CN111504585A - 一种整体叶盘多载荷振动实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种整体叶盘多载荷振动实验装置及方法，航空发动机技术领域。该装置包括机箱、模拟输出板卡、压电陶瓷驱动电源、压电陶瓷激振器、加速度传感器、压电薄膜、数据采集分析仪、上位机、振动台、功率放大器、控制器和模态力锤。本发明应用前景广泛，具备输出多路相互独立并存在可调相位差的阶次激励信号和载荷谱可调的基础激励信号，可以灵活模拟整体叶盘多载荷作用下的振动状态，并通过压电薄膜进行多扇区振动的同步测试。采用压电陶瓷激振器可实现高频的激励，满足试验系统对高阶、高频振动测试的需求。价格便宜，性能可靠。与现有实验测试系统相比，整个系统性能优异，制造简单，成本低廉。

Description

一种整体叶盘多载荷振动实验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种整体叶盘振动试验装置，该装置可以实现多载荷下整体叶盘的振动试验测试，用于实验研究典型载荷作用下整体叶盘的振动响应行为。属于航空发动机技术领域。

技术背景

整体叶盘是先进航空发动机中的一种典型结构件，与传统的榫连式叶盘相比，它的叶片与轮盘加工成一体结构，不仅减轻了发动机转子的重量，而且增加发动机工作效率，显著提高了发动机的推重比。

与传统叶盘相比，整体叶盘的轮盘较为轻薄，轮盘与叶片的刚度相差较少，振动的阻尼能力低，因此非常容易发生盘片耦合振动。由于耦合振动的存在，整体叶盘的频率－节径数曲线上会出现“频率转向”现象。在气动载荷阶次激励和基础激励载荷作用下，频率转向区附近由失谐引起的整体叶盘振动局部化现象最为明显，导致少数叶片的振幅和应力水平显著增大，极容易发生振动疲劳破坏甚至导致断裂。因此，在实验室环境下发明一种能够模拟多载荷的整体叶盘振动试验装置，研究多载荷作用下的整体叶盘振动响应是十分必要的。

目前，研究多载荷下整体叶盘振动的试验装置未见报道。本发明提出对整体叶盘各个叶片顺序施加等相位差的正弦激励来模拟气动阶次激励、电磁振动台实现基础激励、压电薄膜同步测试各扇区振动的整体叶盘振动试验装置。整个试验装置简单易行，经济成本低，对于研究阶次激励和基础激励多载荷作用下的整体叶盘振动响应，具有重要的学术意义和工程参考价值。

发明内容

本发明旨在针对现有技术难题，本发明提供一种整体叶盘多载荷振动试验装置，可以实现多载荷的同步施加和振动响应的实时测试。

本发明的技术方案：

一种整体叶盘多载荷振动实验装置，包括机箱、模拟输出板卡、压电陶瓷驱动电源、压电陶瓷激振器、加速度传感器、压电薄膜、数据采集分析仪、上位机、振动台、功率放大器、控制器和模态力锤。

所述的上位机通过以太网输出端连接机箱的以太网输入端，所述模拟输出板卡置于机箱的插槽内组成模拟输出模块，机箱的输出端连接压电陶瓷驱动电源的输入端，压电陶瓷驱动电源的输出端连接多个压电陶瓷激振器。为了降低附加质量的影响、提高压电薄膜测试应变信号的量级，所述压电陶瓷激振器粘贴于整体叶盘结构靠近轮毂的叶根上表面，压电薄膜粘贴于整体叶盘靠近轮毂的叶根下表面。压电薄膜与数据采集分析仪相连，采集的应力应变信号传输给数据采集分析仪，数据采集分析仪的以太网输出端与上位机连接，上位机用于数据采集、参数设置、驱动信号生成。整体叶盘结构通过专用夹具固定在振动台上，振动台依次与功率放大器和控制器相连接。

所述模态力锤置于整体叶盘内环上方，模态力锤的冲击端接触整体叶盘上表面，加速度传感器黏贴于叶盘结构内侧，加速度传感器和模态力锤输出端均连接数据采集分析仪。

所述上位机具备波形调节、频率设置、相位调整、直流分量叠加、过载保护与信号放大倍数调节功能，可以在多个任务或设备间共享时钟和触发，可以产生多通道相位可调的正弦激励信号。

