CN105004620B - 一种高频疲劳试验机的动态载荷误差补偿方法 - Google Patents
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Abstract
一种高频疲劳试验机的动态载荷误差补偿方法，包括以下步骤：1)建立***带有阻尼的三自由度振动力学模型，分析影响动态载荷误差的相关因素；2)确定影响动态载荷误差的关键因素；3)将校准棒的中间段粘贴应变片制成校准传感器，用有限元方法计算其刚度；4)取一刚度已知的校准传感器，上端固定在试验机，下端压一标准力传感器，施加静载，用标准力传感器进行标定；5)计算校准传感器与测力传感器的振幅之差，并记录对应的校准传感器刚度；6)更换不同刚度的校准传感器，重复步骤4)至5)，得出误差和传感器刚度的关系曲线；7)用计算得的误差值对相应的动态载荷测量值进行误差补偿。本发明有效地提高了疲劳试验机动态载荷的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及误差补偿领域，特别涉及一种高频疲劳试验机动态载荷的误差补偿方法。
背景技术
疲劳试验机作为疲劳试验的标准设备，其性能好坏与否，直接影响着疲劳试验结果的准确性及可靠性，疲劳试验机试验时的动态载荷误差是一个很重要的技术指标。目前，对于高频疲劳试验机的动态载荷校验，大多采用静态标定方法，它在静态情况下，传感器在校验中可以获得较高的精度，但在动态测试过程中，由于上夹具及法兰质量产生的惯性力，会使测力传感器测量值与试件真实受力值不相等，造成较大的测量误差。
为了提高疲劳试验机动态力校准准确度，一些学者基于疲劳试验机力学模型的分析，得出动态载荷误差的理论表达式，通过它进行动态载荷误差补偿。但，所建立模型忽略了阻尼的影响。众所周知，在工作频率与***固有频率近似相等的区域内，***的振幅随着阻尼的增加明显减小，阻尼对振幅的抑制作用非常明显。电磁谐振式高频疲劳试验机，其工作在共振状态下，即激振器的激振频率接近于***的固有频率，建立其力学模型时，如果不考虑阻尼的影响，***共振时的振幅比激振力振幅大很多倍，甚至是无穷大，显然这并不符合实际情况。而且，该振动力学模型是经简化而得来的，基于振动力学模型得出的动态载荷误差理论表达式，具有很大的误差，动态载荷误差补偿效果较差。
发明内容
为了克服已有疲劳试验机静态标定方法和动态载荷误差理论表达式补偿方法对动态载荷误差补偿效果差的不足，本发明提供了一种误差补偿效果良好，有效提高疲劳试验机动态载荷测量精度的高频疲劳试验机动态载荷误差补偿方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种高频疲劳试验机动态载荷误差补偿方法，包括以下步骤：
1)对高频疲劳试验机的振动***进行结构分析，建立带有阻尼的三自由度振动力学模型，求解其运动微分方程，得到该***各参振质量块的位移表达式，通过对测力传感器和试件真实受力的分析，得到动态载荷误差的理论表达式，从而分析影响动态载荷误差的相关因素；
2)根据高频疲劳试验机实际工作情况，确定影响动态载荷误差的关键因素；
3)加工一系列刚度不同的校准棒，在校准棒的中间段粘贴应变片制成校准传感器，并用有限元方法计算其刚度；
4)取一刚度已知的校准传感器，上端固定在试验机，下端压一标准力传感器，施加静载，用标准力传感器分别对测力传感器和校准传感器进行标定；
5)标定结束后，卸下压在下面的标准力传感器，同时将校准传感器的下端也固定在试验机上，开启疲劳试验机进行疲劳试验，提取校准传感器与测力传感器的振幅，两者之差即是动态载荷测量误差，并记录对应的校准传感器刚度；
