CN115979561A - 一种管路结构振动疲劳性能的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种管路结构振动疲劳性能的试验方法，涉及力学性能测试表征技术领域，以确定管路结构的振动疲劳曲线数据，为管路结构疲劳分析和寿命评定提供准确的数据来源。所述方法包括：结合振动台对多个试验管路结构进行位移响应测试，确定激励频率；按照预设个数的振动量级对多个试验管路结构进行分组，得到预设组数的试验管路结构组；确定应力响应和时间的变化关系；对每组试验管路结构组进行振动激励试验，获得每个振动量级对应的应力响应标定值；基于每个应力响应和时间的变化关系的目标振动参数值，对每组试验管路结构组中的所有试验管路结构分别进行振动激励试验，确定试验管路结构发生疲劳破坏时对应的疲劳寿命参数。

Description

一种管路结构振动疲劳性能的试验方法

技术领域

本发明涉及力学性能测试表征技术领域，尤其涉及一种管路结构振动疲劳性能的试验方法。

背景技术

液体火箭发动机在使用过程中会承受复杂的振动环境载荷，通常包括发动机运输过程中产生的随机振动载荷、发动机工作中燃烧产生的振动载荷、涡轮泵旋转过程产生的周期振动载荷以及发动机起动和关机过程中的瞬态振动载荷等，在这些振动环境载荷持续作用下，发动机结构会产生疲劳损伤。作为发动机的“心血管”，管路系统起着重要的作用，而管路系统一旦疲劳开裂或失效将直接影响发动机的性能和结构安全。因此，在发动机设计或者服役中需要重点关注管路类结构的疲劳问题，以及对管路类结构进行疲劳寿命分析评估。

疲劳S-N曲线（应力-寿命曲线）等基础性能数据是疲劳分析与寿命评估的主要数据之一。在现有的疲劳分析中，通常使用材料在静态或准静态加载下的S-N曲线，该种类型的S-N曲线不考虑载荷的动态效应。而管路结构在机械振动，尤其是共振情况下的疲劳与传统静态或准静态疲劳不同。首先，静态加载下的应力与振动载荷下的应力的含义不同，振动力学中与结构质量和阻尼相关的力产生的应力在静力加载中未能体现；其次，准静态S-N曲线通常以远场的名义应力和应力集中系数进行应力S表征，然而在振动载荷下，尤其发生共振而产生疲劳时，管路结构的振动形态复杂，疲劳细节应力难以与远场应力建立普遍的定量关系，直接套用准静态S-N曲线进行寿命评估不合适；再次，现有的准静态材料S-N曲线主要通过板材、棒材等标准试样的试验获得，而管路结构与标准试样结构的形状以及尺寸存在明显差异，两者应力状态的分布也不相同。因此，传统基于材料标准试样得到的准静态疲劳性能曲线，与管路真实结构在振动载荷下的疲劳性能曲线必然存在差异。目前，传统准静态S-N曲线试验方法已无法满足越来越突出的管路振动疲劳分析需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种管路结构振动疲劳性能的试验方法，以确定管路结构的振动疲劳曲线数据，为管路结构疲劳分析和寿命评定提供准确的数据来源。

为了实现上述目的，本发明提供一种管路结构振动疲劳性能的试验方法，所述方法包括：

结合振动台对多个试验管路结构进行位移响应测试，确定试验管路结构对应的激励频率；

按照预设个数的振动量级对多个试验管路结构进行分组，得到预设组数的试验管路结构组；

确定多个振动量级和多个试验管路结构组一一对应的应力响应和时间的变化关系；

对每组试验管路结构组进行振动激励试验，获得每个振动量级对应的应力响应标定值；

基于每个应力响应和时间的变化关系的目标振动参数值，对每组试验管路结构组中的所有试验管路结构分别进行振动激励试验，分别确定试验管路结构发生疲劳破坏时对应的疲劳寿命参数；

