：
本发明中的一种整体叶盘的高周疲劳测试方法，包括以下步骤：
步骤S01，夹具设计及制造；
步骤S02，对夹具进行模态计算、模态测试、频响测试；
步骤S03，自由及固持状态下，对整体叶盘的各叶片的一阶固有频率、阻尼比、振型及叶盘的固有频率、阻尼比、振型进行测试；
步骤S04，采用有限元法进行叶片最大应力区域计算；
步骤S05，根据步骤S04的计算结果，采用贴片法确定叶片最大应力点；
步骤S06，固持状态下，标定出叶尖最大位移和应力之间的关系曲线；
步骤S07，进行叶片频率配重设计，使得陪试叶片的频率远离被试叶片；
步骤S08，陪试叶片同时被监测系统监测；
步骤S09，从频率最小的叶片开始进行疲劳测试，以此类推，测试完叶盘上所有叶片；
步骤S10，数据记录及计算。
进一步，步骤S02中还包括如下步骤：
步骤S021，夹具模态计算过程，利用有限元软件(ANSYS软件)进行夹具建模，定义材料属性及单元类型，对模型进行适宜大小及类型的网格划分，施加固定约束或者自由状态下，选择模态分析类型及需要输出的频率范围，进行求解，输出计算结果，其中包括各阶固有频率、振型、阻尼比。
步骤S022，夹具模态测试过程，夹具通过螺栓固定在相应的振动台上，将控制及检测传感器连接在夹具与控制仪之间，输入较小的振动量级进行10-3000Hz扫频，输出信号中出现较大峰值时所对应的频率为该夹具的固有频率。夹具的固有频率应该远离整体叶盘叶片的低阶固有频率，避免试验过程中产生共振。
步骤S023，夹具频响测试过程，采用激光扫描测振系统，进行夹具振型和阻尼比测试，采用单点激励多点扫描响应测试。
进一步，步骤S03中还包括如下步骤：
步骤S031，整体叶盘在自由状态下，采用锤击法测试叶盘、叶片的模态频率、阻尼比、振型。
步骤S032，采用激光扫描测振系统进行叶片模态频率、振型和阻尼比测试，采用单点激励多点扫描响应测试。
步骤S033，在夹具上固定整体叶盘，利用有限元软件进行整体叶盘建模，定义材料属性及单元类型，对模型进行适宜大小及类型的网格划分，施加固定约束或者自由状态下，选择模态分析类型及需要输出的频率范围，进行求解，输出计算结果，其中包括叶盘的各阶固有频率、阻尼比、振型，以及叶片的各阶固有频率、阻尼比、振型。
进一步，步骤S04中还包括如下步骤：
叶片最大应力计算，通过有限元建模、定义材料属性、定义单元类型、划分网格，定义边界条件，施加一阶弯曲载荷，求解计算出最大应力区域。
进一步，步骤S05中还包括如下步骤：
取一组叶片，在叶身不同部位粘贴应变片，根据前一组应变测试结果，剔除异常数据，确定后一组贴片位置，采用两组之间互有交集，并以叶尖位移作参考，逐步逼近应力最大位置。
进一步，步骤S07中还包括如下步骤：
根据步骤S03测试出的各叶片的固有频率，在叶片上添加配重块，计算其固有频率，使得添加配重块的叶片的固有频率远离被试叶片即可。
进一步，步骤S09中还包括如下步骤：
疲劳极限即定寿命求极限强度，结合标准方法及被试叶片设计要求，定初始应力，并在该应力等级下进行寿命循环试验，根据试验结果定下一应力等级，重复试验。
进一步，所述夹具为质量轻、刚度高的材料，选用碳钢或者镁铝合金材料制备，所述夹具包括轴心、腹板及夹持臂，多个所述腹板沿轴心的圆周方向均匀布置，每个所述腹板的一端与轴心固定连接，另一端垂直设置夹持臂，待夹持的整体叶盘套设于多个夹持臂所组成的圆形外侧。
进一步，所述腹板的一端通过螺钉与轴心固定连接，另一端开设螺纹孔，所述夹持臂为螺栓，所述螺栓穿过螺纹孔向下伸出，待夹持的整体叶盘套设于螺栓的伸出段外侧。