6)更换不同刚度的校准传感器，重复步骤4)至5)，记录每一个校准传感器刚度对应的动态载荷误差，得出误差和传感器刚度的关系曲线；
7)将计算得的动态载荷误差值补偿到对应的动态载荷测量值上，得到补偿后的动态载荷。
进一步，所述步骤2)中，根据动态载荷误差的理论表达式可知，影响动态载荷误差的因素有试件刚度、测力传感器刚度及上夹具法兰质量等。在疲劳裂纹扩展试验中，测力传感器刚度及上夹具法兰质量基本不会发生变化，而试件刚度会随着裂纹不断扩展而发生变化，故确定试件刚度为影响动态载荷误差的关键因素。
再进一步，所述步骤3)中校准棒其形状为圆柱形，在圆柱形校准棒的中间段贴上四张应变片并连接成全桥电路，以消除温度因素引起的误差。
更进一步，所述步骤4)中测力传感器和校准传感器的标定方法步骤如下：
(4.1)将校准传感器安装在疲劳试验机上，使试验机施力的中心线与校准传感器的中心线相重合，并且在施加不同载荷的过程中不能改变校准传感器的位置；
(4.2)针对传感器量程中间部分线性度较好，初始部分和最后部分线性程度稍差的情况，采用分段线性拟合的方法，将0-20KN，0-50KN，0-100KN三个量程分为12段，中间部分均匀取点，初始部分和最后部分取点较密集。
(4.3)分别对校准传感器施加步骤(4.2)所述其中一个量程的静态载荷，从标准压力传感器上读出准确的压力数值，再读出测力传感器与校准传感器所对应的电压值。即分别建立两个传感器电压与压力的对应关系，并将数据进行储存。
(4.4)通过线性插值算法分段计算标定曲线的斜率和截距，并将这两组数据进行存储，以备测量过程中使用，即完成了对测力传感器和校准传感器的静态标定过程。
(4.5)重复步骤(4.3)至(4.4)，完成其余两个量程的静态标定。
所述步骤5)中，经过标定，两个传感器输出的电压信号均转换为载荷信号。校准传感器输出的载荷值即为试件真实所受载荷值，测力传感器输出载荷值为动态载荷测量值，两者为振幅、相位不同，频率相同的正弦信号，所述的误差补偿，将两者变为振幅相同、频率相同的正弦信号即可，两者的相位差对动态载荷误差的数值没有影响。
所述步骤5)中，运用基于Labview平台的应用软件提取校准传感器与测力传感器的振幅。
本发明的有益效果主要表现在：建立振动***带有阻尼的三自由度振动力学模型，确定较为精确的动态载荷误差的理论表达式，充分分析了各个因素对动态载荷误差的影响，根据实际工况，确定试件刚度为影响动态载荷误差的主要因素，通过计算不同刚度的圆柱形校准传感器与测力传感器之间的实际误差，来补偿高频疲劳试验机的动态载荷误差，有效地提高疲劳试验机动态载荷的测量精度。
附图说明
图1是一种高频疲劳试验机动态载荷误差补偿方法的基本流程示意图。
图2是一种高频疲劳试验机动态载荷误差补偿方法中的电磁谐振式疲劳试验机(PLG-100)结构图，其中，1表示力传感器，2表示下夹具，3表示工作台，4表示电磁铁线圈，5表示激振弹簧，6表示直流电机及传动机构，7表示滚珠丝杠，8表示减震弹簧，9表示上夹具，10表示CT试件，11表示电磁衔铁，12表示主振弹簧，13表示平衡铁，14表示移动横梁，15表示导向立柱，16表示框架式机架。
图3是一种高频疲劳试验机动态载荷误差补偿方法中***的振动力学模型。
图4是一种高频疲劳试验机动态载荷误差补偿方法中的带阻尼的三自由度振动力学模型图。
图5是一种高频疲劳试验机动态载荷误差补偿方法中校准棒上电阻应变片的粘贴位置图。
图6是一种高频疲劳试验机动态载荷误差补偿方法中校准棒上电阻应变片电桥连接图。
图7是一种高频疲劳试验机动态载荷误差补偿方法中校准传感器安装位置示意图，其中17表示机架，18表示测力传感器，19表示上夹具和法兰，20表示校准传感器，21表示标准力传感器，22表示下夹具。