基于每组试验管路结构组对应的多个疲劳寿命参数，结合每个振动量级对应的应力响应标定值，确定试验管路结构的疲劳寿命参数和应力的对应关系。

采用上述技术方案的情况下，在确定试验管路结构后，结合振动台对多个试验管路结构进行位移响应测试，可以确定试验管路结构的激励频率。之后，按照实际情况预设多个振动量级，并按照振动量级对多个试验管路结构进行分组，以得到预设组数的试验管路结构组，并确定每个振动量级和试验管路结构组一一对应的应力响应和时间的变化关系。对每组试验管路结构组分别进行振动激励试验，可以确定每个振动量级对应的应力响应标定值，从而完成对应力响应的标定。基于每个应力响应和时间的变化关系的目标振动参数值，对每组试验管路结构组中的所有试验管路结构分别进行振动激励试验，可以确定试验管路结构发生疲劳破坏时对应的疲劳寿命参数。基于每组试验管路结构组对应的多个疲劳寿命参数，并结合每个振动量级对应的应力响应标定值，能够确定试验管路结构的疲劳寿命参数和应力的对应关系，从而利用试验管路结构的疲劳寿命参数和应力的对应关系，表征发动机的实际管路结构的振动疲劳寿命曲线，可以真实反应管路结构的疲劳性能，为实际管路结构疲劳分析和寿命评定提供准确的数据来源，提高了管路类结构的疲劳性能分析的准确性和有效性。此外，在本发明中，试验管路结构具有形式简单、可设计性、重复性强等优势，相比实际管路结构更容易实现振动台加载，且通过利用试验管路结构表征发动机的实际管路结构，还可以显著降低试验成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，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为本发明实施例中提供的一种管路结构振动疲劳性能的试验方法的流程图；

图2为本发明实施例中提供的另一种管路结构振动疲劳性能的试验方法的流程图；

图3为本发明实施例中提供的试验管路结构的结构示意图；

图4为本发明实施例中提供的对初始试验管路结构进行优化的流程图；

图5为本发明实施例中提供的振动台以及位移响应测试系统的结构示意图；

图6为本发明实施例中试验管路结构的应力响应和时间的变化关系示意图；

图7为本发明实施例中每个振动量级与对应的应力响应的关系曲线示意图；

图8为本发明实施例中位移响应与对应的应力响应的关系曲线示意图；

图9为本发明实施例中正弦定频激励试验的试验频率跟随示意图；

图10为本发明实施例中窄带随机激励试验的窄带激励谱示意图；

图11为本发明实施例提供的振动疲劳S-N曲线示意图。

附图标记：

1-试验管路结构，         2-振动台，

3-位移响应测试系统，     11-非考核段，

12-考核段，              111-配重段，

112-上过渡段，           113-下过渡段，

114-连接段。

实施方式

为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在本发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。例如，第一阈值和第二阈值仅仅是为了区分不同的阈值，并不对其先后顺序进行限定。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。

需要说明的是，本发明中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

本发明中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项（个）”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项（个）或复数项（个）的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项（个），可以表示：a，b，c，a和b的结合，a和c的结合，b和c的结合，或a、b和c的结合，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

S-N曲线作为基础性能数据，是疲劳分析与寿命评估的重要依据之一。传统疲劳分析时，通常使用材料在静态或准静态加载下的S-N曲线。管路结构在机械振动，尤其是共振情况下的疲劳与传统静态或准静态疲劳不同。当使用准静态的S-N曲线进行管路结构在振动载荷下的疲劳寿命分析时，存在以下几点突出的问题：

第一，静态加载下的应力与振动载荷下的应力的含义不同，振动力学中与结构质量和阻尼相关的力产生的应力在静力加载中不能体现。

第二，准静态S-N曲线通常以远场的名义应力和应力集中系数进行应力S表征，疲劳考核部位的细节应力与远场应力的定量关系容易确定，因此准静态S-N曲线在传统疲劳问题处理中具有普遍适用性，然而在振动载荷下，尤其发生共振而产生疲劳时，管路结构的疲劳细节应力无法通过远场应力建立普遍的定量关系，利用准静态S-N曲线难以进行准确寿命评估。

第三，传统的准静态材料S-N曲线主要通过板材、棒材等标准试样的试验获得，但对于管路结构，尤其是通径较小的管路结构而言，管路结构的形状以及尺寸与标准试样结构存在明显差异，两者应力状态的分布也不相同，导致最终的疲劳性能曲线必然存在差异。

鉴于此，本发明实施例提供一种管路结构振动疲劳性能的试验方法，以确定管路结构的振动疲劳曲线数据，从而为管路结构疲劳分析和寿命评定提供准确的数据来源。

如图1所示，本发明实施例提供的管路结构振动疲劳性能的试验方法包括：

S101：结合振动台对多个试验管路结构进行位移响应测试，确定试验管路结构对应的激励频率。

在本申请中，试验管路结构是根据实际管路结构确定的模拟试验件，当基于实际管路结构的参数设计出试验管路结构后，可以将试验管路结构固定在振动台上，结合位移响应测试系统，完成试验管路结构的位移响应测试，从而确定试验管路结构的振动激励试验时的激励频率。

S102：按照预设个数的振动量级对多个试验管路结构进行分组，得到预设组数的试验管路结构组。

具体的，可以按照振动量级的不同对多个试验管路结构进行分组，例如，当设定6个不同的振动量级时，相应的，应该有6个不同的试验管路结构组，每组试验管路结构组中的每个试验管路结构对应的振动量级是一致的。可以理解的是，振动量级的个数以及每组实验管路结构组中试验管路结构的数量可以根据实际需求进行设定，本发明实施例对此不做具体限定。