进一步，所述腹板及螺栓的个数为3-6个。
进一步，所述夹具还包括底座，所述轴心通过螺钉固定连接在底座的上侧面。
进一步，所述底座开设均匀分布的安装孔，所述底座通过安装孔与振动台面固定连接。
本发明中的一种整体叶盘的高周疲劳测试方法，与现有技术相比，其有益效果为：
本发明中的一种整体叶盘的高周疲劳测试方法，该测试方法较之传统切割叶片的疲劳测试方法，优势在于叶盘叶片试验边界条件更接近实际使用条件，不破坏叶盘，降低由于叶片切割面带来的试验数据误差，试验周期缩短，试验费用降低。
附图说明
图1是本发明中一种整体叶盘的高周疲劳测试方法的流程图；
图2是夹具频率响应测试图；
图3是叶片振型图；
图4是叶尖位移-应力关系的标定示意图；
图5是本发明中夹具的示意图；
图6是本发明中整体叶盘安装于夹具后的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明中的一种整体叶盘的高周疲劳测试方法，包括以下步骤：
步骤S01，夹具设计及制造。
步骤S02，对夹具进行模态计算、模态测试、频响测试。
夹具安装在振动台上，使用0.5g的激振力，进行低频到高频的扫频，扫频结果中出现夹具的前几阶共振频率，如图2所示，分别为1700Hz，2000Hz，2346Hz。
步骤S03，自由及固持状态下，对整体叶盘的各叶片的一阶固有频率、阻尼比、振型及叶盘的固有频率、阻尼比、振型进行测试。
将夹具安装到测试台台面固紧，将叶盘按要求装入夹具，调整加紧力矩，调整激振器顶杆激振叶片结构的位置，打开激光测振仪，聚焦扫描光点，设定扫描网格，调试频响范围，采用快速正弦扫频激励信号，调试激振器功率，激光点同步测量检测点响应，并对各网格节点响应逐步扫描测量，同时数据采集记录激励信号及各响应点数据，每片叶片测试三次，经过数据处理和计算分别获取叶片的1、2、3阶模态频率、振型；根据每片叶片采集系统三次记录的幅频曲线、相频曲线，读取半功率点对应的频率并平均，计算阻尼比，如表1所示，叶片振型图见图3。
表1频率、阻尼比数据
步骤S04，采用有限元法进行叶片最大应力区域计算。
步骤S05，根据步骤S04的计算结果，采用贴片法确定叶片最大应力点。
步骤S06，固持状态下，标定出叶尖最大位移和应力之间的关系曲线，叶尖位移--应力关系的标定见图4所示。
步骤S07，进行叶片频率配重设计，使得陪试叶片的频率远离被试叶片。
步骤S08，陪试叶片同时被监测系统监测。
步骤S09，从频率最小的叶片开始进行疲劳测试，以此类推，测试完叶盘上所有叶片。
步骤S10，数据记录及计算，如表2所示。
表2叶片疲劳试验数据
进一步，步骤S02中还包括如下步骤：
步骤S021，夹具模态计算过程，利用有限元软件(ANSYS软件)进行夹具建模，定义材料属性及单元类型，对模型进行适宜大小及类型的网格划分，施加固定约束或者自由状态下，选择模态分析类型及需要输出的频率范围，进行求解，输出计算结果，其中包括各阶固有频率、振型、阻尼比。
步骤S022，夹具模态测试过程，夹具通过螺栓固定在相应的振动台上，将控制及检测传感器连接在夹具与控制仪之间，输入较小的振动量级进行10-3000Hz扫频，输出信号中出现较大峰值时所对应的频率为该夹具的固有频率。夹具的固有频率应该远离整体叶盘叶片的低阶固有频率，避免试验过程中产生共振。
步骤S023，夹具频响测试过程，采用激光扫描测振系统，进行夹具振型和阻尼比测试，采用单点激励多点扫描响应测试。
