CN110849568B - 一种结构疲劳寿命的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构疲劳寿命的试验装置，包括：待测结构、振子、振动台及第一紧固件；所述待测结构上的大位移要求点处安装所述振子；其中，所述大位移要求点为所述待测结构上达到预设的位移加载要求的位置；所述待测结构通过所述第一紧固件固定在所述振动台上，所述振动台的振动方向与所述位移加载要求对应的振动方向一致。本发明还公开了一种结构疲劳寿命的试验方法，能有效保证振子的强度和耐久性，能有效增大在特定目标激励频率下的目标振幅，并实现多方向共振。

Description

一种结构疲劳寿命的试验方法

技术领域

本发明涉及疲劳寿命测试技术领域，尤其涉及一种结构疲劳寿命的试验方法。

背景技术

疲劳是结构常见的一种破坏形式，为在试验台上获取结构的疲劳寿命，常常要通过试验设备使结构产生往复变形，在某些情况下，试验要求变形幅度大，且为了节省试验时间需要加大试验频率，但是现有设备很难实现高频率下的大位移加载。众所周知，结构在受到接近自身固有频率的激励下会发生共振并产生振幅的急剧增加，利用这一原理，一些研究文献提出了基于共振的航空发动机叶片振动疲劳测量装置，其中具有代表性的是“夹具工装放大法”。具体的，试验叶片结构通过一个特制的夹具工装固定在振动台上，该夹具工装被设计成某阶自振频率与试验频率一致，当振动台以该试验频率运行时，夹具工装产生共振，并将放大的振动幅度传递给试验叶片结构。试件整体发生大位移振动，但关注的叶片本身不一定发生大变形，因为叶片的自振频率与试验频率不一定一致，且夹具设计成具有共振效果后，其强度和耐久性很难得到保证。

发明内容

本发明实施例提供一种结构疲劳寿命的试验方法，能有效保证振子的强度和耐久性，能有效增大在特定目标激励频率下的目标振幅，并实现多方向共振。

本发明一实施例提供了一种结构疲劳寿命的试验装置，包括：待测结构、振子、振动台及第一紧固件；

所述待测结构上的大位移要求点处安装所述振子；其中，所述大位移要求点为所述待测结构上达到预设的位移加载要求的位置；

所述待测结构通过所述第一紧固件固定在所述振动台上，所述振动台的振动方向与所述位移加载要求对应的振动方向一致。

作为上述方案的改进，所述试验装置还包括第二紧固件；

所述振子通过所述第二紧固件固定于所述待测结构上。

本发明另一实施例对应提供了一种结构疲劳寿命的试验方法，适用于上述的结构疲劳寿命的试验装置，包括步骤：

获取振动台的振动方向、待测结构的目标频率及目标振幅；

基于所述振动方向及所述目标频率进行仿真试验，得到所述待测结构的共振频率，并确定振子的质量及所述待测结构上的大位移要求点的位置；

当所述共振频率达到预设的共振条件时，基于所述目标频率逐渐增大所述振动台的振幅，使得所述大位移要求点的位移达到所述目标振幅。

作为上述方案的改进，所述基于所述振动方向及所述目标频率进行仿真试验，得到所述待测结构的共振频率，并确定振子的质量及所述待测结构上的大位移要求点的位置，具体包括：

采用预设的仿真模型，初步确定所述振子的初始质量及所述大位移要求点的初始位置，并得到所述待测结构的共振频率；

基于所述共振频率与所述目标频率进行试验调整，得到振子调整质量，并根据所述振子调整质量及所述振子的初始质量，确定所述振子的质量及所述待测结构上的大位移要求点的位置。

