CN110631789B - 用于复合材料静子叶片振动疲劳试验的试验方法 - Google Patents

Abstract

一种夹具、试验装置以及试验方法，用于复合材料静子叶片的振动疲劳试验。其中所述夹具包括：基座；夹持装置，设置在所述基座上，所述夹持装置包括第一夹持部以及第二夹持部，所述第一夹持部以及第二夹持部分别在静子叶片的周向两侧夹持静子叶片，所述第一夹持部与第二夹持部中至少有一个为活动夹持部，所述活动夹持部在静子叶片的一侧对静子叶片施加连续可调的夹持力，以调节所述夹持装置对静子叶片的夹持力至夹紧。上述夹具、试验装置、试验方法解决了目前对于复合材料静子叶片的振动疲劳试验不够精确的问题。

Description

用于复合材料静子叶片振动疲劳试验的试验方法

技术领域

本发明属于动力机械领域，尤其涉及用于复合材料静子叶片的振动疲劳试验的试验方法。

背景技术

与传统的高温合金相比，陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites,CMC)具有如下优势。(1)耐高温，减少冷气量：耐高温材料可以减少涡轮部件的冷气量，从而提高涡轮部件效率。(2)耐腐蚀：高温环境下SiC、Si3N4等陶瓷能在表面形成氧化硅保护层，能满足1600℃以下高温抗氧化要求。(3)密度低：CMC的密度仅为高温合金的1/3～1/4，这样可以减轻发动机的重量，进一步提高发动机的效率。

基于这些优势，民用航空发动机对减重以及后续对涡轮前进口温度提升的需求，在涡轮静子件如涡轮导向叶片上采用CMC材料成为未来航空发动机的必然选择。

但是陶瓷基复合材料的力学特性与传统的跟镍基金属材料相比，其失效应变或者延伸率较低，即具有一定脆性，室温下其失效应变在0.5％～0.6％左右，而金属材料的失效应变在1％以上。室温下陶瓷基复合材料的延伸率在0.4％～0.7％，而金属材料的延伸率至少5％，一般在5％～15％之间。

发明人在实践中认识到，对陶瓷基复合材料涡轮导向叶片在进行振动疲劳试验，采用类似金属叶片的直接固定夹紧方式，很难得出准确的试验结果。原因在于，采用镍基金属材料叶片振动疲劳试验的夹具以及经验值的夹紧力直接固定夹紧陶瓷基复合材料的叶片，由于陶瓷基复合材料与镍基金属材料相比脆性较大，试验后很难判断到底是由于夹紧力过大造成的陶瓷基复合材料挤压失效还是疲劳失效；若为避免上述问题而采用远低于经验值的夹紧力，则夹具无法夹紧叶片，也无法准确的获得陶瓷基复合材料叶片试验结果。

另外，陶瓷基复合材料叶片具有绝缘性，不导电，发明人在实践中认识到，在试验中也无法采用结构简单、易于安装调试、抗干扰能力强的电涡流位移传感器装置进行叶片振幅监测。

因此，本领域需要一种新的夹具、试验装置和试验方法，以满足复合材料叶片的振动疲劳试验要求。

发明内容

本发明的一个目的在于提出一种用于复合材料静子叶片的振动疲劳试验的夹具。

本发明的一个目的在于提出一种用于复合材料静子叶片的振动疲劳试验的试验装置。

本发明的一个目的在于提出一种用于进行复合材料静子叶片振动疲劳试验的试验方法。

根据本发明一个方面的一种夹具，用于复合材料静子叶片的振动疲劳试验，包括：基座；夹持装置，设置在所述基座上，所述夹持装置包括第一夹持部以及第二夹持部，所述第一夹持部以及第二夹持部分别在静子叶片的周向两侧夹持静子叶片，所述第一夹持部与第二夹持部中至少有一个为活动夹持部，所述活动夹持部在静子叶片的一侧对静子叶片施加连续可调的夹持力，以调节所述夹持装置对静子叶片的夹持力至夹紧。

在所述夹具的实施例中，所述第二夹持部为活动夹持部，所述第一夹持部包括从所述基座径向凸伸的第一挡止件，所述第二夹持部包括第二挡止件以及螺纹紧固结构，所述第二挡止件可在所述基座上活动，通过所述螺纹紧固结构向所述第二挡止件施加连续可调的压紧力，以在静子叶片的周向对静子叶片施加连续可调的夹持力。