进一步，步骤S03中还包括如下步骤：
步骤S031，自由状态下，测试叶盘的一阶固有频率、阻尼比、振型，测试各叶片的一阶固有频率、阻尼比、振型；
步骤S032，在夹具上固定整体叶盘，利用有限元软件进行整体叶盘建模，定义材料属性及单元类型，对模型进行适宜大小及类型的网格划分，施加固定约束或者自由状态下，选择模态分析类型及需要输出的频率范围，进行求解，输出计算结果，其中包括叶盘的各阶固有频率、阻尼比、振型，以及叶片的各阶固有频率、阻尼比、振型。
进一步，步骤S04中还包括如下步骤：
叶片最大应力计算，通过有限元建模、定义材料属性、定义单元类型、划分网格，定义边界条件，施加一阶弯曲载荷，求解计算出最大应力区域。
进一步，步骤S05中还包括如下步骤：
取一组叶片，在叶身不同部位粘贴应变片，根据前一组应变测试结果，剔除异常数据，确定后一组贴片位置，采用两组之间互有交集，并以叶尖位移作参考，逐步逼近应力最大位置。
进一步，步骤S07中还包括如下步骤：
根据步骤S03测试出的各叶片的固有频率，在叶片上添加配重块，计算其固有频率，使得添加配重块的叶片的固有频率远离被试叶片即可。
进一步，步骤S09中还包括如下步骤：
疲劳极限即定寿命求极限强度，结合标准方法及被试叶片设计要求，定初始应力，并在该应力等级下进行寿命循环试验，根据试验结果定下一应力等级，重复试验。
如图5-6所示，所述夹具为质量轻、刚度高的材料，选用碳钢或者镁铝合金材料制备，夹具包括轴心1、腹板2及夹持臂3，多个腹板2沿轴心1的圆周方向均匀布置，每个腹板2的一端与轴心1固定连接，另一端垂直设置夹持臂3，多个夹持臂3均匀分布在轴心1周围并组成圆形，待夹持的整体叶盘套设于多个夹持臂3所组成的圆形外侧。安装时，将整体叶盘的叶盘7放置在夹持臂3的端部，通过橡胶力锤将叶盘7敲击套设在多个夹持臂3外侧。待夹持的整体叶盘的轴心孔套设与夹具中心轴上，通过夹具上的夹持臂对叶盘腹板施加垂向力，致使叶盘固定在夹具上。
为便于夹具装配，在一种优选的实施例中，腹板2的一端通过螺钉5与轴心1固定连接，另一端开设螺纹孔，夹持臂3为螺栓，螺栓穿过螺纹孔向下伸出，待夹持的整体叶盘7套设于螺栓的伸出段外侧。
腹板2及螺栓的个数为3-6个，可提供不同的夹持强度，应用于不同规格的整体叶盘7，其螺栓数量越多，提供的夹持强度越大。
螺栓的螺杆外壁与轴心1的中轴线的距离范围为500-1000mm，即本夹具适用的整体叶盘内径范围为500-1000mm。
夹具还包括底座4，轴心1通过螺钉固定连接与底座4的上侧面。
底座4开设均匀分布的安装孔6，底座4通过安装孔6与振动台面固定连接，通过振动测试叶片8的疲劳强度。
本发明中的夹具的安装步骤如下：
步骤S01，整体叶盘的叶盘7与轴心1配合；
步骤S02，轴心1通过螺钉与底座4固定连接；
步骤S03，夹具腹板2通过螺栓紧固在整体叶盘的叶盘7上；
步骤S04，安装好整体叶盘的夹具，通过底座4的安装孔6与振动台台面连接。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种整体叶盘的高周疲劳测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S01，夹具设计及制造；
步骤S02，对夹具进行模态计算、模态测试、频响测试；
步骤S03，自由及固持状态下，对整体叶盘的各叶片的一阶固有频率、阻尼比、振型及叶盘的固有频率、阻尼比、振型进行测试；
步骤S04，采用有限元法进行叶片最大应力区域计算；