所述的上位机还能够接收来自键盘的中断，必要时便于人为修改参数，或把信息通过显示器接口输出到显示屏，以便进行参数的设置与数据显示和保存。

所述模拟输出板卡与机箱将上位机输出的正弦激励信号转为模拟信号输出，并传输出至压电陶瓷驱动电源。

所述压电陶瓷驱动电源用于放大振动激励信号。

所述压电陶瓷激振器接受压电陶瓷驱动电源传来的信号，基于压电陶瓷的逆压电效应，压电陶瓷激振器随着信号的变化发生变形，进而激励叶片产生振动，对整体叶盘各个叶片顺序施加等相位差的正弦激励来模拟气动阶次激励。

所述加速度传感器用于模态测试中响应信号的采集，通过数据采集分析仪传输给上位机处理，即可获得共振时的节径振型。

所述压电薄膜用于获取整体叶盘结构振动的应变信号，将应变信号转换为电信号，经数据采集分析仪传输给上位机。

所述数据采集分析仪将采集到的信号进行处理，将采集到的响应信号由模拟信号转化为数字信号，并实时传送给上位机。

所述振动台产生基础激励，可实现200-3000Hz范围内的扫频、定频和随机激励，用于模拟整体叶盘相连结构传递过来的基础激励载荷。

一种整体叶盘多载荷振动实验方法，包括步骤如下：

1、对整体叶盘开展模态测试，得到固有频率和振型

1.1：在上位机设置模态测试参数；

1.2：利用模态力锤产生振动激励，加速度传感器实时采集叶盘的振动响应信号，并传送给上位机，通过上位机分析整理后，得到整体叶盘结构的固有频率和模态振型。

1.3结合模态测试数据，绘制整体叶盘的频率－节径数曲线。

2、振动台产生基础激励，压电陶瓷激振器产生行波激励，模拟整体叶盘的多载荷环境。

2.1：调节压电陶瓷驱动电源输出电压，使各通道输出电压一致。

2.2：根据模态测试结果，在控制器中调整振动台的工作参数，设定基础激励的载荷谱，通过功率放大器驱动振动台产生基础激励。

2.3：在上位机中设置各通道激振信号参数，输出具有均匀相位差的正弦激励信号，传递给压电陶瓷激振器产生阶次激励。

2.4：利用压电薄膜实时采集整体叶盘各扇区的振动响应应变信号，并输出至数据采集分析仪。

2.5：数据采集分析仪分析处理后将采集信号上传至上位机，获得整体叶盘耦合振动的振动响应。

本发明的有益效果：

(1)应用前景广泛，具备输出多路相互独立并存在可调相位差的阶次激励信号和可编制载荷谱的基础激励信号，可以灵活模拟整体叶盘多载荷作用下的振动状态。

(2)采用压电陶瓷激振器可实现高频的激励，满足试验系统对高阶、高频振动测试的需求。

(3)价格便宜，性能可靠。与现有实验测试系统相比，整个系统性能优异，制造简单，成本低廉。

附图说明

图1为一种整体叶盘多载荷振动实验装置示意图。

图2为整体叶盘多载荷振动实验测试流程图。

图3为驱动信号生成软件的参数设置界面。

图4为驱动信号生成软件的信号传输程序框图。

图5为驱动信号生成软件的信号调制程序框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种实施方式做详细说明。

如图1为一种整体叶盘多载荷振动实验装置的测试装置示意图。一种整体叶盘多载荷振动实验装置，包括：板卡机箱、模拟输出板卡、压电陶瓷驱动电源、压电陶瓷激振器、加速度传感器、压电薄膜、数据分析采集仪、上位机、振动台、控制器、模态力锤。

所述的上位机通过以太网输出端连接板卡机箱的以太网输入端，所述模拟输出板卡置于板卡机箱的插槽内组成模拟输出模块，其输出端连接电陶瓷驱动电源的输入端，再通过压电陶瓷驱动电源输出端连接多个压电陶瓷激振器。所述压电陶瓷激振器黏贴于整体叶盘结构内侧，压电薄膜黏贴于整体叶盘的叶片表面，压电薄膜采集的应力应变信号传输给数据分析采集仪，数据采集分析仪的以太网输出端与上位机连接，上位机内置数据采集、参数设置、驱动信号生成软件。整体叶盘结构通过支架固定在振动台上，控制器与功率放大器依次与振动台相连接。