在所述夹具的实施例中，所述螺纹紧固结构包括安装座以及螺钉，所述安装座提供与所述螺钉进行螺纹连接的贯穿螺纹孔，所述螺钉的一端穿过所述贯穿螺纹孔与所述第二挡止件相抵，向所述第二挡止件施加连续可调的压紧力。

在所述夹具的实施例中，所述第一夹持部、第二夹持部与静子叶片的周向两端面之间分别设置有垫片。

在所述夹具的实施例中，所述夹具还包括至少一个卡块，所述卡块用于在静子叶片的上缘板的轴向两端固定静子叶片；所述第一夹持部以及第二夹持部分别在周向夹持所述卡块，同时在静子叶片的上缘板的周向两端面夹持静子叶片。

在所述夹具的实施例中，所述至少一个卡块包括第一卡块、第二卡块，所述第一卡块包括第一沟槽，所述第一沟槽用于与所述静子叶片的上缘板的前插板卡合固定，所述第二卡块包括第二沟槽，所述第二沟槽用于与所述静子叶片的上缘板的后板卡合固定。

根据本发明另一方面的一种试验装置，用于复合材料静子叶片的振动疲劳试验，包括上述的夹具、至少一块金属板以及电涡流位移传感器，所述金属板与静子叶片的下缘板的周向端面相连，以便所述电涡流位移传感器采集静子叶片的位移数据。

在所述试验装置的实施例中，所述至少一块金属板包括分别位于静子叶片的下缘板的周向两侧的第一金属板以及第二金属板，所述第一金属板以及第二金属板通过螺栓连接结构夹紧抵接于静子叶片的下缘板的周向两端面。

根据本发明又一方面的一种试验方法，包括：

(a)将夹具的基座连接于振动激励器，将静子叶片的上缘板置于第一夹持部与第二夹持部之间夹持；

(b)第二夹持部在周向对静子叶片依次连续施加从小到大的夹持力，每次施加夹持力后，对夹持的静子叶片进行模态测试以及扫频分析，直至频率信号稳定，表示静子叶片已夹紧，压紧力无需继续增大；

(c)对已夹紧的静子叶片进行振动疲劳试验。

在所述试验方法的实施例中，在所述(a)中，采用卡块在静子叶片的上缘板的轴向两端固定静子叶片,将垫片分别设置于第一夹持部、第二夹持部与静子叶片的周向两端面之间；

在所述(b)中，采用螺钉结构，对所述活动夹持部在周向依次连续施加从小到大的压紧力；

在所述(c)中，在静子叶片的下缘板的周向端面安装金属板，以便所述电涡流位移传感器采集静子叶片的位移数据。

综上，本发明的进步之处至少包括：

(1)针对陶瓷基复合材料其材料延伸率低，脆性大，硬度高特点，在复合材料叶片的夹具固定方式上，采用活动夹持部的设计，使得夹具对复合材料叶片的夹紧力适当，正好夹紧，防止过度夹紧而导致挤压变形失效，干扰振动疲劳试验结果。

(2)采用螺纹紧固结构对挡止件施加螺栓连接和调整垫块方式固定，结构简单，易于装配，以及方便试验操作者对夹紧力矩调整，保证夹具可靠工作；

(3)采用的卡块用于在静子叶片的上缘板的轴向两端固定静子叶片，即利用简单的部件和易于加工的结构实现了对于静子叶片真实安装环境的模拟，进一步保证了试验的准确性。

(4)针对陶瓷基复合材料其不导电的技术特点，本专利通过在复合材料叶片下缘板安装金属平板的方式，解决了电涡流位移传感器由于陶瓷基复合材料其不导电无法感测位移的问题。该平板，通过螺栓与复合材料叶片连接，安装方便。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，需要注意的是，附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制，其中：

图1是导向叶片的结构示意图。

图2A以及图2B是夹具的一种实施方式与导向叶片的装配结构示意图。

图3A以及图3B是夹具的基座的一种实施方式的俯视图以及仰视图。

图4A以及图4B是夹具的基座的第一夹持部的一种实施方式的结构示意图。

图5A以及图5B分别是夹具的垫片、第二挡止件的一种实施方式的结构示意图。

图6A以及图6B是夹具的卡块的一种实施方式的结构示意图。

图7A以及图7B是夹具的卡块的一种实施方式与导向叶片的装配结构示意图。

图8是导向叶片与发动机机匣的连接结构示意图。

图9A以及图9B是试验装置的一种实施方式的金属板及其与导向叶片的装配结构示意图。

具体实施方式

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

需要注意的是，本说明书中，复合材料以陶瓷基复合材料为例，静子叶片以涡轮导向叶片为例。周向指的是导向叶片安装的机匣的圆周方向(即图8中的Y轴方向)，径向指的是导向叶片安装的机匣的径向方向(即图8中的Z轴方向)，轴向指的是导向叶片安装的机匣的轴线方向(即图8中的X轴方向)。