作为上述方案的改进，所述采用预设的仿真模型，初步确定所述振子的初始质量及所述大位移要求点的初始位置，并得到所述待测结构的共振频率，具体包括：

采用所述仿真模型，构建所述待测结构及所述振子对应的三维模型与振子模型；

设置与预设的工况对应的仿真边界条件；

基于所述仿真边界条件，采用预设的模态叠加法对所述三维模型及所述振子模型进行仿真，得到含所述振子的所述待测结构的共振频率及振型；

根据所述共振频率及所述振型，调整所述振子的初始质量及所述大位移要求点的初始位置，直至所述共振频率达到预设的工程误差阈值。

作为上述方案的改进，所述基于所述共振频率与所述目标频率进行试验调整，得到振子调整质量，还包括：

根据公式(1)得到预设的***质量：

其中，所述***质量为由含所述振子的所述待测结构成的***的质量；M₀为所述预设的***质量，k为所述***的刚度，f₀为所述目标频率；

根据公式(2)得到当前所述***的质量：

其中，M₁为当前所述***的质量，f₁为所述共振频率；

根据公式(3)得到所述振子调整质量：

其中，ΔM为所述振子调整质量。

作为上述方案的改进，所述基于所述共振频率与所述目标频率进行试验调整，得到振子调整质量，并根据所述振子调整质量及所述振子的初始质量，确定所述振子的质量及所述待测结构上的大位移要求点的位置，具体包括：

判断所述共振频率与所述目标频率的大小，直至所述共振频率达到所述共振条件；

当所述共振频率小于所述目标频率时，则基于所述振子调整质量及所述振子的初始质量，减小所述振子调整质量；

当所述共振频率大于所述目标频率时，则基于所述振子调整质量及所述振子的初始质量，增加所述振子调整质量。

作为上述方案的改进，通过如下步骤判断所述共振频率是否达到所述共振条件：

判断所述共振频率与所述目标频率之差是否在预设的工程误差阈值内；若是，则认为所述共振频率达到所述共振条件；若否，则认为所述共振频率未达到所述共振条件。

作为上述方案的改进，所述当所述共振频率达到预设的共振条件时，基于所述目标频率逐渐增大所述振动台的振幅，使得所述大位移要求点的位移达到所述目标振幅，还包括：

当所述共振频率未达到所述共振条件时，则重新基于所述共振频率与所述目标频率进行试验调整，得到振子调整质量，并根据所述振子调整质量及所述振子的初始质量，确定所述振子的质量及所述待测结构上的大位移要求点的位置。

与现有技术相比，本发明实施例公开的一种结构疲劳寿命的试验装置及方法，通过设置待测结构、振子、振动台及第一紧固件；所述待测结构上的大位移要求点处安装所述振子；其中，所述大位移要求点为所述待测结构上达到预设的位移加载要求的位置；所述待测结构通过所述第一紧固件固定在所述振动台上，所述振动台的振动方向与所述位移加载要求对应的振动方向一致。由此，获取振动台的振动方向、待测结构的目标频率及目标振幅；基于所述振动方向及所述目标频率进行仿真试验，得到所述待测结构的共振频率，并确定振子的质量及所述待测结构上的大位移要求点的位置；当所述共振频率达到预设的共振条件时，基于所述目标频率逐渐增大所述振动台的振幅，使得所述大位移要求点的位移达到所述目标振幅。这样，通过在待测结构上附加一个振子，并通过试验和分析调节振子质量及其固定方式来调节待测结构与振子***的共振频率，进而实现共振效果并放大振动幅值，能有效增大在特定目标激励频率下的目标振幅，并实现多方向共振，能有效简化试验的复杂度；而且，在试验过程中，振子本身不变形，不会被破坏，且制造成本低，可重复使用，能有效保证振子的强度和耐久性，能有效增大在特定目标激励频率下的目标振幅。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的一种结构疲劳寿命的试验装置的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的结构疲劳寿命的试验装置的一个具体实施例的示意图；

图3是本发明实施例二提供的一种结构疲劳寿命的试验方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，是本发明实施例一提供的一种结构疲劳寿命的试验装置的结构示意图，结构疲劳寿命的试验装置，包括：待测结构11、振子12、振动台13及第一紧固件14；

待测结构11上的大位移要求点111处安装振子12；其中，大位移要求点111为待测结构11上达到预设的位移加载要求的位置；

待测结构11通过第一紧固件14固定在振动台13上，振动台13的振动方向与位移加载要求对应的振动方向一致。

需要说明的是，待测结构11安装在振动台13上，在待测结构11上需要加载大幅度位移载荷的位置(即大位移要求点111)安装一振子12，振子12、待测结构11可简化为单自由度受迫振动***。根据结构振动理论模型，广义的无阻尼***的自由振动方程为：

