CN212158987U - 用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具 - Google Patents
用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型提供了一种用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具,其包括简支夹具和底部垫块,所述简支夹具的上端面开设有一安装凹槽,所述底部垫块设置在所述安装凹槽内,待试验部件安装到所述安装凹槽内,与所述底部垫块接触;所述安装凹槽的底部设置有多个固定件,所述固定件顶紧所述底部垫块的底部;所述安装凹槽的两外侧面上分别设置有多个垫块姿态调整件,所述垫块姿态调整件顶紧所述底部垫块的侧部,用于校准所述底部垫块的位置。本实用新型可以支撑开展大尺寸风扇叶片振动疲劳试验,获取1阶振动疲劳极限以及高阶振动疲劳极限,有效的支撑了整机侧风试验以及适航取证。
Description
技术领域
本实用新型涉及复合材料风扇叶片结构强度设计领域,特别涉及一种用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具。
背景技术
在现有技术中,民用宽体客机往往配备双发大涵道比涡轮风扇发动机。其航空发动机一般采用大尺寸的风扇叶片,其最大外径约为3.0m左右,对应的风扇叶片高度约为1.2m左右。在考虑经济型、安全性的前提下,先进的发动机大多采用比强度、比刚度更好的树脂基复合材料风扇叶片。为确保风扇叶片能够安全可靠的长时间服役,往往需要开展叶片振动疲劳试验、发动机侧风试验,以确保在最恶劣的进气环境下风扇叶片的振动应力小于许用振动应力。
由于复合材料风扇叶片的榫头为特殊的五面体结构,在考虑其受力特点的前提下,需要设计特殊的振动疲劳试验夹具,尽可能真实的模拟风扇叶片榫头在真实工作环境下的受力特点。
在振动疲劳试验中,需要不断的增加振动台的输出功率,在共振频率下,获取更高的响应振幅及应变。风扇叶片的疲劳极限所对应的叶尖振幅往往达到峰峰值70mm左右。
然而,由于风扇叶片尺寸太大、迎风面积大、高频振动时风阻大,常规的振动台(10吨以下)难以激起这么大响应振幅。因此,需要对风扇叶片的夹具进行特殊设计,以满足振动疲劳试验的要求。
有鉴于此,本领域技术人员研制了用于大尺寸复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有技术中风扇叶片尺寸太大、迎风面积大、高频振动时风阻大,常规振动试验夹具无法满足试验要求的缺陷,提供一种用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具。
本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题的:
一种用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具,其特点在于,所述振动疲劳试验夹具包括简支夹具和底部垫块,所述简支夹具的上端面开设有一安装凹槽,所述底部垫块设置在所述安装凹槽内,待试验部件安装到所述安装凹槽内,与所述底部垫块接触;
所述安装凹槽的底部设置有多个固定件,所述固定件顶紧所述底部垫块的底部;
所述安装凹槽的两外侧面上分别设置有多个垫块姿态调整件,所述垫块姿态调整件顶紧所述底部垫块的侧部,用于校准所述底部垫块的位置。
根据本实用新型的一个实施例,所述简支夹具的底部两侧向外延伸分别形成定位部,通过所述定位部固定至振动台架。
根据本实用新型的一个实施例,所述定位部和对应的所述安装凹槽之间通过一台阶面连接,所述台阶面上开设有多个刚度调整孔,用于调整试验夹具的刚性。
根据本实用新型的一个实施例,所述定位部上开设有第一螺栓孔,所述第一螺栓孔的直径为12mm。
根据本实用新型的一个实施例,所述刚度调整孔为第二螺栓孔,所述第二螺栓孔的直径与M10的螺栓配合,将所述振动疲劳试验夹具顶紧在振动台架上。
根据本实用新型的一个实施例,所述固定件为拧紧螺栓,所述拧紧螺栓的拧紧力矩满足公式:
M=1.56×10-6×mN2 R;
其中,M表示单个螺栓的拧紧力矩;m表示风扇叶片的质量;N表示风扇叶片工作最大转速;R表示风扇叶片质心径向高度。
根据本实用新型的一个实施例,所述垫块姿态调整件的拧紧力矩为7~8N·m。
根据本实用新型的一个实施例,所述底部垫块和所述安装凹槽之间的径向间隙为0.5mm~0.8mm。
根据本实用新型的一个实施例,所述待试验部件和所述底部垫块之间的间隙满足公式:L1=0.12*m;
其中,L1表示所述待试验部件和所述底部垫块之间的间隙;m为待试验部件的质量。
根据本实用新型的一个实施例,所述底部垫块和所述安装凹槽之间的两侧间隙满足公式:L3=0.25*L1;
其中,L3表示所述底部垫块和所述安装凹槽之间的两侧间隙;L1表示表示所述待试验部件和所述底部垫块之间的间隙。
本实用新型的积极进步效果在于:
本实用新型用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具可以支撑开展大尺寸风扇叶片振动疲劳试验,获取1阶振动疲劳极限以及高阶振动疲劳极限,有效的支撑了整机侧风试验以及适航取证。所述振动疲劳试验夹具较为真实的模拟了榫头在实际工作环境中的受力特点。同时利用了简支梁模型的放大原理,对振动台功率放大,可以完成大尺寸风扇叶片的大响应幅值(叶尖振幅70mm左右)振动疲劳试验。