如图1、图8所示，涡轮导向叶片13包括上缘板20，下缘板21和叶身，上缘板20通过卡环33、涡轮外环31、34安装在涡轮机匣32上，下缘板21涂有易磨涂层或蜂窝，在航空发动机涡轮部件中起到导向和封严作用。

如图2A、图2B所示，在一些实施例中，夹具包括基座1，以及设置于基座1上的夹持装置，夹持装置包括第一夹持部2和第二夹持部3，第一夹持部2以及第二夹持部分3别在涡轮导向叶片13的周向两侧夹持涡轮导向叶片13，第一夹持部2与第二夹持部3中至少有一个为活动夹持部，在图2A、图2B所示的实施例中，第二夹持部3为活动夹持部，但不以此为限，也可以是第一夹持部为活动夹持部，或第一夹持部、第二夹持部均为活动夹持部。所述活动夹持部可在涡轮导向叶片13的一侧对其施加连续可调的夹持力，以调节所述夹持装置对涡轮导向叶片13的夹持力至夹紧。

进行振动疲劳试验时，采用的方法包括：将夹具的基座1连接至振动激励器，例如通过图3A、图3B所示的基座的螺栓孔4、5、6、7，采用螺纹连接的方式连接至振动激励器，但不以此为限，将涡轮导向叶片13的上缘板20置于第一夹持部2与第二夹持部3之间夹持，。在图2A、图2B所示的实施例中，第二夹持部3为活动夹持部，所述活动夹持部在周向对涡轮导向叶片13依次连续施加从小到大的夹持力，每次对待试验的涡轮导向叶片13施加夹持力以后，对其进行模态测试以及扫频分析，若频率信号不稳定，则表明还未夹紧，所述活动夹持部应继续增大夹紧力，直至扫频得到的频率信号稳定，表明待试验的涡轮导向叶片13已夹紧，压紧力已无需继续增大。之后对已夹紧的涡轮导向叶片13进行振动疲劳试验。疲劳振动试验在振动台上完成，采用共振法原理，使涡轮导向叶片13在正弦对称循环载荷激励下产生一阶弯曲强迫振动，当激振力的频率等于叶片的一阶固有频率时，叶片振幅会急剧增加，进入共振状态。上述振动疲劳试验方法获得的有益效果在于，使得夹具对复合材料叶片的夹紧力适当，正好夹紧，防止过度夹紧而导致复合材料叶片在试验中挤压变形失效，干扰振动疲劳试验结果。

在一些实施方式中，继续参考图2A、图2B，第二夹持部3为活动夹持部，第一夹持部2为固定部。第一夹持部2包括从基座1径向凸伸的第一挡止件21，第二夹持部3包括第二挡止件35以及螺纹紧固结构36，第二挡止件35可在所述基座上活动，具体地，第二挡止件35可以是如图4B所示的挡块，螺纹紧固结构36向第二挡止件35施加连续可调压紧力，以在涡轮导向叶片13的周向对其施加连续可调的夹持力。如此设计的有益效果在于方便操作者的安装与施加压紧力。采用第一夹持部2固定，第二夹持部3活动的设置，使得操作者安装时可以先将涡轮导向叶片13压在第一挡止件21以便于定位，再通过力矩扳手即可对螺纹紧固结构36施加确定的连续可调的扭矩。对第二挡止件35施加连续可调压紧力的部件不限于螺纹紧固结构36，也可以是液压装置、弹簧装置等。

在一些实施方式中，继续参考图2A、图2B，螺纹紧固结构36的具体结构可以包括安装座361以及螺钉362，安装座361提供与螺钉361进行螺纹连接的贯穿螺纹孔363，螺钉362的一端穿过贯穿螺纹孔363与第二挡止件35相抵，向所述第二挡止件35施加连续可调的压紧力。如此设计的有益效果在于采用螺钉362调节，其结构简单，操作方便，并且在进行压紧第二挡止件35时操作人员能得到较好的反馈感。螺纹紧固结构36还可以有其它形式的具体结构，例如在第一挡止件2为固定部、第二挡止件3为活动部，设置贯穿第一挡止件2、第二挡止件3的螺纹孔，螺栓穿过螺纹孔螺，以螺栓-螺母连接的螺纹紧固结构向第二挡止件3施加压紧力，同理，第一挡止件2第二挡止件3均为活动部时，也可以采用类似的螺栓-螺母的螺纹紧固结构。