其中，[M]为质量矩阵，[K]为刚度矩阵，{U}为位移行列式，

为加速度行列式。

频率方程及振型为：

|[K]-ω²[M]|＝0

([K]-ω²[M]){Φ}＝0

其中，ω为固有频率，{Φ}为振型行列式。

对于任意具有刚度和质量的单自由度振动***，其固有频率根据以上振动方程可解得：

其中，k是***在该自由度上的刚度，M是由振子12和待测结构11构成的***的质量。因此，通过调节改变***质量，可使***固有频率达到理想值，从而使得***在要求的外部激励试验频率下产生共振，达到振幅放大效果。通常，不能通过改变结构的刚度来改变结构的固有频率，但在结构上附加一定的质量，则可以在不破坏结构本身的情况下，在一定范围内改变结构的固有频率，使之与外部激励匹配并产生共振，达到试验目的，在考虑阻尼的情况下，本实施例依然有效。

需要说明的是，位移加载要求可以具体为Asin(ωt)，其中t是时间序列，ω是圆频率，A是振幅。进一步，在该大位移要求点111附加安装一振子12，振子12与待测结构11的连接，基于待测结构11的实际工况与要求，将待测结构11通过第一紧固件14固定在振动台13上，振动台13的振动方向应与位移加载要求的振动方向一致，保证振动工况与实际工况一致。其中，第一紧固件14可以为夹具。

在上述实施例中，优选的，试验装置还包括第二紧固件；

振子12通过第二紧固件固定于待测结构11上。

其中，振子12与待测结构11的连接方式不限，包括使用特制的夹具连接等方式，但连接机械强度和疲劳强度应满足试验要求。

基于上述实施例，在一种优选的实施例中，参见图2，是本发明实施例一提供的结构疲劳寿命的试验装置的一个具体实施例的示意图，以风扇或涡轮叶片为例，待测结构为叶片，振子12通过夹具15固定在叶片11上，叶片11通过第一紧固件14固定在振动台13上。其中，第一紧固件14为夹具。在叶片11末端夹持一振子12，一般叶片疲劳薄弱点在叶片中部或根部与转轴相交的位置，叶片11末端安装夹具15不影响试验结果，且振子12质量轻，其自重也不会对试验结果造成影响。在加装振子12后，振子12与叶片11组成的***自振频率会比单叶片低，通过上述方法调节并慢慢增加振子质量，***自振频率逐渐下降，直到达到试验要求的频率。

本发明实施例一提供的一种结构疲劳寿命的试验装置，通过设置待测结构、振子、振动台及第一紧固件；待测结构上的大位移要求点处安装振子；其中，大位移要求点为待测结构上达到预设的位移加载要求的位置；待测结构通过第一紧固件固定在振动台上，振动台的振动方向与位移加载要求对应的振动方向一致。这样，通过在待测结构上附加一个振子，并通过试验和分析调节振子质量及其固定方式来调节待测结构与振子***的共振频率，进而实现共振效果并放大振动幅值，能有效增大在特定目标激励频率下的目标振幅，并实现多方向共振，能有效简化试验的复杂度；而且，在试验过程中，振子本身不变形，不会被破坏，且制造成本低，可重复使用，能有效保证振子的强度和耐久性，能有效增大在特定目标激励频率下的目标振幅。

