CN111397780A - 一种提高环氧树脂光弹性模型旋转应力条纹级数值的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高环氧树脂光弹性模型旋转应力条纹级数值的方法，包括步骤：选取旋转试验件需要研究的局部特征；根据选取的旋转试验件的局部特征设计并制备环氧树脂光弹性模型；将复数个环氧树脂光弹性模型按设定的旋转半径和布局安装在旋转盘上并进行冻结；对冻结后的各环氧树脂光弹性模型进行切片，并读取各环氧树脂光弹性模型的应力条纹级数。本发明更好的模拟了部件的真实工作条件，更接近载荷相似，满足相似原理、有利于提高试验精度，同时开展多个局部特征的旋转光弹性试验，可大幅度降低试验成本。
Description
技术领域
本发明涉及光弹性试验领域，特别地，涉及一种提高环氧树脂光弹性模型旋转应力条纹级数值的方法。
背景技术
目前，采用光弹性试验获得试验件的应力分布是在产品原型设计中用来评估工作应力的主要技术手段，在产品设计强度分析上占有重要地位。光弹性试验对象为光弹性模型，随着中小型航空发动机向高速发展，对为强度分析服务的光弹性试验的要求进一步提高，要求试验进一步逼近真实工作环境，但试验设备对施加的载荷有一定的限制，有时试验后模型中的应力条纹稀疏，最高应力条纹级数值偏小，这种情况下读出的模型应力条纹级数值误差较大，导致试验的精确度低。
专利号为ZL 201410211514.1、名称为《一种模型应力条纹级数值的处理方法》的现有技术属于辅助光弹性模型处理方法，其设置有辅助光弹性试验模型，通过曲线拟合可求出辅助光弹性模型的初始应力条纹，光弹性模型的应力条纹级数值减去辅助光弹性模型的初始应力条纹得到各点应力条纹级数值更接近真实，从而提高了光弹性试验的精确度，使模型应力条纹级数值更接近真实的应力水平，但其辅助加载属于以拉伸力模拟离心力，与真实工作条件存在差异，未能理想的满足相似原理，其中载荷不相似，试验精度仍然存在较大的提升空间。
发明内容
本发明提供了一种提高环氧树脂光弹性模型旋转应力条纹级数值的方法，以解决原有光弹性试验载荷因以拉伸力模拟离心力作为辅助加载导致试验未能完整的满足相似原理、试验精度有待提高的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种提高环氧树脂光弹性模型旋转应力条纹级数值的方法，包括步骤：
选取旋转试验件需要研究的局部特征；
根据选取的旋转试验件的局部特征设计并制备环氧树脂光弹性模型；
将复数个环氧树脂光弹性模型按设定的旋转半径和布局安装在旋转盘上并进行冻结；
对冻结后的各环氧树脂光弹性模型进行切片，并读取各环氧树脂光弹性模型的应力条纹级数。
进一步地，所述选取旋转试验件需要研究的局部特征具体包括步骤：
根据光弹性试验任务，选取旋转试验件上设计关心的局部特征，所述局部特征包括局部应力集中部位；
通过有限元计算分析所述局部特征中应力极值区域。
进一步地，根据选取的旋转试验件局部特征设计并制备环氧树脂光弹性模型具体包括步骤：
根据选取的旋转试验件局部特征进行所述环氧树脂光弹性模型的设计及加工。
进一步地，根据选取的旋转试验件局部特征进行所述环氧树脂光弹性模型的设计时，从选取的旋转试验件的局部特征中取一部分作为所述环氧树脂光弹性模型的主体，所述主体的形状、尺寸和加工精度三个指标与所述旋转试验件的对应部分相同。
进一步地，所述环氧树脂光弹性模型还包括加载体，所述加载体的设计满足圣维南原理。加载体一端与模型主体相连，另一端与载荷提供机构的转接部位相连。
进一步地，所述加载体与所述主体之间的连接处为平滑过渡，所述加载体用于加载的部分的形状和尺寸与所述载荷提供机构的接口相匹配。
进一步地，所述加工具体包括：
采用真空浇注成型机以及光弹性模型的真空浇注工艺浇注毛坯，浇注时使用光弹性模型毛坯模具，最后通过机械加工及热处理制得满足设计图纸要求的环氧树脂光弹性模型。