S103：确定多个振动量级和多个试验管路结构组一一对应的应力响应和时间的变化关系。

具体的，可以分别对每个振动量级对应的试验管路结构组进行应力摸底，从而确定在每个振动量级下，试验管路结构的应力响应的变化过程，也即每个振动量级和试验管路结构组对应的应力响应和时间的变化关系。

S104：对每组试验管路结构组进行振动激励试验，获得每个振动量级对应的应力响应标定值。

具体实施时，可以按照激励频率以及振动量级，分别对每组试验管路结构组进行振动激励试验，以使得可以确定每个振动量级与试验管路结构的应力响应的对应关系，从而获得每个振动量级对应的应力响应标定值。

S105：基于每个应力响应和时间的变化关系的目标振动参数值，对每组试验管路结构组中的所有试验管路结构分别进行振动激励试验，分别确定试验管路结构发生疲劳破坏时对应的疲劳寿命参数。

在本申请中，目标振动参数值包括稳定段对应的振动参数值。基于此，当确定每个应力响应和时间的变化关系后，即可以获得应力响应随着时间变化的曲线，其稳定段对应的振动参数值即为振动激励试验控制振动的限幅依据，使得振动激励试验过程中，试验管路结构的应力响应稳定或者变化波动在很小的范围内，以进一步对应力响应进行准确量化，提高应力响应参数的准确性。当确定试验管路结构发生疲劳破坏时，对应的疲劳时间与试验管路结构的特征频率的拟合参数，即为试验管路结构发生疲劳破坏时对应的疲劳寿命参数。

S106：基于每组试验管路结构组对应的多个疲劳寿命参数，结合每个振动量级对应的应力响应标定值，确定试验管路结构的疲劳寿命参数和应力的对应关系。

具体的，由于每组试验管路结构组与每个振动量级一一对应，且每组试验管路结构组中包括多个试验管路结构，每个试验管路结对应一个疲劳寿命参数，可以对每组试验管路结构组对应的多个疲劳寿命参数，以及每个振动量级对应的应力响应标定值进行拟合计算，最终确定试验管路结构的疲劳寿命参数和应力的对应关系，也即确定了试验管路结构的振动疲劳寿命曲线。基于此，根据试验管路结构的振动疲劳寿命曲线，可以为实际管路结构疲劳分析和寿命评定提供准确的数据来源，进而提高管路类结构的振动疲劳性能分析的准确性和有效性。

与现有技术相比，本发明实施例提供的管路结构振动疲劳性能的试验方法，在确定试验管路结构后，结合振动台对多个试验管路结构进行位移响应测试，可以确定试验管路结构的激励频率。之后，按照实际情况预设多个振动量级，并按照振动量级对多个试验管路结构进行分组，以得到预设组数的试验管路结构组，并确定每个振动量级和试验管路结构组一一对应的应力响应和时间的变化关系。对每组试验管路结构组分别进行振动激励试验，可以确定每个振动量级对应的应力响应标定值，从而完成对应力响应的标定。基于每个应力响应和时间的变化关系的目标振动参数值，对每组试验管路结构组中的所有试验管路结构分别进行振动激励试验，可以确定试验管路结构发生疲劳破坏时对应的疲劳寿命参数。基于每组试验管路结构组对应的多个疲劳寿命参数，并结合每个振动量级对应的应力响应标定值，能够确定试验管路结构的疲劳寿命参数和应力的对应关系，从而利用试验管路结构的疲劳寿命参数和应力的对应关系，表征发动机的实际管路结构的振动疲劳寿命曲线，可以真实反应管路结构的振动疲劳性能，为实际管路结构疲劳分析和寿命评定提供准确的数据来源，提高了管路类结构的疲劳性能分析的准确性和有效性。此外，在本发明实施例中，试验管路结构具有形式简单、可设计性、重复性强等优势，相比实际管路结构更容易实现振动台加载，且通过利用试验管路结构表征发动机的实际管路结构，还可以显著降低试验成本。

如图2所示，本发明实施例还提供另一种管路结构振动疲劳性能的试验方法，所述方法包括：

S201：确定初始试验管路结构。

具体的，如图3所示，试验管路结构1包括考核段12和非考核段11。考核段12和非考核段11可以通过整体机加工或者焊接连接成为初始试验管路结构，本发明实施例不做具体限定。

可选的，可以确定初始试验管路结构的考核段12，考核段12的表征参数与目标管路结构的目标段的表征参数一致，进一步的，可以基于初始试验管路结构的激励频率预设范围、考核段12的应力响应预设范围以及振动台2的尺寸参数，确定初始试验管路结构的非考核段11。