参见图3，是本发明实施例二提供的一种结构疲劳寿命的试验方法的流程示意图，方法包括步骤S201至步骤S203。

S201、获取振动台的振动方向、待测结构的目标频率及目标振幅。

S202、基于振动方向及目标频率进行仿真试验，得到待测结构的共振频率，并确定振子的质量及待测结构上的大位移要求点的位置。

在上述实施例中，优选的，步骤S202为：

采用预设的仿真模型，初步确定振子的初始质量及大位移要求点的初始位置，并得到待测结构的共振频率；

基于共振频率与目标频率进行试验调整，得到振子调整质量，并根据振子调整质量及振子的初始质量，确定振子的质量及待测结构上的大位移要求点的位置。

优选的，采用预设的仿真模型，初步确定振子的初始质量及大位移要求点的初始位置，并得到待测结构的共振频率，具体包括：

采用仿真模型，构建待测结构及振子对应的三维模型与振子模型；

设置与预设的工况对应的仿真边界条件；

基于仿真边界条件，采用预设的模态叠加法对三维模型及振子模型进行仿真，得到含振子的待测结构的共振频率及振型；

根据共振频率及振型，调整振子的初始质量及大位移要求点的初始位置，直至共振频率达到预设的工程误差阈值。

需要说明的是，仿真模型可以是FEA软件***，工程误差阈值可以具体为共振频率与目标频率在5％的工程要求的误差范围内。示例性的，基于仿真模态分析模拟，初步确定附加质量即振子的位置与质量大小，借助FEA软件***，构建对应的三维模型与振子模型，进而根据实际工况给予对应的边界条件，基于模态叠加法，得到含振子块的待测结构的共振频率与振型。根据与目标频率的比较，不断调整振子质量的大小与大位移要求点的位置，直到得到的共振频率与目标频率在5％的工程要求的误差范围内。

优选的，基于共振频率与目标频率进行试验调整，得到振子调整质量，还包括：

根据公式(1)得到预设的***质量：

其中，***质量为由含振子的待测结构成的***的质量；M₀为预设的***质量，k为***的刚度，f₀为目标频率；

根据公式(2)得到当前***的质量：

其中，M₁为当前***的质量，f₁为共振频率；

根据公式(3)得到振子调整质量：

其中，ΔM为振子调整质量。

本实施例中，通过扫频查找结构的共振频率以及分析与目标频率的差距，并得到振子需要调整的质量，将振子安装在待测结构上，然后通过夹具将待测结构放置在振动台上做低幅扫频振动，进而根据响应获取共振频率。

优选的，基于共振频率与目标频率进行试验调整，得到振子调整质量，并根据振子调整质量及振子的初始质量，确定振子的质量及待测结构上的大位移要求点的位置，具体包括：

判断共振频率与目标频率的大小，直至共振频率达到共振条件；

当共振频率小于目标频率时，则基于振子调整质量及振子的初始质量，减小振子调整质量；

当共振频率大于目标频率时，则基于振子调整质量及振子的初始质量，增加振子调整质量。

其中，优选的，通过如下步骤判断共振频率是否达到共振条件：

判断共振频率与目标频率之差是否在预设的工程误差阈值内；若是，则认为共振频率达到共振条件；若否，则认为共振频率未达到共振条件。

需要说明的是，共振条件可以为共振频率与目标频率在预设的工程误差阈值内。示例性的，基于振子调整质量，若f1＜f0，则减小振子质量；其中，可以通过更换振子或将振子设计成每次可拆除一定质量的质量块组合来实现减小振子质量。若f1＞f0，则增加振子质量，反复调节振子质量并重复上述扫频过程，直到f1逐渐接近f0，若偏差在1％以内，则符合工程要求，则认为达到共振效果。

S203、当共振频率达到预设的共振条件时，基于目标频率逐渐增大振动台的振幅，使得大位移要求点的位移达到目标振幅。

具体的，根据振子的质量及待测结构上的大位移要求点的位置，对含振子的待测结构进行高频率大幅度往复变形试验。具体为，保持频率不变并逐渐增大振动台的振幅，使加载要求点的位移达到测试要求的目标振幅。

在一种可选的实施例中，当共振频率未达到共振条件时，则重新基于共振频率与目标频率进行试验调整，得到振子调整质量，并根据振子调整质量及振子的初始质量，确定振子的质量及待测结构上的大位移要求点的位置。

本发明实施例公开的一种结构疲劳寿命的试验方法，通过设置待测结构、振子、振动台及第一紧固件；待测结构上的大位移要求点处安装振子；其中，大位移要求点为待测结构上达到预设的位移加载要求的位置；待测结构通过第一紧固件固定在振动台上，振动台的振动方向与位移加载要求对应的振动方向一致。由此，获取振动台的振动方向、待测结构的目标频率及目标振幅；基于振动方向及目标频率进行仿真试验，得到待测结构的共振频率，并确定振子的质量及待测结构上的大位移要求点的位置；当共振频率达到预设的共振条件时，基于目标频率逐渐增大振动台的振幅，使得大位移要求点的位移达到目标振幅。这样，通过在待测结构上附加一个振子，并通过试验和分析调节振子质量及其固定方式来调节待测结构与振子***的共振频率，进而实现共振效果并放大振动幅值，能有效增大在特定目标激励频率下的目标振幅，并实现多方向共振，能有效简化试验的复杂度；而且，在试验过程中，振子本身不变形，不会被破坏，且制造成本低，可重复使用，能有效保证振子的强度和耐久性，能有效增大在特定目标激励频率下的目标振幅。