所述力锤置于整体叶盘内环上方，模态力锤的冲击端接触整体叶盘上表面，加速度传感器黏贴于叶盘结构内侧，加速度传感器和模态力锤输出端连接数据采集分析仪，数据采集分析仪的以太网输出端连接上位机。

所述的压电陶瓷激振器基于压电效应根据驱动信号产生振动，进而使整体叶盘的局部结构随之产生振动。采用的压电陶瓷激振器与压电薄膜体积与质量很小，对原系统的动力学特性几乎不造成影响。

所述上位机内置LabVIEW程序编辑器，所述上位机自行开发程序用作驱动信号生成软件，程序功能包括波形调节、频率设置、相位调整、直流分量叠加、过载保护与信号放大倍数调节等部分，可以在多个任务或设备间共享时钟和触发，可以产生多通道相位可调的正弦激励信号。所述的上位机还接收来自键盘的中断，必要时便于人为修改参数，或把信息通过显示器接口输出到显示屏，以便进行参数的设置与数据显示和保存。

下面将分别说明具体的实施方式

1、对整体叶盘开展模态测试，得到固有频率和振型

1.1：在上位机的LMS软件中设置模态测试参数；

1.2：利用模态力锤锤击整体叶盘，激励叶盘产生振动激励，加速度传感器实时采集叶盘的振动响应信号；

1.3：振动响应信号通过LMS软件分析分析整理后，得到整体叶盘结构的固有频率和模态振型。

1.4结合模态测试数据，绘制整体叶盘的频率－节径数曲线。

2、振动台产生基础激励(定频、扫频或随机激励)，压电陶瓷激振器产生行波激励，模拟多载荷激励形式，激励整体叶盘产生耦合振动。

2.1：调节压电陶瓷驱动电源输出电压，使各通道输出电压一致。使用绝缘的有机硅胶将压电陶瓷激振器黏贴在整体叶盘结构内环，确保每个压电陶瓷激振器可以对相应子结构产生激励。使用绝缘胶带将压电薄膜黏贴在整体叶盘各个叶片的上表面，用于采集振动响应信号。

2.2：在控制器中设置振动台的工作参数，编制基础激励的载荷谱，通过功率放大器驱动振动台产生基础激励。

2.3：在上位机的信号生成软件上设置频率，调节波形及相位差，通过模拟输出模块输出至压电陶瓷驱动电源，进行放大后施加至压电陶瓷激振器，压电陶瓷激振器产生阶次激励。

2.4：利用压电薄膜实时采集整体叶盘的振动响应信号，并输出至数据采集分析仪。压电薄膜是一种动态应变传感器，当拉伸或弯曲一片压电薄膜，薄膜上下电极表面之间就会产生一个电信号(电荷或电压)，并且同拉伸或弯曲的形变成比例。压电薄膜对动态应力非常敏感，并且极其耐用，可以经受数百万次的弯曲和振动。

2.5：数据采集分析仪分析处理后将采集信号上传至上位机，获得整体叶盘在多载荷下的振动响应。调整振动台基础激励的载荷谱和压电陶瓷激振器的激励阶次，即可获得不同激励阶次和基础激励下整体叶盘的振动响应。

Claims (10)

1.一种整体叶盘多载荷振动实验装置，其特征在于，包括机箱、模拟输出板卡、压电陶瓷驱动电源、压电陶瓷激振器、加速度传感器、压电薄膜、数据采集分析仪、上位机、振动台、功率放大器、控制器和模态力锤；

