CN110657930B - 一种零件的振动应力测量方法以及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种零件的振动应力测量方法以及测量系统，其中所述测量方法包括(a)设置应变片报警值，所述报警值为零件的许用动应力值除以振动应力裕度，且所述报警值为变量，根据振动试验中对应的转速而变化；(b)对零件进行振动试验，对零件施加振动激励，得到零件的振动应力，在振动试验过程中，零件的振动应力达到所述报警值以上，发出警示。上述测量方法以及测量系统具有测量结果可靠，试验效率高等优点。

Description

一种零件的振动应力测量方法以及测量系统

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种零件的振动应力测量方法以及测量系统。

背景技术

在航空发动机、汽车等动力机械领域，高周疲劳是薄壁部件失效的主要原因之一。因此对于可能发生高周疲劳破坏的结构或部件，在设计阶段应进行详细分析以及试验测试，避免在服役过程中因部件高周疲劳失效发生事故。如果直接对部件进行高周疲劳试验，由于存在设计迭代的问题，试验耗费的时间和资金极其巨大，

因此一般通过振动试验确定部件的振动应力，由测试获得的振动应力结合材料高周疲劳性能数据开展分析，评估部件是否会发生高周疲劳失效，并开展少量的部件高周疲劳试验验证工作。

由此可见，振动应力测试结合高周疲劳分析是预防部件发生高周疲劳失效的重要手段之一。

目前振动应力测量的常见方法为：

在部件某些位置粘贴电阻应变片，每个电阻应变片监测结构一阶或多阶模态的振动。通过测量电阻应变片相关电信号，并结合电阻应变片自身电阻与应变的关系:

(其中，R为应变片电阻，K为灵敏度，ε为应变)，可获得部件相应位置的振动应变；一般试验直接获得的是应变时域图，通过傅里叶变换等方法可转换为频域图(参照图1)，目前大多数测试设备已可以在试验过程中实时显示应变时域和频域图；最后再通过部件自身材料应变与应力本构关系，换算成部件的振动应力。

对于处于复杂工作环境下、具有复杂结构的部件，典型的如航空发动机叶片，工作时可能同时处于多个不同频率的振动状态，部件的振动应力为所有频率振动应力分量叠加。因此，试验中需要监测每个可能出现较大响应的模态。对于速度/转速较高或工作温度较高的部件，试验中可能有应变片会失效。在试验过程中，每隔十分钟停机依次检查夹具有无松动，传感器粘贴是否牢固，试验件是否发生破坏等等。再次运行实验系统时，需要对应变片重新进行清零标定，以减小停机前后试验数据的误差。

每个应变片会设置相应的“报警值”，即零件的许用动应力值，防止试验中出现结构因振动应力过大而破坏或其他危险情况。报警值的设定一般为进行部件静强度分析(多个转速/工况)，取各工况中的最大静应力，再参照图2寿命曲线中所述最大静应力对应的许用应力值，设定试验中的“报警值”。

试验完成后，再由相关人员对试验数据进行处理及详细分析，从而评估部件的高周疲劳性能。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种零件的振动应力测量方法。

本发明的一个目的是提供一种零件的振动应力的测量系统。

根据本发明一个方面的一种零件的振动应力测量方法，包括：

(a)设置应变片报警值，所述报警值为零件的许用动应力值除以振动应力裕度，且所述报警值为变量，根据振动试验中对应的转速的变化而变化；

(b)对零件进行振动试验，对零件施加振动激励，得到零件的振动应力，在振动试验过程中，零件的振动应力达到所述报警值以上，发出警示。

在所述测量方法的实施例中，在所述(a)中,所述报警值随转速的上升而下降，且转速值越高，报警值下降幅度越大。

在所述测量方法的实施例中，在所述(a)中，还包括应变片安装方案，每个振动模态对应至少有两个应变片监测。

在所述测量方法的实施例中，在所述(a)中，每个应变片对应至少监测两个振动模态。

在所述测量方法的实施例中，在所述(b)中，若应变片测得的应变信号突然增大，超出所述应变片的量程，则所述应变片失效，当监测某个振动模态对应的应变片均失效，则停止试验，将失效的应变片重新安装。