附图说明
本实用新型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的更加明显,在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征,
其中:
图1为本实用新型用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具的立体图。
图2为本实用新型用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具的主视图。
图3为本实用新型用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具的左视图。
图4为图3中沿A-A线剖开的剖视图。
图5为本实用新型用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具中简支夹具的主视图。
图6为本实用新型用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具中简支夹具的俯视图。
图7为图6中沿B-B线剖开的剖视图。
图8为图6中沿C-C线剖开的剖视图。
图9为图6中沿D-D线剖开的剖视图。
图10为本实用新型用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具中简支夹具的左视图。
图11为图10中沿E-E线剖开的剖视图。
图12为本实用新型用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具中底部垫块的立体图。
图13为本实用新型用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具中底部垫块的主视图。
【附图标记】
简支夹具 10
底部垫块 20
安装凹槽 11
待试验部件 30
固定件 12
垫块姿态调整件 13
定位部 14
台阶面 15
刚度调整孔 40
第一螺栓孔 141
螺纹孔 121
具体实施方式
为让本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂,以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作详细说明。
现在将详细参考附图描述本实用新型的实施例。现在将详细参考本实用新型的优选实施例,其示例在附图中示出。在任何可能的情况下,在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。
此外,尽管本实用新型中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的,但是本实用新型说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的,其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。
此外,要求不仅仅通过所使用的实际术语,而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本实用新型。
图1为本实用新型用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具的立体图。图2为本实用新型用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具的主视图。图3为本实用新型用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具的左视图。图4为图3中沿A-A线剖开的剖视图。
如图1至图4所示,本实用新型公开了一种用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具,其包括简支夹具10和底部垫块20,简支夹具10的上端面开设有一安装凹槽11,底部垫块20设置在安装凹槽11内,待试验部件30(例如模拟榫头或风扇叶片)安装到安装凹槽11内,与底部垫块20接触。安装凹槽11的底部设置有多个固定件12,通过固定件12顶紧所述底部垫块的底部。此处固定件12可优选为拧紧螺栓。在安装凹槽11的两外侧面上分别设置有多个垫块姿态调整件13,通过垫块姿态调整件13顶紧底部垫块20的侧部,用于校准底部垫块20的位置。
优选地,在简支夹具10的底部两侧向外延伸分别形成定位部14,通过定位部14固定至振动台架。定位部14和对应的安装凹槽11之间通过一台阶面15连接,在台阶面15上开设有多个刚度调整孔40,用于调整试验夹具的刚性。
此处,定位部14上开设有第一螺栓孔141,第一螺栓孔141的直径可以优选为12mm。刚度调整孔40优选为第二螺栓孔,所述第二螺栓孔的直径与M10的螺栓配合,将所述振动疲劳试验夹具顶紧在振动台架上(图中未示)。
相关零组件配合使用,可以开展大尺寸风扇叶片大响应幅值振动疲劳试验,对相关装配、配合的具体要求包括:
第一,固定件12可优选为拧紧螺栓,单个拧紧螺栓的拧紧力矩满足公式:
M=1.56×10-6×mN2 R;