参考图2A、图2B以及图4A，在一些实施方式中，第一夹持部2、第二夹持部3与涡轮导向叶片13的周向两端面之间分别设置有垫片8、9，垫片的材料为金属，优选为铝。垫片的设置进一步保护了涡轮导向叶片13，避免发生挤压变形失效。

参考图6A、图6B以及图7A、图7B，在一些实施方式中，夹具还包括至少一个卡块10，卡块10用于在涡轮导向叶片13的上缘板20的轴向两端固定涡轮导向叶片13，如图2A、图2B所示的，第一夹持部2以及第二夹持部3分别在周向夹持卡块，同时在涡轮导向叶片13的上缘板20的周向两端面夹持涡轮导向叶片13。如此设计的有益效果在于，利用卡块10对上缘板20的轴向固定，即利用简单的部件和易于加工的结构，实现了对于涡轮导向叶片13真实安装环境(即如图8所示的安装环境)的模拟，进一步保证了试验的准确性。。

具体地，卡块10的数量可以是两个，即包括第一卡块11、第二卡块12，第一卡块11包括第一沟槽111，第一沟槽111用于与涡轮导向叶片13的上缘板20的前插板201卡合固定，第二卡块12包括第二沟槽121，第二沟槽121用于与涡轮导向叶片13的上缘板20的后插板202卡合固定。采用两个卡块的设计，其获得的有益效果在于降低了卡块的加工难度。例如，若采用一个卡块两个沟槽分别与上缘板20的前插板201、后插板202卡合固定的结构，则对于沟槽的加工精度要求较高，即加工难度大，加工成本高。

参考图9A、图9B，在一些实施例中，用于复合材料静子叶片的振动疲劳试验包括上述实施例介绍的所述夹具，还包括电涡流传感器以及至少一块金属板，金属板与涡轮导向叶片13的下缘板20的周向端面相连，以便所述电涡流位移传感器采集涡轮导向叶片13的位移数据，实现振幅监测功能。采用金属板的的有益效果在于解决了电涡流位移传感器由于陶瓷基复合材料其不导电无法感测位移的问题。

具体地，金属板与涡轮导向叶片13的下缘板20的周向端面相连的具体结构可以是至少一块金属板包括分别位于涡轮导向叶片13的下缘板20周向两侧的第一金属板16以及第二金属板17，第一金属板16以及第二金属板17通过螺栓18、19连接结构夹紧抵接于涡轮导向叶片13的下缘板20的周向两端面。尽管还存在其它的具体结构，例如采用一块金属板，采用粘贴连接的方式与涡轮导向叶片13的下缘板20连接。采用两块金属板以及螺栓连接固定方式的有益效果在于，相比于只选用一块金属板，采用粘贴连接的方式，更为可靠。

从上述介绍可知，进行复合材料静子叶片振动疲劳试验的试验方法包括以下步骤：

(a)将夹具的基座连接于振动激励器，将静子叶片的上缘板置于第一夹持部2与第二夹持部3之间夹持，第一夹持部2与第二夹持部3中至少有一个为活动夹持部；

(b)所述活动夹持部在周向对静子叶片依次连续施加从小到大的夹持力，每次施加夹持力后，对夹持的静子叶片进行模态测试以及扫频分析，直至频率信号稳定，表示静子叶片已夹紧，压紧力无需继续增大；

(c)对已夹紧的静子叶片进行振动疲劳试验。

在步骤(a)中，可采用卡块10在静子叶片的上缘板的轴向两端固定静子叶片,将垫片8、9分别设置于第一夹持部2、第二夹持部3与静子叶片的周向两端面之间；

在步骤(b)中，采用螺钉结构，对所述活动夹持部在周向依次连续施加从小到大的压紧力；

在步骤(c)中，在静子叶片的下缘板的周向端面安装金属板，以便所述电涡流位移传感器采集静子叶片的位移数据。

综上所述，以上实施例的夹具、试验装置以及试验方法的优点至少包括：

(1)针对陶瓷基复合材料其材料延伸率低，脆性大，硬度高特点，在复合材料叶片的夹具固定方式上，采用活动夹持部的设计，使得夹具对复合材料叶片的夹紧力适当，正好夹紧，防止过度夹紧而导致挤压变形失效，干扰振动疲劳试验结果。