进一步地，所述旋转半径具体为采用在设定转速下有限元分析方法计算得出环氧树脂光弹性模型冻结时3毫米厚度切片出现最大应力条纹级数为2-4级时的计算值。
进一步地，将复数个环氧树脂光弹性模型按设定的旋转半径安装在旋转盘上时，将环氧树脂光弹性模型对称均布地安装在所述旋转盘上。
进一步地，所述冻结在温控箱中进行，具体包括步骤：
先启动控温模块对所述环氧树脂光弹性模型进行温控，冻结时的温控曲线为1h由室温升至80℃，保温24h后以2℃/h的速率上升至120℃，保温24h后以2℃/h的速率上升至150℃，保温8h-24h后以1℃/h的速率下降到80℃，停止温控，模型自然冷却到室温；
当温控曲线升到150℃时，启动旋转盘按设定转速转动，温度下降到80℃后停止转动。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种提高环氧树脂光弹性模型旋转应力条纹级数值的方法，该方法根据旋转试验件需要研究的局部特征而设计并制备的多个环氧树脂光弹性模型，并同时将多个环氧树脂光弹性模型按设定的旋转半径和布局安装在旋转盘上同时进行冻结，由于只选取设计关心的局部特征作为研究对象，安装到一个大的旋转半径盘上，直接增大了载荷，应力条纹多从而提高光弹性冻结试验的精度，采用分割后的局部模型进行旋转冻结试验，比用拉伸进行辅助加载更好的模拟了部件的真实工作条件，更接近载荷相似，满足相似原理、有利于提高试验精度，同时开展多个局部特征的旋转光弹性试验，可大幅度降低试验成本。同时，单个局部实验也比直接增加转速提升试验设备加载能力成本低。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的提高环氧树脂光弹性模型旋转应力条纹级数值的方法的流程示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参照图1，本发明的优选实施例提供了一种提高环氧树脂光弹性模型旋转应力条纹级数值的方法，包括步骤：
S1、选取旋转试验件需要研究的局部特征；
S2、根据选取的旋转试验件的局部特征设计并制备环氧树脂光弹性模型；
S3、将复数个环氧树脂光弹性模型按设定的旋转半径和布局安装在旋转盘上并进行冻结；
S4、对冻结后的各环氧树脂光弹性模型进行切片，并读取各环氧树脂光弹性模型的应力条纹级数。
本实施例提供的提高环氧树脂光弹性模型旋转应力条纹级数值的方法，其根据旋转试验件需要研究的局部特征而设计并制备的多个环氧树脂光弹性模型，并同时将多个环氧树脂光弹性模型按设定的旋转半径和布局安装在旋转盘上同时进行冻结，由于只选取设计关心的局部特征作为研究对象，安装到一个大的旋转半径盘上，直接增大了载荷，应力条纹多从而提高光弹性冻结试验的精度，采用分割后的局部模型进行旋转冻结试验，更好的模拟了部件的真实工作条件，更接近载荷相似，有利于提高试验精度，同时开展多个局部特征的旋转光弹性试验，可大幅度降低试验成本。
具体而言，所述选取旋转试验件需要研究的局部特征具体包括步骤：
根据光弹性试验任务，选取旋转试验件上设计关心的局部特征，所述局部特征包括局部应力集中部位；
通过有限元计算分析所述局部特征中应力极值区域。
本实施例通过选取旋转试验件上设计关心的局部特征，如局部应力集中部位来设计并制备环氧树脂光弹性模型，确保模型与原型的局部几何相似。
具体而言，所述根据选取的旋转试验件局部特征设计并制备环氧树脂光弹性模型具体包括步骤：
根据选取的旋转试验件局部特征进行所述环氧树脂光弹性模型的设计及加工；
本实施例中，所述环氧树脂光弹性模型的基于选取的旋转试验件局部特征进行设计并制作加工而成，从而使所述环氧树脂光弹性模型更好的模拟了部件的真实工作条件，满足几何相似原理、有利于确保试验精度。