应理解，目标管路结构即为发动机的实际管路结构，目标段即为实际管路结构的疲劳关注部位，例如管路焊接区、管路应力集中区、弯路弯折区或者管路其他连接区。

具体实施时，首先，需要根据实际管路结构的疲劳关注部位，确定初始试验管路结构的考核段12。考核段12的材料、结构形状、基本尺寸、加工工艺等表征参数应该与发动机实际管路结构的疲劳关注部位的状态保持一致。

然后，根据初始试验管路结构的激励频率预设范围、考核段12的应力响应预设范围以及振动台2的连接尺寸，对非考核段11进行设计，确定非考核段11的材料、结构形状、基本尺寸、加工工艺等表征参数。

示例性的，可以设定初始试验管路结构的激励频率预设范围处于200赫兹（Hz）~1000Hz之间，以免激励频率过低导致试验周期变长，激励频率过高会增大初始试验管路结构的设计难度。可以理解的是，根据激励频率的预设范围，初始试验管路结构疲劳寿命循环次数约在10⁵~10⁸之间，在相同的应力水平下，当激励频率提高一倍，试验周期也会减少一半。

如图3所示，非考核段11包括配重段111和过渡段。

其中，配重段111用于增加试验管路结构1的质量，以在振动加载过程中提供足够大的惯性力，从而保证考核段12的应力S水平足够大。同时起到调节试验管路结构1固有频率的作用，保证试验时间在合理的范围内，且在振动台2的加载频率范围内。在实际中，可以在配重段111的头部设置M5~M10范围的螺纹连接接口，用于安装外加质量块，以调整初始试验管路结构的应力响应和频率，其中，M5表示螺纹的外径为5毫米（mm），M10表示螺纹的外径为10mm。此外，在配重段111的头部还需要设置用于激光位移测试等非接触测试的测点平面区域，例如面积大小满足10mm×10mm的平面。可以理解的是，配重段111的头部平面区域以及螺纹的连接接口尺寸可以根据实际情况进行设置，本发明实施例对此不做具体限定。

过渡段包括上过渡段112、下过渡段113和连接段114，配重段111、上过渡段112、考核段12、下过渡段113以及连接段114依次连接。上过渡段112和下过渡段113用于将初始试验管路结构与试验夹具连接，连接段114用于与振动台2固定连接。连接段114的尺寸参数应该至少与振动台2的连接口的尺寸参数相匹配。

S202：通过调整初始试验管路结构的结构参数，确定满足预设条件的初始试验管路结构为试验管路结构1，其中，预设条件包括试验管路结构1的非考核段11的应力响应水平小于试验管路结构1的考核段12的应力响应水平。

可以理解的是，在调整质量的同时，初始试验管路结构的整体刚度也会随之变化，因此也会起到调节初始试验管路结构固有频率的作用。

鉴于此，如图4所示，本发明实施例还提供一种对初始试验管路结构进行优化的方法。

示例性的，非考核段11包括配重段111和过渡段，分别调整配重段111与过渡段的长度和壁厚，以及配重段111的质量，直至初始试验管路结构的非考核段11的应力响应水平小于初始试验管路结构的考核段12的应力响应水平，确定调整后的初始试验管路结构为试验管路结构1。

具体实施时，首先，根据步骤S201确定的结构形式，以配重段111、上过渡段112和下过渡段113的结构参数（主要包括长度、厚度等）为优化变量，以初始试验管路结构的一阶固有频率为优化目标进行模态分析类型下的结构参数优化，在此基础上，主要以配重段111的质量为优化变量进行一阶固有频率f1和考核段12的动应力响应S为多优化目标进行模态分析和动响应分析类型下的结构参数优化，根据优化后的结构参数进行试验管路结构1详细结构设计。之后，以非考核段11和考核段12的应力响应水平为判断标准，确保非考核段11的应力响应水平低于考核段12的应力响应水平。当非考核段11应力响应大于考核段12应力响应时，应对非考核段11进行结构加强和重新设计，直至满足要求。最后，根据最终结构进行试验件加工制造。