在所述测量方法的实施例中，所述测量方法还包括：

建立基于编程语言的测量数据模块；

将材料数据库导入所述测量数据模块，将所述零件的材料类型、应变片的安装方案输入所述测量数据模块；

进行所述(b)时，调用所述测量数据模块，自动实时计算所述(b)得到的振动应力。

在所述测量方法的实施例中，调用所述测量数据模块，并由以下公式自动实时判断零件的每个振动模态是否至少有一个应变片可以有效监测：

其中，

应变片总数为m，监测的模态总数为n，失效的应变片总数为d，编号为k1，k2，…，kd；

若对于i＝1,2,…,n，

均成立，则表明每个模态都可以被监测，试验继续，否则试验终止。

在所述测量方法的实施例中，调用所述测量数据模块，根据振动应力的测量数据即时评估零件的高周疲劳性能。

在所述测量方法的实施例中，评估零件的高周疲劳性能的步骤包括：根据振动试验得到的零件的危险位置处在监测的n阶模态下的最大动应变分别为ε_i，其中i＝1,2,…,n，根据零件的材料类型，将最大动应变换算为最大动应力σ_i，其中i＝1,2,…,n，计算各工况下应力叠加后的振动应力裕度，选择裕度最小的结果作为最危险状态下的循环寿命输出。

根据本发明另一方面的一种零件的振动应力的测量系统，包括：

应变片，用于测量零件的应变；

数据采集装置，接收应变片传输的信号，对信号进行线性化处理；

数据分析装置，可调用测量数据模块，获取数据采集装置的信号，对所述数据采集装置的数据进行格式化处理，根据工况参数确定当前工况下的报警值，自动实时判断零件的每个振动模态是否至少有一个应变片可以有效监测；

材料性能数据库，所述数据包括不同温度下的密度、弹性模量、泊松比、屈服强度、疲劳极限等；以及

输出装置；

所述材料性能数据库通过软件接口接入所述数据分析装置，所述数据分析装置通过对应所述材料性能数据库中进行试验的零件的材料性能以及所述试验系统测量得到的振动应力数据，即时评估零件的高周疲劳性能；所述输出装置用于将得到的测量试验结果输出。

本发明的进步效果至少包括，

(1)通过将报警值设置为根据转速而变化的变量，更为合理地设置报警值，

减少了试验中误报警的概率，提高了试验效率；

(2)当有应变片失效时，可根据应变片的粘贴方案判断是否所有模态均能够被监测，如果是则试验继续；否则试验应及时终止，避免出现试验测试结束后再结合分析才能判断试验数据是否有效的情况，从而提高了试验数据的可靠性以及试验效率；