具体地，根据选取的旋转试验件局部特征进行所述环氧树脂光弹性模型的设计时，从选取的旋转试验件的局部特征中取一部分作为所述环氧树脂光弹性模型的主体，所述主体的形状、尺寸和加工精度三个指标与所述旋转试验件的对应部分相同。
另外，在一优选实施例中，所述环氧树脂光弹性模型还包括加载体，加载体一方面与试验器载荷提供机构的接口连接，减少了设计加工转接段环节，另一方面加载体与模型一起加工，作为一个整体，确保了载荷的直接传递，避免了传递过程中载荷的损耗，所述加载体的设计满足圣维南原理。所述加载体与所述主体之间的连接处为平滑过渡，避免应力集中，造成此处破裂。所述加载体用于加载的部分的形状和尺寸与所述试验器载荷提供机构的接口相匹配。
本实施例中所述环氧树脂光弹性模型由主体和加载体两部分组成，主体设计与前述实施例完全相同，加载体的设计需满足圣维南定理，加载体与主体连接处应平滑过渡，加载体用于加载的部分其形状与尺寸与所述试验器载荷提供机构的接口配合，不需要重新加工另外的转接段。
具体而言，所述加工具体包括：
采用真空浇注成型机以及光弹性模型的真空浇注工艺浇注毛坯，浇注时使用光弹性模型毛坯模具，最后通过机械加工及热处理制得满足设计图纸要求的环氧树脂光弹性模型。
在一优选实施例中，所述旋转半径具体为在设定转速下采用有限元分析方法计算得出环氧树脂光弹性模型冻结时3毫米厚度切片出现最大应力条纹级数为3级时的旋转半径，从而确保环氧树脂光弹性模型在冻结后，能够在切片时出现符合预期的应力条纹级数。
在一优选实施例中，将复数个环氧树脂光弹性模型按设定的旋转半径安装在旋转盘上时，将环氧树脂光弹性模型对称均布地安装在所述旋转盘上，所述选择盘的半径为在设定转速下有限元计算3毫米厚度产生3级应力条纹值的计算值；本实施例通过将环氧树脂光弹性模型对称均布地安装在所述旋转盘上，从而避免产生不必要的振动导致模型提前失效；
在一优选实施例中，所述冻结在温控箱中进行，具体包括步骤：
先启动控温模块对所述环氧树脂光弹性模型进行温控，冻结时的温控曲线为1h由室温升至80℃，保温24h后以2℃/h的速率上升至120℃，保温24h后以2℃/h的速率上升至150℃，保温8h-24h后以1℃/h的速率下降到80℃，停止温控，模型自然冷却到室温；
当温控曲线升到150℃时，启动旋转盘按设定转速转动，温度下降到80℃后停止转动。
下面以某型涡轮光弹性试验为例对本发明的方法作更进一步的说明。
一种提高环氧树脂光弹性模型旋转应力条纹级数值的方法，包括步骤：
a)根据光弹性试验任务，选取设计旋转试验件关心的局部特征(局部应力集中部位)，包括局部涡轮盘以及配套的叶片；
b)根据选取的局部涡轮盘以及配套的叶片，采取光弹性试验技术体系的方法设计局部涡轮盘、叶片的环氧树脂光弹性模型。
c)使用光弹性模型毛坯模具(详情见ZL201410644944.2)，利用真空浇注成型机(详情见ZL 200920311682.2、ZL201520731675.3)和光弹性模型的真空浇注工艺方法(详情见ZL 201210146044.6)制作环氧树脂光弹性模型毛坯。
d)对环氧树脂光弹性模型毛坯采用锯、车、铣以及拉床、磨床等设备进行机械加工，加工出满足设计图纸要求的局部涡轮盘、叶片的环氧树脂光弹性模型。
e)对局部涡轮盘、叶片的环氧树脂光弹性模型进行退火，即把加工好的环氧树脂光弹性模型放置在恒温干燥箱中，先用1小时从室温到30℃，然后以10℃/小时的速率升温到160℃，再对模型保温3小时，最后以3℃/小时的速率降温到30℃，自动停止设备。
f)采用有限元分析方法得出模型在转速为3000转/分，环氧树脂模型冻结时3毫米厚度出现3级应力条纹时的旋转半径。
h)在模型混合加载装置(详情见ZL 201410197906.7)的离心加载模块中按照计算半径安装局部涡轮盘、叶片的环氧树脂光弹性模型。