在实际中，动力学参数优化可使用Optistruct或者MSC.Nastran等商用CAE软件实现。

如图3所示，以下为模拟某型常温液体火箭发动机管路焊接接头的焊缝疲劳部位，在确定了考核段12结构尺寸后，通过动力学参数优化的参数结果可以包括：

配重段111：直径ϕ1=42mm，高度h1=35mm；

上过渡段112：直径ϕ 2=34mm，高度h2=20mm，高度h3=40mm；

考核段12：高度h4=12mm；

下过渡段113：高度h5=25mm；

连接段114：直径ϕ4=55mm，高度h6=28mm，直径ϕ 3=42mm。

应注意，上述参数结果仅用于示例，本发明实施例对此不做具体限定。

S203：在试验管路结构1固定至振动台2上时，对试验管路结构1进行位移响应测试，确定试验管路结构1的一阶固有频率。

S204：基于一阶固有频率，确定对试验管路结构1进行振动激励试验时的激励频率。

请参阅图5，示例出了振动台以及位移响应测试系统的结构示意图，以对试验管路结构1进行位移响应测试。

具体实施时，将试验管路结构1固定安装在振动台2上，位移响应测试系统3包括激光位移传感器以及用于分析信号的动态信号分析仪。布置激光位移传感器对配重段111的固定点进行位移测量。在动态信号分析仪中设置位移采集模式为AC，即采集交流信号。之后，给振动台2施加频率为20 Hz~2000Hz、幅值为0.2g的正弦扫频，其中g表示重力加速度，获得位移响应测试信号，根据峰值法识别试验管路结构1的一阶固有频率，即在幅频响应曲线上，位移响应最大的频率点为试验管路结构1的一阶固有频率。

此外，也可以通过在配重段111布置加速度传感器，通过正弦扫频试验采集加速度响应信号，根据加速度幅频响应曲线依据峰值法识别试验管路结构1的一阶固有频率。但当试验管路结构1的尺寸较小时，布置加速度传感器会带来附加质量，会对测试结果产生影响，采用激光位移传感器进行位移测试可避免传统加速度传感器等接触式测试带来的附加质量。在实际中，可以根据试验管路结构1的具体设计参数选择合适的方法确定试验管路结构1的一阶固有频率，本发明实施例对此不做具体限定。

应注意，上述实施例中的振动激励试验包括正弦定频激励试验或窄带随机激励试验，当振动激励试验为正弦定频激励试验时，正弦定频激励试验的激励频率与试验管路结构1的一阶固有频率一致；当振动激励试验为窄带随机激励试验，窄带随机激励试验的中心频率与一阶固有频率一致，频率宽度通常为50 Hz ~100Hz。

S205：按照预设个数的振动量级对多个试验管路结构进行分组，得到预设组数的试验管路结构组。

具体的，可以按照振动量级的不同对多个试验管路结构进行分组，例如，当设定6个不同的振动量级时，相应的，应该有6个不同的试验管路结构组，每组试验管路结构组中的每个试验管路结构对应的振动量级是一致的。可以理解的是，振动量级的个数以及每组实验管路结构组中试验管路结构的数量可以根据实际需求进行设定，本发明实施例对此不做具体限定。

S206：确定每组试验管路结构组中的目标试验管路结构。

可以理解的是，由于试验管路结构组中均为相同的试验管路结构，上述目标试验管路结构为每组试验管路结构组中的任一试验管路结构，也即可以在试验管路结构组中任选一个试验管路结构作为当前组的目标试验管路结构。

S207：根据激励频率分别对多个目标试验管路结构进行振动激励试验，得到与多个振动量级一一对应的试验管路结构的应力响应和时间的变化关系。

具体实施时，按照振动量级的预设个数，对试验管路结构进行分组后，每组试验管路结构组设定振动量级，分别在每组试验管路结构组中选择其中一件进行应力响应摸底试验，即选取其中一件进行振动激励试验，直至目标试验管路结构发生疲劳破坏，确定试验管路结构的应力响应和时间的变化关系，如图6所示。可以理解的是，图6仅示例出了其中一个振动量级下，试验管路结构的应力响应和时间的变化关系曲线，当设定振动量级为6级时，应该至少获得6组试验管路结构的应力响应和时间的变化关系曲线。

例如，当振动激励试验为正弦定频激励试验时，正弦定频激励试验的激励频率与一阶固有频率一致，通过正弦定频激励试验，得到在正弦定频激励开始直至疲劳破坏的过程中，目标试验管路结构的考核段的应力响应变化过程，最后得到与每个振动量级一一对应的试验管路结构的应力响应和时间的变化关系。

当振动激励试验为窄带随机激励试验时，窄带随机激励试验的中心频率与一阶固有频率一致，频率宽度通常为50Hz ~100Hz，通过窄带随机激励试验，得到在窄带随机激励开始直至疲劳破坏的过程中，目标试验管路结构的考核段的应力响应变化过程，最后得到与每个振动量级一一对应的试验管路结构的应力响应和时间的变化关系。