(3)试验完成后，同步完成试验数据的分析处理，直接输出部件高周疲劳评估结果，直接为部件改进设计或者定型提供支撑。

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，其中：

图1是振动试验中信号时域与频域示意图。

图2是材料疲劳寿命曲线示意图。

图3A-图3B是根据零件的振动应力测量方法中为变量的报警值的一种实施例。

图4是根据零件的振动应力测量方法的一种实施例的流程图。

图5是根据零件的振动应力测量系统的一种实施例的示意图。

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。

另外，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

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。

下述实施例中，零件以航空发动机中的旋转部件为例。

参考图2至图4，零件的振动应力测量方法包括如下步骤：

(a)设置应变片报警值，所述报警值为零件的许用动应力值除以振动应力裕度，且所述报警值为变量，根据振动试验中对应的转速而变化；

(b)对零件进行振动试验，对零件施加振动激励，得到零件的振动应力，在振动试验过程中，零件的振动应力达到所述报警值以上，发出警示。

采用随转速而变化的报警值，减少了试验中误报警的概率，提高了试验效率。其原因在于，发明人在试验中发现，若采用现有技术中各工况中最大静应力对应的许用应力/除以振动应力裕度作为报警值，报警值实际上偏保守，经常发生误报。其原因在于，对于航空发动机中的旋转部件，如图3A所示，在不同工况下的静应力有着明显不同，在转速较低的工况下，静应力也较低，此时若再采用最大静应力对应的许用动应力/除以振动应力裕度作为设定的报警值，则实际的报警值比设定的报警值高。进一步地，作为随着转速而变化的报警值的具体设定方法为，分析旋转部件的多个典型工况(例如对于航空发动机，慢车、巡航、起飞等)，将分析结果拟合成如图3A所示的静应力-转速曲线(σ_m＝f(n)，其中n为转速)。再结合图2，得到如图3B所示动应力报警值对应转速的曲线(σ_r＝f(n))。如图3B所示，所述报警值随转速的上升而下降，且转速值越高，报警值下降幅度越大。采用随转速变化的报警值，在保证试验安全的前提下，误报现象明显减少，大大提高了试验效率。

继续参考图4，测量方法还包括应变片的安装方案，对零件进行相关分析(包括有限元分析、CFD分析等)并进行应变片粘贴方案设计，具体例如，建立零件的有限元模型，在零件表面设定可用于粘贴应变片的节点集，利用软件完成包含单元结果的模态分析，确定危险模态；选择需要监测的模态；选择贴片节点集内的节点，建立零件表面坐标系，并提取节点表面应力，计算节点敏感性；旋转零件表面坐标系，获得不同的节点的敏感性，直至获得该节点的最大敏感性；不断重复前一步骤，获得贴片节点集的各节点针对此阶模态的最大敏感性和角度；循环控制以获得所有可贴片节点对不同模态的最大敏感性和角度；综合考虑贴片节点集中各节点针对各阶模态的最大敏感性选择用于贴片的节点。具体地，在安装方案中，每个振动模态可以设置至少两个应变片监测，即保证至少有一个“备份”，保证试验安全和试验数据的完整；在设计应变片粘贴方案时，一个应变片也可以同时至少监测多个模态，以充分利用测试设备各个通道，减少应变片数量，降低粘贴应变片对结构振动特性的影响。

继续参考图4，在一些实施方式中，若应变片测得的应变信号突然增大，超出所述应变片的量程，则所述应变片失效，当监测某个振动模态对应的应变片均失效，则停止试验，将失效的应变片重新安装。如此设计的步骤的有益效果在于提高了试验数据的可靠性以及试验效率。其原因在于，避免了现有技术中频繁停机检查的方式检查应变片是否失效。发明人在实践中发现，旋转部件的振动应力测量的振动一般不会太大，并且在测量时会设定应变片的量程；若试验中应变信号突然增大超出量程，则可认为该应变片失效。各模态由哪个或哪些应变片监测，是试验前制定的方案，假设j号应变片可以监测i阶模态，因此如果试验中j号应变片未失效，那么j号应变片始终可以监测i阶模态。如此可以及时判断所有模态是否可以被监测到，避免了在缺少旋转部件某阶模态的振动响应下仍进行测量，导致后续试验数据的不完整，增加了不必要的时间和试验损耗，更可能因为该阶模态在后续试验中响应过大导致部件失效等危险情况，也避免为了检查应变片是否有效而频繁拆装试验设备，节省了试验时间。

在一些实施方式中，可以采用建立基于编程语言的测量数据模块执行上述方法的步骤，以提高测量试验的效率，具体步骤包括：建立基于编程语言的测量数据模块，编程语言可以是例如C/C++、Labview等语言，利用编程语言编制数据模块，具体地，数据模块的功能可以包括：

(1)读取有限元及CFD分析数据，实施方式如下：在自编软件中定义数据接口，可以兼容包括*.csv、*.txt、*.dat等多种格式的，由Ansys、Abaqus等有限元分析软件输出的模态振型、应变、静应力等数据文件，以及由ANSYS CFX、Fluent等CFD分析软件输出的部件气动力、温度场等数据，文件中的数据满足一定的格式要求；

(2)读取部件材料数据，具体地，可以采用在数据模块中定义材料数据库接口，将材料数据库导入所述测量数据模块，将进行测试的旋转部件的材料类型输入数据模块，即可在数据库中找到对应的材料数据，包括密度、弹性模量、泊松比、屈服强度、疲劳极限等，各材料数据应涵盖多个温度；