i)关闭模型混合加载装置的门，启动控温模块，冻结时的温控曲线为1h由室温升至80℃，保温24h后以2℃/h的速率上升至120℃，保温24h后以2℃/h的速率上升至150℃，保温8h-24h后以1℃/h的速率下降到80℃，停止温控，模型自然冷却到室温。
l)当温控曲线升到冻结温度150℃时，启动电机，转速为3000转/分，温度下降80℃时停止电机。
m)冻结结束，设备自动关闭。
n)对冻结后的环氧树脂光弹性模型进行切片，并读取各环氧树脂光弹性模型的应力条纹级数。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种提高环氧树脂光弹性模型旋转应力条纹级数值的方法，其特征在于，包括步骤：
选取旋转试验件需要研究的局部特征；
根据选取的旋转试验件的局部特征设计并制备环氧树脂光弹性模型；
将复数个环氧树脂光弹性模型按设定的旋转半径和布局安装在旋转盘上并进行冻结；
对冻结后的各环氧树脂光弹性模型进行切片，并读取各环氧树脂光弹性模型的应力条纹级数。
2.根据权利要求1所述的提高环氧树脂光弹性模型旋转应力条纹级数值的方法，其特征在于，所述选取旋转试验件需要研究的局部特征具体包括步骤：
根据光弹性试验任务，选取旋转试验件上设计关心的局部特征，所述局部特征包括局部应力集中部位；
通过有限元计算分析所述局部特征中应力极值区域。
3.根据权利要求1所述的提高环氧树脂光弹性模型旋转应力条纹级数值的方法，其特征在于，根据选取的旋转试验件局部特征设计并制备环氧树脂光弹性模型具体包括步骤：
根据选取的旋转试验件局部特征进行所述环氧树脂光弹性模型的设计及加工。
4.根据权利要求3所述的提高环氧树脂光弹性模型旋转应力条纹级数值的方法，其特征在于，根据选取的旋转试验件局部特征进行所述环氧树脂光弹性模型的设计时，从选取的旋转试验件的局部特征中取一部分作为所述环氧树脂光弹性模型的主体，所述主体的形状、尺寸和加工精度三个指标与所述旋转试验件的对应部分相同。
5.根据权利要求4所述的提高环氧树脂光弹性模型旋转应力条纹级数值的方法，其特征在于，所述环氧树脂光弹性模型还包括加载体，所述加载体的设计满足圣维南原理。
6.根据权利要求5所述的提高环氧树脂光弹性模型旋转应力条纹级数值的方法，其特征在于，所述加载体与所述主体之间的连接处为平滑过渡，所述加载体用于加载的部分的形状和尺寸与载荷提供机构的转接部位相匹配。
7.根据权利要求3所述的提高环氧树脂光弹性模型旋转应力条纹级数值的方法，其特征在于，所述加工具体包括：
采用真空浇注成型机以及光弹性模型的真空浇注工艺浇注毛坯，浇注时使用光弹性模型毛坯模具，最后通过机械加工及热处理制得满足设计图纸要求的环氧树脂光弹性模型。
8.根据权利要求1所述的提高环氧树脂光弹性模型旋转应力条纹级数值的方法，其特征在于，所述旋转半径具体为在设定转速下采用有限元分析方法计算得出环氧树脂光弹性模型冻结时3毫米厚度切片出现最大应力条纹级数为2-4级时的计算值。
9.根据权利要求1所述的提高环氧树脂光弹性模型旋转应力条纹级数值的方法，其特征在于，将复数个环氧树脂光弹性模型按设定的旋转半径安装在旋转盘上时，将环氧树脂光弹性模型对称均布地安装在所述旋转盘上。
10.根据权利要求1所述的提高环氧树脂光弹性模型旋转应力条纹级数值的方法，其特征在于，所述冻结在温控箱中进行，具体包括步骤：
先启动控温模块对所述环氧树脂光弹性模型进行温控，冻结时的温控曲线为1h由室温升至80℃，保温24h后以2℃/h的速率上升至120℃，保温24h后以2℃/h的速率上升至150℃，保温8h-24h后以1℃/h的速率下降到80℃，停止温控，模型自然冷却到室温；
当温控曲线升到150℃时，启动旋转盘按设定转速转动，温度下降到80℃后停止转动。
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