其中,M表示单个螺栓的拧紧力矩;m表示风扇叶片的质量;N表示风扇叶片工作最大转速;R表示风扇叶片质心径向高度。
第二,垫块姿态调整件13的拧紧力矩优选为7~8N·m,实际装配过程中与底部顶紧螺栓配合使用,确保垫块保持两边对称的端正接触姿态。
第三,待试验部件30(例如模拟榫头或风扇叶片)和底部垫块20之间的间隙满足公式:L1=0.12*m;
其中,L1表示所述待试验部件和所述底部垫块之间的间隙;m为待试验部件的质量。
第四,底部垫块20和安装凹槽11之间的径向间隙L2优选为
0.5mm~0.8mm,不易过小或过大。
第五,底部垫块20和安装凹槽11之间的两侧间隙满足公式:L3=0.25*L1;
其中,L3表示所述底部垫块和所述安装凹槽之间的两侧间隙;L1表示表示所述待试验部件和所述底部垫块之间的间隙。
图5为本实用新型用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具中简支夹具的主视图。图6为本实用新型用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具中简支夹具的俯视图。图7为图6中沿B-B线剖开的剖视图。图8为图6中沿C-C线剖开的剖视图。图9为图6中沿D-D线剖开的剖视图。图10为本实用新型用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具中简支夹具的左视图。图11为图10中沿E-E线剖开的剖视图。图12为本实用新型用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具中底部垫块的立体图。图13为本实用新型用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具中底部垫块的主视图。
如图5至图13所示,本实用新型用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具中包括简支夹具10、底部垫块20、待试验部件30(例如模拟榫头或风扇叶片)、固定件12(即底部顶紧螺栓)、第一螺栓孔141(用于与振动台连接螺栓孔)、刚度调整孔40(即刚度调整螺栓孔)、垫块姿态调整件13(即垫块姿态调整螺栓)。上述零组件组合使用,可用于开展大尺寸风扇叶片振动疲劳试验,其各个零组件的作用如下:
如图5至图11所示,简支夹具10为夹具的主体结构,主要为简支梁形式的夹具体。夹具体简支梁的跨距和高度作为可设计尺寸,在夹具设计阶段,通过调整这两个尺寸,使夹具共振放大,对某频率下的叶片/榫头具有最好的放大作用。两侧两排共16个螺栓孔(即第一螺栓孔141),用于与振动台架螺栓连接。底部两排共12个螺纹孔121(用于连接固定件12),用于安装拧紧螺栓,顶紧底部垫块。两侧竖直方向4排共20个螺纹孔(即刚度调整孔40),用于调整试验夹具的刚性,调整放大效果。两侧两排共8个小螺栓孔(即垫块姿态调整件13),用于校准垫块的位置,使其保持端正。
如图12和图13所示,底部垫块20放置于待试验部件30(例如模拟榫头/风扇叶片)与简支夹具10之间,其结构形式与待试验部件30(例如模拟榫头/风扇叶片)底部形貌相匹配。顶部与小凹槽都采用了圆弧过渡a,避免产生尖角,保证间隙。与待试验部件30(例如模拟榫头/风扇叶片)底部接触的工作面上胶结芳纶1313耐磨层。
此处,待试验部件30(例如模拟榫头/风扇叶片)为振动疲劳试验对象,一般为大尺寸复合材料风扇叶片,也可以为元件级切段榫头。
固定件12(即底部顶紧螺栓)优选地设置为2排共12个底部M12的顶紧螺栓,用于模拟风扇叶片榫头在实际工作环境中所承担的离心力载荷,确保榫头工作面的受压载荷保持一致。
第一螺栓孔141(用于与振动台连接螺栓孔)优选地设置为两侧共16个螺栓孔,孔径为Φ12,与M12的螺栓配合,将夹具固定到振动台上。
刚度调整孔40(即刚度调整螺栓孔)优选地设置为两侧竖直方向4排共20个螺纹孔,配合使用M10的螺栓。通过拧紧螺栓,将夹具体顶紧在振动台架上,增加夹具体的刚性,调整简支夹具的放大效果。
垫块姿态调整件13(即垫块姿态调整螺栓)优选地设置为两侧两排共8个M6的垫块姿态调整螺栓,可以通过调整螺栓的拧紧力矩,微调垫块的姿态。垫块姿态调整件13与底部拧紧螺栓配合使用,确保垫块保持两边对称的端正接触姿态。
本实用新型用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具具体涉及了航空发动机复合材料风扇叶片、叶片振动疲劳试验等,用于支撑航空发动机复合材料风扇叶片振动疲劳试验、元件级叶根振动疲劳试验等,应用行业为航空航天、地面燃机、旋转机械等。
本申请中涉及的术语主要解释如下:
一、树脂基复合材料是指以有机聚合物为基体的纤维增强材料,通常使用玻璃纤维、碳纤维、芳纶等纤维增强体,广泛应用于航空、汽车、海洋工业中。
二、风扇叶片是指航空发动机进气侧最前端的转动叶片。对于大涵道比涡扇发动机,风扇叶片尺寸较大,一般为钛合金、空心钛合金、铺层复合材料、机织复合材料等。
三、榫头是指叶片根部结构,用于与轮盘、鼓筒之间的装配,一般包括轴向直榫头、周向榫头、圆弧型榫头等。复合材料风扇叶片一般采用轴向直榫头,钛合金空心风扇叶片一般采用圆弧榫头。
四、离心力是指旋转零件在转速作用下的惯性力。
