CN112710551A - 一种复合材料叶片静强度试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合材料叶片静强度试验装置，包括方箱、固定在方箱上的固定法兰、支撑架、固定在支撑架上的根部固定件、多个与叶片叶身分割成的截面个数相同的具有与所夹紧叶片处的截面形状完全匹配的型腔的仿形夹具和固定在各仿形夹具的底面上的吊环螺钉、能在每个仿形夹具下端施加力的加载工装。本发明只加载一个力就能达到静强度试验目的，无需调节加载的力，操作简单方便；其结构简单，成本低，试验准确度高，试验效率高。

Description

一种复合材料叶片静强度试验装置
技术领域
本发明涉及一种复合材料叶片静强度试验装置。
背景技术
为了保证生产出来的叶片满足所需要的强度和刚度，需要对所生产出来的每片叶片均进行静强度试验。
通常，前期静强度分析都是人为的将叶片叶身按照一定的距离分成几个截面，通过各类软件的拟合，将分散在叶片上表面的力拟合在这几个截面上，达到符合实际叶片受力的情况要求。现有的静强度试验中，一般是在前期的静强度分析中将叶片的叶身人为分成6个截面，如图1所示，还要分析出在这6个截面上每个截面会受到逆气流方向和旋转方向两个力F逆气流和F旋转的作用，其位置和方向如图2所示，每个截面受到的逆气流方向和旋转方向两个力F逆气流和F旋转等效为F合力，如图3所示。因此，实际加载试验要在6个截面上同时施加12个力对叶片的叶身进行加载，静强度试验装置包括12套加载机构，结构复杂，设备费用昂贵，安装、拆卸时间较长；设备调试过程繁琐，对第1截面按照理论数据加载完成后，再对第2截面进行加载的时候，会对第1截面已调整好的加载数据产生影响，当调整好第1、2截面的加载数据后，再对第3截面进行加载的时候，又会对第1、2截面产生影响……，因此调整过程十分繁琐。因此，简化加载力的数量是静强度试验能否顺利、简便、高效完成的关键环节，研究一种加载更少的力甚至一个力就能达到静强度试验目的，结构简单，试验准确度高，成本低，试验效率高的试验装置是势在必行的。
发明内容
本发明的目的就是解决现有技术中存在的上述问题，提供一种结构简单，成本低，试验准确度高，试验效率高的复合材料叶片静强度试验装置，该试验装置只加载一个力就能达到静强度试验目的，无需调节加载的力，操作简单方便。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种复合材料叶片静强度试验装置，包括方箱、固定法兰、支撑架、根部固定件、多个与按照理论分析将叶片叶身分割成的截面个数相同的仿形夹具和吊环螺钉、能在每个仿形夹具下端施加力的加载工装；
所述固定法兰为几字形，其四周固定安装在方箱安装面的上端部，其中心开有叶根端部的螺纹安装孔；
所述支撑架固定在叶根与叶身连接处的叶根下端，根部固定件固定在支撑架的上端，其上有叶根夹紧固定孔，螺纹安装孔和夹紧固定孔同中心轴；
所述每个仿形夹具包括固定在一起的上夹具和下夹具，上夹具型腔和下夹具型腔形成的整体型腔与所夹紧叶片处的截面形状完全匹配，上夹具型腔和下夹具型腔的分割面为叶身前后缘最大轮廓线的连线；在各下夹具底面的右端切掉一个按照理论分析出的其所夹截面受到逆气流和旋转方向的两个力F逆气流和F旋转等效的F合力与垂直线的夹角的切块，使底面的右端水平面与左端斜面的夹角为F合力与垂直线之间的夹角值，在右端水平面上开中心轴线与右端水平面垂直且与叶片轴线垂直相交的螺纹孔；各吊环螺钉固定在各下夹具底面右端的螺纹孔内；
所述加载工装包括多个上、下开有螺纹孔的竖连接板、多个左、右两端和中间分别开有过孔的横连接板、多组螺栓和螺母；两个竖连接板上、下分别由螺栓螺母间隔距离固定在一起形成有两个铰接轴的铰接件；下端的横连接板中间通过其中一个铰接件与其下端的施加竖直拉力的机构相连接，两端分别通过另两个铰接件一端与上端第二层的横连接板的中间连接，另一端与上端第二层的横连接板的中间连接或直接连接吊环螺钉下端的吊环；上端第二层的各横连接板两端分别通过其它两个铰接件靠近装置中心轴一端直接连接吊环螺钉下端的吊环，另一端直接连接吊环螺钉下端的吊环或与上端第三层的横连接板的中间连接；第三层的横连接板的两端分别通过另其它两个铰接件直接连接吊环螺钉下端的吊环。