图8是一种高频疲劳试验机动态载荷误差补偿方法中校准传感器刚度与误差的关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图8，一种高频疲劳试验机动态载荷误差补偿方法，包括以下步骤：
1)对高频疲劳试验机的振动***进行结构分析，建立带有阻尼的三自由度振动力学模型，求解其运动微分方程，得到该***各参振质量块的位移表达式。通过对测力传感器和试件真实受力的分析，可得到动态载荷误差的理论表达式，从而分析影响动态载荷误差的相关因素；
2)根据高频疲劳试验机实际工作情况，确定影响动态载荷误差的关键因素；
3)加工一系列刚度不同的校准棒，在校准棒的中间段粘贴应变片制成校准传感器，并用有限元方法计算其刚度；
4)取一刚度已知的校准传感器，上端固定在试验机，下端压一标准力传感器，施加静载，用标准力传感器分别对测力传感器和校准传感器进行标定；
5)标定结束后，卸下压在下面的标准力传感器，同时将校准传感器的下端也固定在试验机上，开启疲劳试验机进行疲劳试验，提取校准传感器与测力传感器的振幅，两者之差即是动态载荷测量误差，并记录对应的校准传感器刚度；
6)更换不同刚度的校准传感器，重复步骤4)至5)，记录每一个校准传感器刚度对应的动态载荷误差，得出误差和传感器刚度的关系曲线；
7)将计算得的动态载荷误差值补偿到对应的动态载荷测量值上，得到较为准确的动态载荷。
以电磁谐振式高频疲劳试验机PLG-100为例进行说明，高频疲劳试验机的动态载荷误差补偿方法，包括以下步骤：
1)首先对图2所示的电磁谐振式疲劳试验机的结构进行了分析。伺服电机、涡轮蜗杆传动机构m6和移动横梁m4通过导向立柱与框架式机架m5相连，机架通过四个减震弹簧k5与大地相连。平衡铁和电磁铁线圈通过激振弹簧k3与工作台相连，电磁衔铁、下夹具和工作台通过主振弹簧k4与移动横梁相连。上夹具和法兰m1通过力传感器k1与机架相连，试件k2通过销钉分别与上夹具和下夹具相连。主振质量和激振质量是影响主机谐振性能的关键性因素，其中主振质量m2包括电磁衔铁、工作台以及工作台上的法兰和下夹具的质量，激振质量m3包括平衡铁和电磁铁线圈。通过研究***各机械部分的连接以及相互作用，建立了***振动力学模型，结果参阅图3。由于机座的质量m4、m5和m6要远远大于***的主振质量m2和激振质量m3，而减震弹簧的刚度又远远小于***其它弹簧的刚度，因此***可以简化为带有阻尼的三自由度振动力学模型，结果参阅图4。图中c1，c2，c3，c4为***阻尼系数。对于此模型取向下为正方向，根据牛顿第二定律和三自由度质量——弹簧***自由振动模型建立***运动方程为：
其中Fe＝F0sinwt，F0为电磁激振力振幅，ω为电磁激振力频率。
令该振动方程的稳态解为：
将式(2)中位移x1，x2，x3及它们的一阶、二阶导数代入式(1)中，经化简整理得(3)：
为使式(3)恒等，sinwt和coswt的系数必为零，则构建以下方程组(4)：
根据方程组(4)，可以求得六个未知数A1s、A1c、A2s、A2c、A3s和A3c。这时，上夹具及法兰位移x1、主振质量块(工作台)位移x2和激振质量块位移x3可分别表示为：
式中，A1，A2，A3和分别为上夹具及法兰，主振质量块，
激振质量块的振幅和相位差角。
在试验过程中，试件的真实受力值为：
而测力传感器示值为：
F传＝k1x1 (9)
疲劳试验机处于动载工作状态时，由于上夹具及法兰质量块m1惯性力的存在，试件实际受到的力与疲劳试验机力传感器的示值不相等，疲劳试验机力传感器与试件之间的动态力误差表达式可按下式计算：