步骤S05，根据步骤S04的计算结果，采用贴片法确定叶片最大应力点；
步骤S06，固持状态下，标定出叶尖最大位移和应力之间的关系曲线；
步骤S07，进行叶片频率配重设计，使得陪试叶片的频率远离被试叶片；
步骤S08，陪试叶片同时被监测系统监测；
步骤S09，从频率最小的叶片开始进行疲劳测试，以此类推，测试完叶盘上所有叶片；
步骤S10，数据记录及计算；
步骤S01中，所述夹具包括轴心、腹板及夹持臂，多个所述腹板沿轴心的圆周方向均匀布置，每个所述腹板的一端与轴心固定连接，另一端垂直设置夹持臂，待夹持的整体叶盘套设于多个夹持臂所组成的圆形外侧。
2.根据权利要求1所述的一种整体叶盘的高周疲劳测试方法，其特征在于，步骤S02中还包括如下步骤：
步骤S021，夹具模态计算过程，利用有限元软件进行夹具建模，定义材料属性及单元类型，对模型进行适宜大小及类型的网格划分，施加固定约束或者自由状态下，选择模态分析类型及需要输出的频率范围，进行求解，输出计算结果，其中包括各阶固有频率、振型、阻尼比；
步骤S022，夹具模态测试过程，夹具通过螺栓固定在相应的振动台上，将控制及检测传感器连接在夹具与控制仪之间，输入较小的振动量级进行10-3000Hz扫频，输出信号中出现较大峰值时所对应的频率为该夹具的固有频率；
步骤S023，夹具频响测试过程，采用激光扫描测振系统，进行夹具振型和阻尼比测试，采用单点激励多点扫描响应测试。
3.根据权利要求1所述的一种整体叶盘的高周疲劳测试方法，其特征在于，步骤S03中还包括如下步骤：
步骤S031，整体叶盘在自由状态下，采用锤击法测试叶盘、叶片的模态频率、阻尼比、振型；
步骤S032，采用激光扫描测振系统进行叶片模态频率、振型和阻尼比测试，采用单点激励多点扫描响应测试；
步骤S033，在夹具上固定整体叶盘，利用有限元软件进行整体叶盘建模，定义材料属性及单元类型，对模型进行适宜大小及类型的网格划分，施加固定约束或者自由状态下，选择模态分析类型及需要输出的频率范围，进行求解，输出计算结果，其中包括各阶固有频率、阻尼比、振型。
4.根据权利要求1所述的一种整体叶盘的高周疲劳测试方法，其特征在于，步骤S04中还包括如下步骤：
叶片最大应力计算，通过有限元建模、定义材料属性、定义单元类型、划分网格，定义边界条件，施加一阶弯曲载荷，求解计算出最大应力区域。
5.根据权利要求1所述的一种整体叶盘的高周疲劳测试方法，其特征在于，步骤S07中还包括如下步骤：
根据步骤S03测试出的各叶片的固有频率，在叶片上添加配重块，计算其固有频率，使得添加配重块的叶片的固有频率远离被试叶片即可。
6.根据权利要求1所述的一种整体叶盘的高周疲劳测试方法，其特征在于，步骤S09中还包括如下步骤：
结合标准方法及被试叶片设计要求，定初始应力，并在该应力等级下进行寿命循环试验，根据试验结果定下一应力等级，重复试验。
7.根据权利要求1所述的一种整体叶盘的高周疲劳测试方法，其特征在于，所述腹板的一端通过螺钉与轴心固定连接，另一端开设螺纹孔，所述夹持臂为螺栓，所述螺栓穿过螺纹孔向下伸出，待夹持的整体叶盘套设于螺栓的伸出段外侧。
8.根据权利要求7所述的一种整体叶盘的高周疲劳测试方法，其特征在于，所述夹具还包括底座，所述轴心通过螺钉固定连接在底座的上侧面；所述底座开设均匀分布的安装孔，所述底座通过安装孔与振动台面固定连接。
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