进一步优选地，所述固定法兰上开有4条U形槽，用置于方箱上的T型安装槽内的螺栓穿过这4条U形槽，由螺母压接固定在一起。U形槽在安装时可以调整安装位置，便于安装。
进一步优选地，所述根部固定件包括下端有半圆夹紧固定孔的上固定件和上端有半圆夹紧固定孔下固定件；两条长条螺钉穿过上固定件的过孔内固定在下固定件的螺纹孔内；下固定件两端通过两组螺栓和螺母固定在支撑架的上端。该结构简单，安装方便，支撑能力及稳定性较高。优选地，所述上固定件和下固定件之间有3mm的间隙，
保证叶根被牢牢安装在根部固定件上。
进一步优选地，夹紧叶片叶身时，在所述每个仿形夹具的上夹具型腔和下夹具型腔内分别垫有3mm的弹性橡胶垫。这层橡胶垫将上、下夹具型腔与叶身隔开不但保护叶身不受仿形夹具的磕碰，而且将仿形夹具的上、下夹具隔开一定距离，保证上、下夹具的夹紧效果。
针对现有技术中的实际问题，首先，我们可对截面的数量进行优化，由初期的6个截面拟合成更少的截面，比如3个、4个或5个截面，也可继续保持6个截面，并在计算机上模拟试验过程中实际的受力状态，保证理论上满足实际叶片的受力情况，通过这样的拟合，截面数量越少，加载力的数量越少，比如将12个力减少到6个、8个、10个力，也可保留12个。其次，我们将每个截面所受的两个力合成为一个通过叶片自身轴线的合力F合力，F合力与竖直线有一夹角，如图3所示，实际加载试验，我们只要施加一个F合力就能达到在这个截面上施加逆气流方向和旋转方向两个力的作用的目的，通过这步简化，我们将加载力又简化了一半，6个、8个、10个和12个力分别减少到了3个、4个、5个和6个。最后，我们研究了一个加载工装，最终将对各个截面的F合力力合成为1个力。彻底解决了加载力时对设备调试过程的繁琐过程。
作静强度试验时，只要将叶片的叶根螺纹拧接在固定法兰的螺纹安装孔，叶根与叶身连接处被支撑架上端的根部固定件夹紧固定，各仿形夹具夹紧在叶身所要求夹紧的截面上即安装好，按照各截面所要求施加拉力的大小，调整加载工装各横连接板中间铰接件的位置，用施加竖直拉力的机构施加拉力即可完成静强度试验。
本发明只加载一个力就能达到静强度试验目的，操作简单方便；结构简单，成本低，试验准确度高，试验效率高。通过发明对叶片的实际加载试验，测量出叶片的实际变形量，该变形量与设计初期所计算出来的变形量基本一致，并且采用本发明工装加载力测量的试验产品已在试验现场运转一年，没有任何质量问题，完全满足用户要求。
附图说明
图1为静强度分析中将叶片的叶身人为分成6个截面的结构示意图；
图2为在叶片叶身的一个截面上施加两个力的结构示意图；
图3为在叶片叶身的一个截面上施加的两个力等效一个合力的结构示意图；
图4为本发明的主视图；
图5为本发明中固定法兰的主视图；
图6为图5的AA剖视图；
图7为本发明中根部固定件主视剖视图；
图8为本发明中第一个截面的仿形夹具的结构示意图；
图9为本发明中第二个截面的仿形夹具的结构示意图；
图10为本发明中第三个截面的仿形夹具的结构示意图；
图11为图4的A向结构示意图；
图12为本发明中加载工装第一种实施例的主视图；
图13为本发明中加载工装第一种实施例的左视图；
图14为本发明中加载工装中竖连接板的主视图；
图15为本发明中加载工装中横连接板的主视图；
图16为本发明中加载工装第二种实施例的主视图；
图17为本发明中加载工装第三种实施例的主视图；
图18为本发明中加载工装第四种实施例的主视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。
实施例1，首先，我们对截面的数量进行优化，由6个截面拟合成三个的截面，并在计算机上模拟试验过程中实际的受力状态，保证理论上满足实际叶片的受力情况，通过这样的拟合，截面数量减少了一半，试验所要加载的12个力简化为6个力。其次，我们将每个截面所受的逆气流方向和旋转方向两个力F逆气流和F旋转合成为一个F合力，该F合力的反向延长力正好与叶片轴线垂直相交。设定第一个截面的F合力与竖直线的夹角称为α角，第二个截面的F合力与竖直线的夹角称为β角，第三个截面的F合力与竖直线的夹角称为γ角，通过这步简化，由6个力简化到3个力。最后，我们研究了一种加载工装，最终将这些F合力力合成为1个力。