将式(5)代入式(10)，整理并化简可得载荷误差随时间变化的表达式。该动态载荷误差δ与测力传感器刚度k1、试件刚度k2、激振弹簧刚度k3、主振弹簧刚度k4、上夹具与法兰的质量m1、主振质量m2、激振质量m3有关以及激振频率ω有关。
2)在疲劳裂纹扩展试验中，测力传感器刚度、激振弹簧刚度、主振弹簧刚度、上夹具与法兰的质量、主振质量及激振质量是几乎不发生变化，随着试件裂纹长度的扩展，试件刚度也会随之发生变化，从而导致激振频率也发生变化，故可以确定试件刚度为影响动态载荷误差的关键因素。
3)事先加工好一系列刚度不同的圆柱形校准棒，通过其材料的不同使它们的刚度各不相同，用来模拟试件产生不同长度的裂纹时刚度不同的情况。在校准棒的中间段贴上四张应变片(参照图4)，并连接成全桥电路(参照图5)，将其制成校准传感器，采用ANSYS有限元分析的方法，计算每一个校准传感器的刚度值。
4)取一个刚度已知的校准传感器，按照图6所示，将校准传感器上端固定在试验机上，下端压一标准力传感器，施加静载，用标准力传感器分别对测力传感器和校准传感器进行标定，标定步骤具体如下：
(4.1)将校准传感器安装在疲劳试验机上，使试验机施力的中心线与校准传感器的中心线相重合，并且在施加不同载荷的过程中不能改变校准传感器的位置
(4.2)传感器的输入输出关系理想情况下是一条直线，然而在实际情况下，传感器中间部分线性度较好，初始部分和最后部分线性程度稍差，故采用分段线性拟合的方法，将0-20KN,0-50KN,0-100KN三个量程分为12段，中间部分均匀取点，初始部分和最后部分取点较密集。
(4.3)分别对校准传感器施加步骤(4.2)所述其中一个量程的静态载荷，从标准压力传感器上读出准确的压力数值，再读出测力传感器与校准传感器所对应的电压值。即分别建立两个传感器电压与压力的对应关系，并将数据进行储存。
(4.4)通过线性插值算法分段计算标定曲线的斜率和截距，并将这两组数据进行存储，以备测量过程中使用，即完成了对测力传感器和校准传感器的静态标定过程。
(4.5)重复步骤(4.3)至(4.4)，完成其余两个量程的静态标定。
5)标定结束后，进行动态载荷误差测量实验，具体步骤如下：
(5.1)卸下压在下面的标准力传感器，将一刚度已知的校准传感器固定在疲劳试验机的上下夹具之间，将测力传感器与校准传感器输出的两路信号接入计算机。
(5.2)加载一定的静态载荷与动态载荷，开始疲劳试验。测力传感器与校准传感器的电压信号通过标定模块转换为载荷信号，校准传感器上的载荷即为试件真实动态载荷值，测力传感器显示载荷即为动态载荷测量值，两者为振幅、相位不同，频率相同的正弦信号，所述的误差补偿，将两者变为振幅相同、频率相同的正弦信号即可，两者的相位差对动态载荷误差的数值没有影响。故将两者振幅相减，计算得到该试件刚度下的动态载荷误差。
(5.3)记录试件刚度与动态载荷误差。
(5.4)更换不同刚度的校准传感器，重复步骤(5.1)至(5.3)，记录不同刚度的校准传感器对应的动态误差值，具体数据参照表1。根据表1数据，可以得出校准传感器刚度与误差的关系曲线图，参照图8。
表1
6)根据校准传感器刚度与动态载荷误差的关系曲线，进行动态载荷误差补偿实验。具体步骤如下：
(6.1)将试件按要求安装到疲劳试验机上，开始进行疲劳试验。
(6.2)显示出动态载荷的测量值及其波形。
(6.3)根据疲劳裂纹在线检测***得知试件现在的裂纹长度，并根据裂纹长度与试件刚度的关系得到试件的刚度，将试件刚度输入，即可计算得到当前动态载荷的误差值。
(6.4)将计算得的误差值补偿到动态载荷的测量值上，即可得到补偿后的动态载荷值。
最后说明的是，以上实施例仅仅是对于本发明专利精神作举例说明。本发明专利所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法替代，但并不会偏离本发明专利的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (5)