请参阅图6，横轴表示时间，纵轴表示应力响应S或者加速度响应A，随着时间的变化，应力响应S或者加速度响应A会趋于稳定。

在应力响应摸底试验时，可以通过在考核段粘贴应变片以获得应变值ε，然后根据单向应力状态假设，通过弹性力学公式σ=Eε得到应力值σ。

或者，还可以通过非接触测试手段进行位移测量，之后，根据弹性力学公式计算得到应变值ε=（ue-u0）/u0，再根据单向应力状态假设得到应力值σ。

其中，σ为管路轴向应力，E为材料弹性模量，ε为管路轴向应变。ue为振动激励加载时刻的试验管路结构的轴向位移，u0为初始时刻试验管路结构的轴向位移。

S208：对每组试验管路结构组进行振动激励试验，获得每个振动量级对应的应力响应标定值。

示例性的，对每组试验管路结构组按照设定的振动量级，进行正弦定频激励试验，获得每个振动量级与试验管路结构的考核段的应力响应的对应关系，并以正弦定频激励试验的幅值对应力响应进行标定，最终确定每个振动量级对应的应力响应标定值。

或者，对每组试验管路结构组按照设定的振动量级，进行窄带随机激励试验，获得每个振动量级与试验管路结构的考核段的应力响应的对应关系，并以均方根值（Root MeanSquare，RMS）对应力响应进行标定，最终确定每个振动量级对应的应力响应标定值。

在对应力响应进行标定后，获得如图7和图8所示的关系曲线示意图。

请参阅图7，图7示意出了每个振动量级与对应的应力响应的关系曲线图，横轴表示振动量级C_input的大小，纵轴表示应力响应S的大小，通过图7可知，当振动量级C_input越大，应力响应S也越大。当振动量级增加到一定程度后，应力响应的变化趋于平稳。

图8示例出了位移响应与对应的应力响应的关系曲线示意图，横轴表示位移响应D的大小，纵轴表示应力响应S的大小，通过图8 可知，位移响应D与应力响应S为线性关系。

S209：基于每个应力响应和时间的变化关系的目标振动参数值，对每组试验管路结构组中的所有试验管路结构分别进行振动激励试验，分别确定试验管路结构发生疲劳破坏时对应的疲劳寿命参数。

如图6所示，当应力响应趋于稳定时，稳定段对应搞得振动参数值即为目标振动参数值，以目标振动参数值对试验管路结构进行振动激励试验，可以使得应力响应更稳定，且试验结果的准确度更高。

示例性的，当振动激励试验为正弦定频激励试验时，上述步骤209的具体实现过程可以包括以下子步骤：

子步骤A1：基于每个应力响应和时间的变化关系的目标振动幅值，确定正弦定频激励试验的振动控制幅值。

子步骤A2：基于振动控制幅值，对每组试验管路结构进行正弦定频激励试验。

子步骤A3：当每组试验管路结构的振动响应频率或振动响应幅值在预设时间段内变化率大于第一预设变化率时，分别确定试验管路结构对应的疲劳寿命参数。

具体实施时，根据图6中应力响应和时间的变化关系曲线稳定段对应的振动幅值S_limit或者加速度响应的幅值A_limit，确定目标振动幅值，控制正弦定频激励试验的振动控制幅值无限接近目标振动幅值，使得考核段的应力响应保持稳定或者变化波动小于5%，从而确保应力响应S量化的准确性。

如图9所示，正弦定频激励试验采用固有频率跟随的方法对试验管路结构进行振动激励试验加载，i时刻的正弦定频频率即为当前时刻的共振峰。当正弦定频频率随着时间i发生偏移时，i时刻的共振峰也随之发生偏移。

根据确定的振动控制幅值，对每组试验管路结构进行正弦定频激励试验，当试验管路结构的振动响应频率或振动响应幅值在发生快速降低时，则确定试验管路结构发生疲劳破坏，从试验开始直至发生疲劳破坏的时间即为该试验管路结构对应的疲劳试验时间，也即疲劳寿命参数。

示例性的，当振动激励试验为窄带随机激励试验时，上述步骤209的具体实现过程可以包括以下子步骤：

子步骤B1：基于每个应力响应和时间的变化关系的目标功率谱密度值，确定窄带随机激励试验的振动控制幅值；

子步骤B2：基于振动控制幅值，对每组试验管路结构进行窄带随机激励试验。

子步骤B3：当试验管路结构的振动响应功率谱密度曲线的中心频率在预设时间段内变化率大于第二预设变化率时，或者振动响应的均方根值在预设时间段内变化率大于第三预设变化率时，分别确定试验管路结构对应的疲劳寿命参数。

具体实施时，根据图6中应力响应和时间的变化关系曲线稳定段对应的应力响应的幅值S_limit或者加速度响应的幅值A_limit，确定目标功率谱密度值，控制窄带随机激励试验的振动控制幅值接近目标功率谱密度值，使得考核段的应力响应保持稳定或者变化波动小于5%，从而确保应力响应S量化的准确性。