如图4至图15所示，本实施例试验装置包括方箱6、固定法兰5、支撑架4、根部固定件1、3个吊环螺钉、3个仿形夹具21、22和23、加载工装3。7为叶根，8为叶身。所述固定法兰5为几字形，其四周固定安装在方箱6安装面的上端部，其中心开有叶根端部的螺纹安装孔52。优选地，所述固定法兰5上开有4条U形槽51，用置于方箱6上的T型安装槽内的螺栓9穿过这4条U形槽51，由螺母10压接固定在一起。所述支撑架4固定在叶根7与叶身8连接处的叶根7下端，根部固定件1固定在支撑架4的上端，其上有叶根夹紧固定孔15，螺纹安装孔52和夹紧固定孔15同中心轴。优选地，所述根部固定件1包括下端有半圆夹紧固定孔的上固定件12和上端有半圆夹紧固定孔下固定件13；两条长条螺钉11穿过上固定件12的过孔内固定在下固定件13的螺纹孔内；下固定件13两端通过两组螺栓14和螺母固定在支撑架4的上端。优选地，所述上固定件12和下固定件13之间有3mm的间隙。
所述每个仿形夹具21、22和23分别包括由连接螺栓211、221和231固定在一起的上夹具214、224、234和下夹具215、225、235，上夹具型腔和下夹具型腔形成的整体型腔与所夹紧叶身处的截面形状完全匹配，上夹具型腔和下夹具型腔的分割面为叶身前后缘最大轮廓线的连线212、222和232。在各下夹具215、225和235底面的右端分别切掉一个按照理论分析出的α、β和γ角的切块，如图8所示，使底面的右端水平面与左端斜面成α、β和γ角，在右端水平面上开中心轴线与右端水平面垂直且与叶片轴线垂直相交的螺纹孔，213、223和233为垂直相交点。吊环螺钉216、226和236由一体的螺钉217、227和237和吊环218、228和238组成；螺钉217、227和237螺纹固定在各下夹具215、225和235底面右端的螺纹孔内。优选地，夹紧叶片叶身时，在所述每个仿形夹具21、22和23的上夹具型腔和下夹具型腔内分别垫有3mm的弹性橡胶垫。
所述加载工装3包括多个上、下开有过孔34的竖连接板31、多个左、右两端和中间分别开有过孔331、333和333的横连接板33、多组螺栓32和螺母35。两个竖连接板31上、下分别由螺栓31和螺母35间隔距离固定在一起形成有两个铰接轴的铰接件。下端的横连接板33中间通过其中一个铰接件与其下端的施加竖直拉力的机构相连接，两端分别通过另两个铰接件一端与上端第二层的横连接板33的中间连接，另一端直接连接吊环螺钉236下端的吊环238。上端第二层的横连接板33两端分别通过其它两个铰接件分别连接吊环螺钉216和226下端的吊环218和228。第二层的横连接板33和下端的横连接板33中间的两个铰接轴可根据施加的力的要求左右移动。加载工装3将拉三个吊环螺钉吊环的力合成为竖直拉力机构施加的一个竖直拉力。这是最佳一个实施例，既能达到要求，试验装置结构最简单。
实施例2，其它分析相同，只是仍保留6个截面。本实施例试验装置的其它结构同实施例1，只是仿形夹具要设计6个截面的仿形夹具，各仿形夹具的结构都同实施例1的；加载工装要设计将6个加载力合成一个拉力的加载工装。如图16所示，下端的横连接板33中间通过其中一个铰接件与其下端的施加竖直拉力的机构相连接，两端分别通过另两个铰接件分别与上端的两个第二层的横连接板33的中间连接。上端第二层的各横连接板33两端分别通过其它两个铰接件靠近装置中心轴一端直接连接吊环螺钉下端的吊环，另一端与上端第三层的横连接板33的中间连接；第三层的横连接板33的两端分别通过另其它两个铰接件直接连接吊环螺钉下端的吊环。加载工装将拉六个吊环螺钉吊环的力合成为竖直拉力机构施加的一个竖直拉力。这个装置结构虽然比现有的结构简单了很多，但6个仿形夹具和复杂的加载工装仍使本装置结构比较复杂。
实施例3，其它分析相同，只是将叶身分割成5个截面。本实施例试验装置的其它结构同实施例1，只是仿形夹具要设计5个截面的仿形夹具，各仿形夹具的结构都同实施例1的；加载工装要设计将5个加载力合成一个拉力的加载工装。如图17所示，下端的横连接板33中间通过其中一个铰接件与其下端的施加竖直拉力的机构相连接，两端分别通过另两个铰接件分别与上端的两个第二层的横连接板33的中间连接。其中一个上端第二层的横连接板33两端分别通过另其它两个铰接件直接连接吊环螺钉下端的吊环，另一个两端分别通过其它两个铰接件靠近装置中心轴一端直接连接吊环螺钉下端的吊环，另一端与上端第三层的横连接板33的中间连接；第三层的横连接板33的两端分别通过另其它两个铰接件直接连接吊环螺钉下端的吊环。加载工装将拉5个吊环螺钉吊环的力合成为竖直拉力机构施加的一个竖直拉力。