(3)读取应变片安装方案，具体地，可以在数据模块中定义应变片安装方案输入接口，可支持*.csv、*.txt、*.dat等多种格式文件，文件中包含应变片位置、方向、各应变片在各监测模态下归一化的应变值等参数，将进行测试的旋转部件的应变片安装方案输入数据模块，即可读取；

(4)判断报警值，具体地，根据图3A、图3B所示的转速/静应力、转速/报警值曲线，设置旋转部件某个工况/转速下危险位置处静应力分析结果为σ_m，根据相应材料数据，并结合c)中给出的高周疲劳评估方法，得到许用最大振动应力为σ_a，若该部件设计准则中规定振动应力裕度为λ，则危险位置处最大振动应力为

根据材料的类型，将振动应力转化为振动应变ε_a’。假设危险位置处在第p阶模态下的归一化应变值为ε_p，假设监测第p阶模态的第q号应变片在该模态下的归一化应变值为ε_q，则第p阶模态的报警值为

在试验过程中，应变片实时监测随振动试验进行的旋转部件的振动应变数据，振动应变数据输入实时输入所述数据模块，数据模块将实时输入的应变数据计算转化为应变数据，并判断是否超过报警值，如此即实现了部件是否超出报警值的自动判断，提高了试验效率；若进行长时间的振动试验，还可以设置超出报警值自动停止试验的功能并记录具体的停止时间，以实现长时间试验的无人值守。

(5)判断振动模态监测情况，根据实时输入的振动应变数据，自动实时判断旋转部件的每个振动模态的是否可以有效监测，在出现应变值大于应变片量程的应变片失效时刻，自动进行分析，并判断试验应继续或终止；若所有模态仍然能够被监测，则试验继续，同时弹出警告窗口，提示虽然有应变片失效，但试验可继续；若判断试验应终止，则弹出错误窗口，提示及时终止试验，并记录无法监测的具体时刻。具体的判断方法可以采用以下公式：

其中，

应变片总数为m，监测的模态总数为n，失效的应变片总数为d，编号为k1，k2，…，kd；

若对于i＝1,2,…,n，

均成立，则表明每个模态都可以被监测，试验继续，否则试验终止；如此即实现了自动判断振动模态的监测情况，进一步提高了试验的效率。

(6)评估零件的高周疲劳性能，具体的方法可以是，数据模块根据得到的振动应力，假设获得试验中危险位置处在监测的n阶模态下的最大动应变分别为ε_i，其中i＝1,2,…,n，根据材料本构关系，换算为最大动应力σ_i，其中i＝1,2,…,n，计算响应较大状态或工况下应力叠加后的振动应力裕度，选择裕度最小结果作为最危险状态，将评估得到的高周疲劳性能输出，如此解决了现有技术中振动应力测量后，只能给出振动应变相关结果，无法直接评估部件高周疲劳性能，还需相关人员利用其他工具及方法进行分析评估，整个评估周期较长、效率较低的缺点，利用数据模块，试验完成后即可快速输出结果给试验人员，试验效率高。

参考图5，从上述介绍可以得到，零件7的振动应力测量系统包括如下部分：应变片1，数据采集装置，数据分析装置4，输出装置6。应变片1用于测量零件7的应变；数据采集装置，可以包括动态应变仪2以及数据采集仪3，动态应变仪2接收应变片传输的信号，对信号进行线性化处理，数据采集仪3，采集动态应变仪输出的信号；数据分析装置4，可调用测量数据模块，获取数据采集装置3的信号，对数据采集装置3的数据进行格式化处理，自动实时判断零件的每个振动模态是否至少有一个应变片可以有效监测。数据分析装置4还可以包括材料性能数据库5，材料性能数据库5通过软件接口接入数据分析装置4所调用的测量数据模块，材料性能数据库5的数据包括不同温度下的密度、弹性模量、泊松比、屈服强度、疲劳极限等，数据分析装置4通过调用测量数据模块读取材料性能数据库5，根据工况/转速参数确定当前工况/转速下的报警值，对应所述材料性能数据库5中的数据进行试验的零件7的材料性能以及数据采集装置采集得到的振动应力数据，判断试验的零件7的振动应力是否超过报警值，以及即时评估零件7的高周疲劳性能；输出装置6用于将得到的测量试验结果，例如上述的即时评估零件7的高周疲劳性能输出，输出装置6可以是如图5所示的打印机，也可以是其他可以显示试验结果的装置，例如电子屏幕。