1.一种高频疲劳试验机动态载荷误差补偿方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)对高频疲劳试验机的振动***进行结构分析，建立带有阻尼的三自由度振动力学模型，求解其运动微分方程，得到该***各参振质量块的位移表达式，通过对测力传感器和试件真实受力的分析，得到动态载荷误差的理论表达式，从而分析影响动态载荷误差的相关因素；
2)根据高频疲劳试验机实际工作情况，确定影响动态载荷误差的关键因素；
3)加工一系列刚度不同的校准棒，在校准棒的中间段粘贴应变片制成校准传感器，并用有限元方法计算其刚度；
4)取一刚度已知的校准传感器，上端固定在试验机，下端压一标准力传感器，施加静载，用标准力传感器分别对测力传感器和校准传感器进行标定；所述测力传感器和校准传感器的标定方法步骤如下：
(4.1)将校准传感器安装在疲劳试验机上，使试验机施力的中心线与校准传感器的中心线相重合，并且在施加不同载荷的过程中不能改变校准传感器的位置；
(4.2)针对传感器量程中间部分线性度较好，初始部分和最后部分线性程度稍差的情况，采用分段线性拟合的方法，将0-20KN，0-50KN，0-100KN三个量程，中间部分均匀取点，初始部分和最后部分取点较密集；
(4.3)分别对校准传感器施加步骤(4.2)所述其中一个量程的静态载荷，从标准压力传感器上读出准确的压力数值，再读出测力传感器与校准传感器所对应的电压值，即分别建立两个传感器电压与压力的对应关系，并将数据进行储存；
(4.4)通过线性插值算法分段计算标定曲线的斜率和截距，并将这两组数据进行存储，即完成了对测力传感器和校准传感器的静态标定过程；
(4.5)重复步骤(4.3)至(4.4)，完成其余两个量程的静态标定；
5)标定结束后，卸下压在下面的标准力传感器，同时将校准传感器的下端也固定在试验机上，开启疲劳试验机进行疲劳试验，提取校准传感器与测力传感器的振幅，两者之差即是动态载荷测量误差，并记录对应的校准传感器刚度；
6)更换不同刚度的校准传感器，重复步骤4)至5)，记录每一个校准传感器刚度对应的动态载荷误差，得出误差和传感器刚度的关系曲线；
7)将计算得的动态载荷误差值补偿到对应的动态载荷测量值上，得到补偿后的动态载荷。
2.如权利要求1所述的一种高频疲劳试验机动态载荷误差补偿方法，其特征在于：所述步骤2)中，根据动态载荷误差的理论表达式可知，影响动态载荷误差的因素包括试件刚度、测力传感器刚度及上夹具法兰质量；在疲劳裂纹扩展试验中，测力传感器刚度及上夹具法兰质量不会发生变化，而试件刚度会随着裂纹不断扩展而发生变化，故确定试件刚度为影响动态载荷误差的关键因素。
3.如权利要求1或2所述的一种高频疲劳试验机动态载荷误差补偿方法，其特征在于：所述步骤3)中，所述校准棒的形状为圆柱形，在圆柱形校准棒的中间段贴上四张应变片并连接成全桥电路。
4.如权利要求1或2所述的一种高频疲劳试验机动态载荷误差补偿方法，其特征在于：所述步骤5)中，经过标定，两个传感器输出的电压信号均转换为载荷信号，校准传感器输出的载荷值即为试件真实所受载荷值，测力传感器输出载荷值为动态载荷测量值，两者为振幅、相位不同且频率相同的正弦信号。
5.如权利要求1或2所述的一种高频疲劳试验机动态载荷误差补偿方法，其特征在于：所述步骤5)中，运用基于Labview平台的应用软件提取校准传感器与测力传感器的振幅。
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