(2)采用螺纹紧固结构对挡止件施加螺栓连接和调整垫块方式固定，结构简单，易于装配，以及方便试验操作者对夹紧力矩调整，保证夹具可靠工作；

(3)采用的卡块用于在静子叶片的上缘板的轴向两端固定静子叶片，即利用简单的部件和易于加工的结构实现了对于静子叶片真实安装环境的模拟，进一步保证了试验的准确性。

(4)针对陶瓷基复合材料其不导电的技术特点，本专利通过在复合材料叶片下缘板安装金属平板的方式，解决了电涡流位移传感器由于陶瓷基复合材料其不导电无法感测位移的问题。该平板，通过螺栓与复合材料叶片连接，安装方便。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种试验方法，用于进行复合材料静子叶片振动疲劳试验，其特征在于，包括：

(a)将夹具的基座连接于振动激励器，将静子叶片的上缘板置于第一夹持部与第二夹持部之间夹持，第一夹持部与第二夹持部中至少有一个为活动夹持部，所述夹具包括基座，以及夹持装置，设置在所述基座上，所述夹持装置包括第一夹持部以及第二夹持部，所述第一夹持部以及第二夹持部分别在静子叶片的周向两侧夹持静子叶片，所述第一夹持部与第二夹持部中至少有一个为活动夹持部，所述活动夹持部在静子叶片的一侧对静子叶片施加连续可调的夹持力，以调节所述夹持装置对静子叶片的夹持力至夹紧；

(b)所述活动夹持部在周向对静子叶片依次连续施加从小到大的夹持力，每次施加夹持力后，对夹持的静子叶片进行模态测试以及扫频分析，直至频率信号稳定，表示静子叶片已夹紧，压紧力无需继续增大；

(c)对已夹紧的静子叶片进行振动疲劳试验。

2.如权利要求1所述的试验方法，其特征在于，包括：

在所述(a)中，采用卡块在静子叶片的上缘板的轴向两端固定静子叶片,将垫片分别设置于第一夹持部、第二夹持部与静子叶片的周向两端面之间；

在所述(b)中，采用螺钉结构，对所述活动夹持部在周向依次连续施加从小到大的压紧力；

在所述(c)中，在静子叶片的下缘板的周向端面安装金属板，以便电涡流位移传感器采集静子叶片的位移数据。

3.如权利要求2所述的试验方法，其特征在于，所述金属板包括分别位于静子叶片的下缘板的周向两侧的第一金属板以及第二金属板，所述第一金属板以及第二金属板通过螺栓连接结构夹紧抵接于静子叶片的下缘板的周向两端面。

4.如权利要求1所述的试验方法，其特征在于，所述第二夹持部为活动夹持部，所述第一夹持部包括从所述基座径向凸伸的第一挡止件，所述第二夹持部包括第二挡止件以及螺纹紧固结构，所述第二挡止件可在所述基座上活动，通过所述螺纹紧固结构向所述第二挡止件施加连续可调的压紧力，以在静子叶片的周向对静子叶片施加连续可调的夹持力。

5.如权利要求4所述的试验方法，其特征在于，所述螺纹紧固结构包括安装座以及螺钉，所述安装座提供与所述螺钉进行螺纹连接的贯穿螺纹孔，所述螺钉的一端穿过所述贯穿螺纹孔与所述第二挡止件相抵，向所述第二挡止件施加连续可调的压紧力。

6.如权利要求1所述的试验方法，其特征在于，所述第一夹持部、第二夹持部与静子叶片的周向两端面之间分别设置有垫片。

7.如权利要求1-6任意一项所述的试验方法，其特征在于，所述夹具还包括至少一个卡块，所述卡块用于在静子叶片的上缘板的轴向两端固定静子叶片；所述第一夹持部以及第二夹持部分别在周向夹持所述卡块，同时在静子叶片的上缘板的周向两端面夹持静子叶片。

8.如权利要求7所述的试验方法，其特征在于，所述至少一个卡块包括第一卡块、第二卡块，所述第一卡块包括第一沟槽，所述第一沟槽用于与所述静子叶片的上缘板的前插板卡合固定，所述第二卡块包括第二沟槽，所述第二沟槽用于与所述静子叶片的上缘板的后插板卡合固定。

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