如图10所示，窄带随机激励试验以一阶固有频率为中心频率，以完全覆盖共振峰的频率宽度（如50Hz~100Hz）的平直谱进行随机振动激励试验加载。其纵轴表示加速度功率谱密度，单位是g²/Hz，g表示重力加速度，横轴表示频率，单位是Hz。

根据确定的振动控制幅值，对每组试验管路结构进行窄带随机激励试验，当试验管路结构的振动响应功率谱密度曲线的中心频率发生快速偏移，或者，振动响应的均方根值发生快速下降时，则确定试验管路结构发生疲劳破坏，从试验开始直至发生疲劳破坏的时间即为该试验管路结构对应的疲劳试验时间，也即疲劳寿命参数。

上述第一预设变化率、第二预设变化率以及第三预设变化率可以相等，也可以不相等，本发明实施例对此不做具体限定。

S210：基于每组试验管路结构组对应的多个疲劳寿命参数，结合每个振动量级对应的应力响应标定值，确定试验管路结构的疲劳寿命参数和应力的对应关系。

在实际中，根据振动激励试验的不同，计算循环次数N的方式也不同。

当振动激励试验为正弦定频激励试验时，计算循环次数N时，将疲劳试验时间T按一定时间间隔分段，得到多个时间段Δt_i，之后将各时间段Δt_i乘以对应时间段的激励频率f_i，对所有时间段进行求和，确定求和后的值即为循环次数，即：N_sine=ΣΔt_if_i。

当振动激励试验为窄带随机激励试验时，计算循环次数N时，将疲劳试验时间T乘以试验开始时刻的中心频率f_m0与试验结束时刻的中心频率f_me的平均值得到，即：N_random=T(f_m0+f_me)/2。

当确定每个试验管路结构的循环次数N后，结合每个振动量级对应的应力响应标定值，对多组试验管路结构组数据进行拟合，最终确定试验管路结构的疲劳寿命参数和应力的对应关系，也即确定了试验管路结构的振动疲劳寿命曲线，如图11所示。

请参阅图11，横轴表示试验管路结构的疲劳寿命N，纵轴表示试验管路结构的动应力，即应力响应S，单位为Mpa。振动疲劳寿命曲线为多组试验管路结构组的数据（以点表示）拟合后得到的。

由此，根据试验管路结构的振动疲劳寿命曲线，可以为实际管路结构疲劳分析和寿命评定提供准确的数据来源，进而提高管路类结构的疲劳性能分析的准确性和有效性。

由上可知，本发明实施例提供的管路结构振动疲劳性能的试验方法中，通过对初始试验管路结构进行设计和动力学优化，获得与实际管路结构的重要特征一致的试验管路结构形式，以试验管路结构表征发动机实际管路结构的疲劳特征，真实反映实际管路结构的疲劳性能。之后，通过正弦定频激励试验或窄带随机激励试验确定试验管路结构的应力响应稳定限幅，保证了疲劳应力稳定。通过应力标定确定试验管路结构考核段的应力响应，利用正弦定频激励试验或窄带随机激励试验持续振动，确定获得试验管路结构考的疲劳试验时间，最终得到试验管路的振动疲劳寿命曲线，为发动机典型管路结构的疲劳分析和寿命评估提供了基础性能数据。

本发明实施例的提供管路结构振动疲劳性能的试验方法，有效克服了使用材料准静态S-N曲线用于振动疲劳分析适应性差，有效性低的问题，试验管路结构不仅能反映实际管路结构的疲劳关注部位的疲劳性能，还具备良好的可设计性，避免了使用实际管路结构时安装难度大、边界难以模拟或者振动台无法加载的情况，可以准确高效获得管路结构的振动疲劳S-N曲线，且操作简单易行，能够显著降低试验成本，提高试验结果有效性，具有简单、经济、高效和可重复性强的特点。

尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”（comprising）一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种管路结构振动疲劳性能的试验方法，其特征在于，包括：

结合振动台对多个试验管路结构进行位移响应测试，确定所述试验管路结构对应的激励频率；

按照预设个数的振动量级对多个所述试验管路结构进行分组，得到预设组数的试验管路结构组；

确定多个所述振动量级和多个所述试验管路结构组一一对应的应力响应和时间的变化关系；

对每组所述试验管路结构组进行振动激励试验，获得每个所述振动量级对应的应力响应标定值；

基于每个所述应力响应和时间的变化关系的目标振动参数值，对每组所述试验管路结构组中的所有试验管路结构分别进行所述振动激励试验，分别确定所述试验管路结构发生疲劳破坏时对应的疲劳寿命参数；