所述的上位机通过以太网输出端连接机箱的以太网输入端，所述模拟输出板卡置于机箱的插槽内组成模拟输出模块，机箱的输出端连接压电陶瓷驱动电源的输入端，压电陶瓷驱动电源的输出端连接多个压电陶瓷激振器；所述压电陶瓷激振器粘贴于整体叶盘结构靠近轮毂的叶根上表面，压电薄膜粘贴于整体叶盘靠近轮毂的叶根下表面，压电薄膜与数据采集分析仪相连，采集的应力应变信号传输给数据采集分析仪，数据采集分析仪的以太网输出端与上位机连接，上位机用于数据采集、参数设置、驱动信号生成；整体叶盘结构通过专用夹具固定在振动台上，振动台依次与功率放大器和控制器相连接；

所述模态力锤置于整体叶盘内环上方，模态力锤的冲击端接触整体叶盘上表面，加速度传感器黏贴于叶盘结构内侧，加速度传感器和模态力锤输出端均连接数据采集分析仪。

2.根据权利要求1所述的一种整体叶盘多载荷振动实验装置，其特征在于，所述压电陶瓷驱动电源用于放大振动激励信号。

3.根据权利要求1所述的一种整体叶盘多载荷振动实验装置，其特征在于，所述压电陶瓷激振器接受压电陶瓷驱动电源传来的信号，基于压电陶瓷的逆压电效应，压电陶瓷激振器随着信号的变化发生变形，进而激励叶片产生振动，对整体叶盘各个叶片顺序施加等相位差的正弦激励来模拟气动阶次激励。

4.根据权利要求1所述的一种整体叶盘多载荷振动实验装置，其特征在于，所述加速度传感器用于模态测试中响应信号的采集，通过数据采集分析仪传输给上位机处理，即可获得共振时的节径振型。

5.根据权利要求1所述的一种整体叶盘多载荷振动实验装置，其特征在于，所述压电薄膜用于获取整体叶盘结构振动的应变信号，将应变信号转换为电信号，经数据采集分析仪传输给上位机。

6.根据权利要求1所述的一种整体叶盘多载荷振动实验装置，其特征在于，所述数据采集分析仪将采集到的信号进行处理，将采集到的响应信号由模拟信号转化为数字信号，并实时传送给上位机。

7.根据权利要求1所述的一种整体叶盘多载荷振动实验装置，其特征在于，所述振动台产生基础激励，可实现200-3000Hz范围内的扫频、定频和随机激励，用于模拟整体叶盘相连结构传递过来的基础激励载荷。

8.根据权利要求1所述的一种整体叶盘多载荷振动实验装置，其特征在于，所述上位机具备波形调节、频率设置、相位调整、直流分量叠加、过载保护与信号放大倍数调节功能，可以在多个任务或设备间共享时钟和触发，可以产生多通道相位可调的正弦激励信号；所述的上位机还能够接收来自键盘的中断，必要时便于人为修改参数，或把信息通过显示器接口输出到显示屏，以便进行参数的设置与数据显示和保存。

9.根据权利要求1所述的一种整体叶盘多载荷振动实验装置，其特征在于，所述模拟输出板卡与机箱将上位机输出的正弦激励信号转为模拟信号输出，并传输出至压电陶瓷驱动电源。

10.采用权利要求1-9任一所述的一种整体叶盘多载荷振动实验装置的实验方法，其特征在于，包括步骤如下：

(1)、对整体叶盘开展模态测试，得到固有频率和振型；

1.1：在上位机设置模态测试参数；

1.2：利用模态力锤产生振动激励，加速度传感器实时采集叶盘的振动响应信号，并传送给上位机，通过上位机分析整理后，得到整体叶盘结构的固有频率和模态振型；

1.3结合模态测试数据，绘制整体叶盘的频率－节径数曲线；

(2)、振动台产生基础激励，压电陶瓷激振器产生阶次激励，模拟整体叶盘的多载荷环境；

2.1：调节压电陶瓷驱动电源输出电压，使各通道输出电压一致；

2.2：根据模态测试结果，在控制器中调整振动台的工作参数，设定基础激励的载荷谱；

2.3：在上位机中设置各通道激振信号参数，输出具有均匀相位差的正弦激励信号，传递给压电陶瓷激振器产生阶次激励；

2.4：利用压电薄膜实时采集整体叶盘各扇区的振动响应应变信号，并输出至数据采集分析仪；

2.5：数据采集分析仪分析处理后将采集信号上传至上位机，获得多载荷下整体叶盘的振动响应。

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