五、振动是指零件在一定激励的作用下,发生的周期性往复运动。当激励的频率等于零件的固有频率,即发生共振,其振幅往往很大。
六、振动疲劳是指零组件在发生振动时,其内部承受周期性交变应力,在一定周次后产生疲劳裂纹进而发生破坏。振动疲劳一般频率较高,破坏时间较短,需要尽力避免。
综上所述,本实用新型用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具可以支撑开展大尺寸风扇叶片振动疲劳试验,获取1阶振动疲劳极限以及高阶振动疲劳极限,有效的支撑了整机侧风试验以及适航取证。所述振动疲劳试验夹具较为真实的模拟了榫头在实际工作环境中的受力特点。同时利用了简支梁模型的放大原理,对振动台功率放大,可以完成大尺寸风扇叶片的大响应幅值(叶尖振幅70mm左右)振动疲劳试验。
虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式,但是本领域的技术人员应当理解,这些仅是举例说明,本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下,可以对这些实施方式作出多种变更或修改,但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具,其特征在于,所述振动疲劳试验夹具包括简支夹具和底部垫块,所述简支夹具的上端面开设有一安装凹槽,所述底部垫块设置在所述安装凹槽内,待试验部件安装到所述安装凹槽内,与所述底部垫块接触;
所述安装凹槽的底部设置有多个固定件,所述固定件顶紧所述底部垫块的底部;
所述安装凹槽的两外侧面上分别设置有多个垫块姿态调整件,所述垫块姿态调整件顶紧所述底部垫块的侧部,用于校准所述底部垫块的位置。
2.如权利要求1所述的用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具,其特征在于,所述简支夹具的底部两侧向外延伸分别形成定位部,通过所述定位部固定至振动台架。
3.如权利要求2所述的用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具,其特征在于,所述定位部和对应的所述安装凹槽之间通过一台阶面连接,所述台阶面上开设有多个刚度调整孔,用于调整试验夹具的刚性。
4.如权利要求2所述的用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具,其特征在于,所述定位部上开设有第一螺栓孔,所述第一螺栓孔的直径为12mm。
5.如权利要求3所述的用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具,其特征在于,所述刚度调整孔为第二螺栓孔,所述第二螺栓孔的直径与M10的螺栓配合,将所述振动疲劳试验夹具顶紧在振动台架上。
6.如权利要求1所述的用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具,其特征在于,所述固定件为拧紧螺栓,所述拧紧螺栓的拧紧力矩满足公式:
M=1.56×10-6×mN2R;
其中,M表示单个螺栓的拧紧力矩;m表示风扇叶片的质量;N表示风扇叶片工作最大转速;R表示风扇叶片质心径向高度。
7.如权利要求1所述的用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具,其特征在于,所述垫块姿态调整件的拧紧力矩为7~8N·m。
8.如权利要求1所述的用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具,其特征在于,所述底部垫块和所述安装凹槽之间的径向间隙为0.5mm~0.8mm。
9.如权利要求1所述的用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具,其特征在于,所述待试验部件和所述底部垫块之间的间隙满足公式:L1=0.12*m;
其中,L1表示所述待试验部件和所述底部垫块之间的间隙;m为待试验部件的质量。
10.如权利要求1所述的用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具,其特征在于,所述底部垫块和所述安装凹槽之间的两侧间隙满足公式:L3=0.25*L1;
其中,L3表示所述底部垫块和所述安装凹槽之间的两侧间隙;L1表示所述待试验部件和所述底部垫块之间的间隙。
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CN202021214630.6U CN212158987U (zh) | 2020-06-28 | 2020-06-28 | 用于复合材料风扇叶片的振动疲劳试验夹具 |
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Cited By (1)
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CN113483977A (zh) * | 2021-06-28 | 2021-10-08 | 北京强度环境研究所 | 一种轻薄结构声学特性测试装置 |
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