基于每组所述试验管路结构组对应的多个疲劳寿命参数，结合每个所述振动量级对应的所述应力响应标定值，确定所述试验管路结构的疲劳寿命参数和应力的对应关系。

2.根据权利要求1所述的管路结构振动疲劳性能的试验方法，其特征在于，所述确定多个所述振动量级和多个所述试验管路结构组一一对应的应力响应和时间的变化关系包括：

确定每组所述试验管路结构组中的目标试验管路结构；

根据所述激励频率分别对多个所述目标试验管路结构进行所述振动激励试验，得到与多个所述振动量级一一对应的所述试验管路结构的应力响应和时间的变化关系。

3.根据权利要求1所述的管路结构振动疲劳性能的试验方法，其特征在于，所述结合振动台对多个试验管路结构进行位移响应测试，确定所述试验管路结构对应的激励频率，包括：

在所述试验管路结构固定至所述振动台上时，对所述试验管路结构进行所述位移响应测试，确定所述试验管路结构的一阶固有频率；

基于所述一阶固有频率，确定对所述试验管路结构进行振动激励试验时的激励频率。

4.根据权利要求1所述的管路结构振动疲劳性能的试验方法，其特征在于，在所述结合振动台对多个试验管路结构进行位移响应测试，确定所述试验管路结构对应的激励频率之前，所述管路结构振动疲劳性能的试验方法还包括：

确定初始试验管路结构；

通过调整所述初始试验管路结构的结构参数，确定满足预设条件的所述初始试验管路结构为所述试验管路结构，其中，所述预设条件包括所述试验管路结构的非考核段的应力响应水平小于所述试验管路结构的考核段的应力响应水平。

5.根据权利要求4所述的管路结构振动疲劳性能的试验方法，其特征在于，所述试验管路结构包括考核段和非考核段，所述确定初始试验管路结构，包括：

确定所述初始试验管路结构的所述考核段，所述考核段的表征参数与目标管路结构的目标段的表征参数一致；

基于所述初始试验管路结构的激励频率预设范围、所述考核段的应力响应预设范围以及所述振动台的尺寸参数，确定所述初始试验管路结构的非考核段。

6.根据权利要求4所述的管路结构振动疲劳性能的试验方法，其特征在于，所述非考核段包括配重段和过渡段，所述通过调整所述初始试验管路结构的结构参数，确定满足预设条件的所述初始试验管路结构为所述试验管路结构，包括：

分别调整所述配重段与所述过渡段的长度和壁厚，以及所述配重段的质量，直至所述初始试验管路结构的非考核段的应力响应水平小于所述初始试验管路结构的考核段的应力响应水平，确定调整后的所述初始试验管路结构为所述试验管路结构。

7.根据权利要求1所述的管路结构振动疲劳性能的试验方法，其特征在于，所述振动激励试验包括正弦定频激励试验或窄带随机激励试验；

其中，当所述振动激励试验为所述正弦定频激励试验时，所述正弦定频激励试验的激励频率与所述试验管路结构的一阶固有频率一致；

当所述振动激励试验为所述窄带随机激励试验，所述窄带随机激励试验的中心频率与所述一阶固有频率一致。

8.根据权利要求7所述的管路结构振动疲劳性能的试验方法，其特征在于，所述基于每个所述应力响应和时间的变化关系的目标振动参数值，对每组所述试验管路结构组中的所有试验管路结构分别进行所述振动激励试验，包括：

基于每个所述应力响应和时间的变化关系的目标振动幅值，确定所述正弦定频激励试验的振动控制幅值；

基于所述振动控制幅值，对每组所述试验管路结构进行所述正弦定频激励试验；

或，基于每个所述应力响应和时间的变化关系的目标功率谱密度值，确定所述窄带随机激励试验的振动控制幅值；

基于所述振动控制幅值，对每组所述试验管路结构进行所述窄带随机激励试验。

9.根据权利要求7所述的管路结构振动疲劳性能的试验方法，其特征在于，所述振动激励试验包括所述正弦定频激励试验的情况下，所述分别确定所述试验管路结构发生疲劳破坏时对应的疲劳寿命参数，包括：

当每组所述试验管路结构的振动响应频率或振动响应幅值在预设时间段内变化率大于第一预设变化率时，分别确定所述试验管路结构对应的疲劳寿命参数。

10.根据权利要求7所述的管路结构振动疲劳性能的试验方法，其特征在于，在所述振动激励试验包括窄带随机激励试验的情况下，所述分别确定所述试验管路结构发生疲劳破坏时对应的疲劳寿命参数，包括：

当所述试验管路结构的振动响应功率谱密度曲线的中心频率在预设时间段内变化率大于第二预设变化率时，或者振动响应的均方根值在预设时间段内变化率大于第三预设变化率时，分别确定所述试验管路结构对应的疲劳寿命参数。

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