实施例4，其它分析相同，只是将叶身分割成4个截面。本实施例试验装置的其它结构同实施例1，只是仿形夹具要设计4个截面的仿形夹具，各仿形夹具的结构都同实施例1的；加载工装要设计将4个加载力合成一个拉力的加载工装。如图18所示，下端的横连接板33中间通过其中一个铰接件与其下端的施加竖直拉力的机构相连接，两端分别通过另两个铰接件分别与上端的两个第二层的横连接板33的中间连接。上端各第二层的横连接板33两端分别通过另其它两个铰接件直接连接吊环螺钉下端的吊环。加载工装将拉4个吊环螺钉吊环的力合成为竖直拉力机构施加的一个竖直拉力。
当然，本发明还有其它多种实施例，在不违背本发明精神和实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于等同技术的改进，属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种复合材料叶片静强度试验装置，其特征在于：包括方箱、固定法兰、支撑架、根部固定件、多个与按照理论分析将叶片叶身分割成的截面个数相同的仿形夹具和吊环螺钉、能在每个仿形夹具下端施加力的加载工装；
所述固定法兰为几字形，其四周固定安装在方箱安装面的上端部，其中心开有叶根端部的螺纹安装孔；
所述支撑架固定在叶根与叶身连接处的叶根下端，根部固定件固定在支撑架的上端，其上有叶根夹紧固定孔，螺纹安装孔和夹紧固定孔同中心轴；
所述每个仿形夹具包括固定在一起的上夹具和下夹具，上夹具型腔和下夹具型腔形成的整体型腔与所夹紧叶片处的截面形状完全匹配，上夹具型腔和下夹具型腔的分割面为叶身前后缘最大轮廓线的连线；在各下夹具底面的右端切掉一个按照理论分析出的其所夹截面受到逆气流和旋转方向的两个力F逆气流和F旋转等效的F合力与垂直线的夹角的切块，使底面的右端水平面与左端斜面的夹角为F合力与垂直线之间的夹角值，在右端水平面上开中心轴线与右端水平面垂直且与叶片轴线垂直相交的螺纹孔；各吊环螺钉固定在各下夹具底面右端的螺纹孔内；
所述加载工装包括多个上、下开有螺纹孔的竖连接板、多个左、右两端和中间分别开有过孔的横连接板、多组螺栓和螺母；两个竖连接板上、下分别由螺栓螺母间隔距离固定在一起形成有两个铰接轴的铰接件；下端的横连接板中间通过其中一个铰接件与其下端的施加竖直拉力的机构相连接，两端分别通过另两个铰接件一端与上端第二层的横连接板的中间连接，另一端与上端第二层的横连接板的中间连接或直接连接吊环螺钉下端的吊环；上端第二层的各横连接板两端分别通过其它两个铰接件靠近装置中心轴一端直接连接吊环螺钉下端的吊环，另一端直接连接吊环螺钉下端的吊环或与上端第三层的横连接板的中间连接；第三层的横连接板的两端分别通过另其它两个铰接件直接连接吊环螺钉下端的吊环。
2.根据权利要求1所述的复合材料叶片静强度试验装置，其特征在于：所述根部固定件包括下端有半圆夹紧固定孔的上固定件和上端有半圆夹紧固定孔下固定件；两条长条螺钉穿过上固定件的过孔内固定在下固定件的螺纹孔内；下固定件两端通过两组螺栓和螺母固定在支撑架的上端。
3.根据权利要求2所述的复合材料叶片静强度试验装置，其特征在于：所述上固定件和下固定件之间有3mm的间隙。
4.根据权利要求1或2或3所述的复合材料叶片静强度试验装置，其特征在于：所述固定法兰上开有4条U形槽，用置于方箱上的T型安装槽内的螺栓穿过这4条U形槽，由螺母压接固定在一起。
5.根据权利要求4所述的复合材料叶片静强度试验装置，其特征在于：夹紧叶片叶身时，在所述每个仿形夹具的上夹具型腔和下夹具型腔内分别垫有3mm的弹性橡胶垫。
6.根据权利要求1或2或3所述的复合材料叶片静强度试验装置，其特征在于：夹紧叶片叶身时，在所述每个仿形夹具的上夹具型腔和下夹具型腔内分别垫有3mm的弹性橡胶垫。
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