以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种结构疲劳寿命的试验方法，其特征在于，适用于结构疲劳寿命的试验装置，所述试验装置包括：待测结构、振子、振动台及第一紧固件；

所述待测结构上的大位移要求点处安装所述振子；其中，所述大位移要求点为所述待测结构上达到预设的位移加载要求的位置；

所述待测结构通过所述第一紧固件固定在所述振动台上，所述振动台的振动方向与所述位移加载要求对应的振动方向一致；

所述方法包括步骤：

获取振动台的振动方向、待测结构的目标频率及目标振幅；

基于所述振动方向及所述目标频率进行仿真试验，得到所述待测结构的共振频率，并确定振子的质量及所述待测结构上的大位移要求点的位置；具体为：采用预设的仿真模型，初步确定所述振子的初始质量及所述大位移要求点的初始位置，并得到所述待测结构的共振频率，基于所述共振频率与所述目标频率进行试验调整，得到振子调整质量，并根据所述振子调整质量及所述振子的初始质量，确定所述振子的质量及所述待测结构上的大位移要求点的位置；其中，所述采用预设的仿真模型，初步确定所述振子的初始质量及所述大位移要求点的初始位置，并得到所述待测结构的共振频率，具体包括：采用所述仿真模型，构建所述待测结构及所述振子对应的三维模型与振子模型；设置与预设的工况对应的仿真边界条件；基于所述仿真边界条件，采用预设的模态叠加法对所述三维模型及所述振子模型进行仿真，得到含所述振子的所述待测结构的共振频率及振型；根据所述共振频率及所述振型，调整所述振子的初始质量及所述大位移要求点的初始位置，直至所述共振频率达到预设的工程误差阈值；

当所述共振频率达到预设的共振条件时，基于所述目标频率逐渐增大所述振动台的振幅，使得所述大位移要求点的位移达到所述目标振幅；当所述共振频率未达到所述共振条件时，则重新基于所述共振频率与所述目标频率进行试验调整，得到振子调整质量，并根据所述振子调整质量及所述振子的初始质量，确定所述振子的质量及所述待测结构上的大位移要求点的位置。

2.如权利要求1所述的结构疲劳寿命的试验方法，其特征在于，所述试验装置还包括第二紧固件；

所述振子通过所述第二紧固件固定于所述待测结构上。

3.如权利要求1所述的结构疲劳寿命的试验方法，其特征在于，所述基于所述共振频率与所述目标频率进行试验调整，得到振子调整质量，还包括：

根据公式(1)得到预设的***质量：

其中，所述***质量为由含所述振子的所述待测结构成的***的质量；M₀为所述预设的***质量，k为所述***的刚度，f₀为所述目标频率；

根据公式(2)得到当前所述***的质量：

其中，M₁为当前所述***的质量，f₁为所述共振频率；

根据公式(3)得到所述振子调整质量：

其中，ΔM为所述振子调整质量。

4.如权利要求1所述的结构疲劳寿命的试验方法，其特征在于，所述基于所述共振频率与所述目标频率进行试验调整，得到振子调整质量，并根据所述振子调整质量及所述振子的初始质量，确定所述振子的质量及所述待测结构上的大位移要求点的位置，具体包括：

判断所述共振频率与所述目标频率的大小，直至所述共振频率达到所述共振条件；

当所述共振频率小于所述目标频率时，则基于所述振子调整质量及所述振子的初始质量，减小所述振子调整质量；

当所述共振频率大于所述目标频率时，则基于所述振子调整质量及所述振子的初始质量，增加所述振子调整质量。

5.如权利要求1所述的结构疲劳寿命的试验方法，其特征在于，通过如下步骤判断所述共振频率是否达到所述共振条件：

判断所述共振频率与所述目标频率之差是否在预设的工程误差阈值内；若是，则认为所述共振频率达到所述共振条件；若否，则认为所述共振频率未达到所述共振条件。

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