综上，采用上述实施例的测量方法与测量装置的有益效果至少包括：

(1)通过将报警值设置为根据转速而变化的变量，更为合理地设置报警值，减少了试验中误报警的概率，提高了试验效率；

(2)当有应变片失效时，可根据应变片的粘贴方案判断是否所有模态均能够被监测，如果是则试验继续；否则试验应及时终止，避免出现试验测试结束后再结合分析才能判断试验数据是否有效的情况，从而提高了试验数据的可靠性以及试验效率；

(3)试验完成后，同步完成试验数据的分析处理，直接输出部件高周疲劳评估结果，直接为部件改进设计或者定型提供支撑。

本发明虽然以上述实施例公开如上，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 (9)

1.一种零件的振动应力测量方法，其特征在于，包括：

(a)建立基于编程语言的测量数据模块；将材料数据库导入所述测量数据模块，将所述零件的材料类型、应变片的安装方案输入所述测量数据模块；设置应变片报警值，所述报警值为零件的许用动应力值除以振动应力裕度，且所述报警值为变量，根据振动试验中对应的零件的转速的变化而变化；

(b)对零件进行振动试验，对零件施加振动激励，得到零件的振动应力，并且调用所述测量数据模块，自动实时计算得到的该振动应力，在振动试验过程中，零件的振动应力达到所述报警值以上，发出警示。

2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，

在所述(a)中,所述报警值随零件的转速的上升而下降，且转速值越高，报警值下降幅度越大。

3.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，

在所述(a)中，还包括应变片安装方案，每个振动模态对应至少有两个应变片监测。

4.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于，

在所述(a)中，每个应变片对应至少监测两个振动模态。

5.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，

在所述(b)中，若应变片测得的应变信号突然增大，超出所述应变片的量程，则所述应变片失效，当监测某个振动模态对应的应变片均失效，则停止试验，将失效的应变片重新安装。

6.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，包括

调用所述测量数据模块，并由以下公式自动实时判断零件的每个振动模态是否至少有一个应变片可以有效监测：

其中，

应变片总数为m，监测的模态总数为n，失效的应变片总数为d，编号为k1，k2，…，kd；

若对于i＝1,2,…,n，

均成立，则表明每个模态都可以被监测，试验继续，否则试验终止。

7.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，

调用所述测量数据模块，根据振动应力的测量数据即时评估零件的高周疲劳性能。

8.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于，评估零件的高周疲劳性能的步骤包括：

根据振动试验得到的零件的危险位置处在监测的n阶模态下的最大动应变分别为ε_i，其中i＝1,2,…,n，根据零件的材料类型，将最大动应变换算为最大动应力σ_i，其中i＝1,2,…,n，计算各工况下应力叠加后的振动应力裕度，选择裕度最小的结果作为最危险状态下的循环寿命输出。

9.一种零件的振动应力的测量系统，其特征在于，包括

应变片，用于测量零件的应变，该应变片具有报警值；

数据采集装置，接收应变片传输的信号，对信号进行线性化处理；

数据分析装置，可调用测量数据模块，用于获取数据采集装置的信号，对所述数据采集装置的数据进行格式化处理，根据工况参数确定当前工况下的报警值，所述报警值为零件的许用动应力值除以振动应力裕度，且所述报警值为变量，根据振动试验中对应的零件的转速的变化而变化，自动实时判断零件的每个振动模态是否至少有一个应变片可以有效监测；

材料性能数据库，所述数据包括不同温度下的密度、弹性模量、泊松比、屈服强度、疲劳极限；以及

输出装置；

所述材料性能数据库通过软件接口接入所述数据分析装置，所述数据分析装置通过对应所述材料性能数据库中进行试验的零件的材料性能以及测量得到的振动应力数据，即时评估零件的高周疲劳性能；所述输出装置用于将得到的测量试验结果输出。

Images