用于小尺寸构件高阶振动疲劳测试的压电高频振动系统技术方案

本发明专利技术提供一种用于小尺寸构件高阶振动疲劳测试的压电高频振动系统，包括固定支架组件、基于压电陶瓷的高频振动台、功率驱动器和工业计算机；基于压电陶瓷的高频振动台包括振动台底座、输出振动端盖和三支位移输出相同的压电陶瓷；压电陶瓷作为动力源，基于压电陶瓷的高频振动台安装在固定支架组件上，高频振动台的振动位置角度的调节范围在230度角以内；功率驱动器的输入端连接工业计算机的输出端，功率驱动器的输出端连接压电陶瓷。本发明专利技术的高频振动台结构简单紧凑、外形小、成本低、振动输出力大；驱动控制系统负载能力强、振动控制容易且控制精度高、操作简便、可输出各种振动激励信号，有效完成对各类小尺寸构件的高阶振动疲劳测试。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于振动疲劳测试
，具体是一种用于小尺寸构件高阶振动疲劳测 试的压电高频振动系统。
技术介绍
在航空发动机、燃气轮机、汽轮机、大型离屯、压缩机等动力机械装备中存在着大量 的小尺寸构件，例如叶片、叶轮、轴承、密封环等。该些小尺寸构件在气动场、惯性力场、机械 振动场等多场禪合环境作用下，经常由于振动超标而影响动力设备的工作效率，更严重的 情况是由于振动疲劳，特别是因为高阶振动疲劳而发生失效。对于高阶振动疲劳失效，目前 还不能被有效克服，因此需要加深对该类结构的高阶振动疲劳测试的相关技术及方法的研 究，特别是开发出可W满足高阶振动疲劳测试需求的仪器或设备。 在上述机械装备中服役的小尺寸构件，其高阶振动频率通常较高，例如，对于一些 小型叶片，其第6阶固有频率已达7000化W上。同时，小尺寸构件的高阶振动往往具有多 个节点或多条节线，且具有微小振动、局部振动丰富、应力分布复杂等特点，随着频率和模 态阶次的增大，高阶振动对应的模态振型愈加难W辨别。传统振动激励设备，如常用的力 键、激振器、振动台的激振频率范围一般最大只能达到6曲Z，而小尺寸构件的很多阶固有频 率分布在化~12曲Z范围内甚至12曲ZW上的高频频段内。因此，传统的振动激励设备无 法满足小尺寸构件高阶振动疲劳测试的迫切需求。 压电陶瓷是能够实现机械能与电能相互转化和禪合的一类重要功能材料，由于逆 压电效应，在变化的电场作用下，压电陶瓷可W产生振动能量。同时，由于其体积小、重量 轻，因此该类型陶瓷在高频激励方面相对于其它激振方式和方法有着很大的优势。但由于 压电陶瓷在尺寸、材料参数、电容量、制备工艺（单级性或双级性）化及驱动电源的输出功 率等方面存在很大的差异，目前将压电陶瓷直接作为振动激振设备使用还存在一些问题。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种用于小尺寸构件高阶振动疲劳测试的 压电高频振动系统。 本专利技术的技术方案是： 一种用于小尺寸构件高阶振动疲劳测试的压电高频振动系统，包括固定支架组 件、基于压电陶瓷的高频振动台、功率驱动器和工业计算机；[000引所述基于压电陶瓷的高频振动台包括振动台底座、输出振动端盖和=支位移输出 相同的压电陶瓷；=支位移输出相同的压电陶瓷作为动力源，=支位移输出相同的压电陶 瓷平行设置且W相隔角度为120度分布安装在振动台底座、输出振动端盖之间，振动台底 座、输出振动端盖扣合；所述基于压电陶瓷的高频振动台安装在固定支架组件上，高频振动台的振动位置 角度的调节范围在230度角W内； 功率驱动器的输入端连接工业计算机的输出端，功率驱动器的输出端连接压电陶 瓷。 所述基于压电陶瓷的高频振动台垂直或水平安装在固定支架组件上。 所述=支位移输出相同的压电陶瓷的两端均分别设置第一顶块和第二顶块，第一 顶块位于压电陶瓷一端与输出振动端盖之间，第二顶块位于压电陶瓷另一端与振动台底座 之间，第二顶块与振动台底座之间设置第一螺纹顶丝和第二螺纹顶丝，第一螺纹顶丝和第 二螺纹顶丝锁紧从而使压电陶瓷固定在振动台底座和输出振动端盖之间。 所述输出振动端盖顶部有五个螺纹孔，输出振动端盖中部具有柔性较链结构。 所述柔性较链结构为中间由较链臂连接的两层柔性较链结构，上层的较链臂和下 层的较链臂相差30度。 所述固定支架组件包括固定支架底座和两个固定支架手柄，基于压电陶瓷的高频 振动台通过两个固定支架手柄活动安装在固定支架底座内部，两个固定支架手柄分别穿过 固定支架底座，振动台底座与固定支架底座内侧壁之间设置固定支架挡圈。 所述振动台底座和输出振动端盖之间通过螺钉固定连接，且振动台底座和输出振 动端盖之间设置有弹黃垫片，弹黃垫片与输出振动端盖设置有平垫。 所述功率驱动器包括供电电源和功率转化电路；供电电源采用高频高压开关稳压 电源，供电电源的输出端连接功率转化电路的输入端，功率转化电路的输出端连接压电陶 瓷。 采用所述的用于小尺寸构件高阶振动疲劳测试的压电高频振动系统进行小尺寸 构件高阶振动疲劳测试的方法，包括W下步骤： 步骤1 ;将小尺寸构件安装在高频振动台的输出振动端盖上； 步骤2 ;为S支位移输出相同的压电陶瓷通入驱动电压和电流，从而使高频振动 台产生高频振动；[002U步骤3 ;小尺寸构件在高频振动台的带动下产生高频振动，同时测量小尺寸构件 振动参数，包括振动频率和振动幅值； 步骤4 ;选择高阶振动疲劳测试的阶次并布置应变传感器；首先采用有限元仿真 方法，获得小尺寸构件的应变振型，确定所选择的阶次对应的应变振型特点，然后将应变传 感器布置于小尺寸构件的最大应变位置； 步骤5 ;对小尺寸构件固有频率进行高阶振动疲劳测试；首先采用键击法模态测 试或有限元仿真分析方法，初步获得小尺寸构件的固有频率；然后，设定扫频范围，利用压 电高频振动系统对小尺寸构件进行扫频测试，采用由高到低的扫频方法获得小尺寸构件 振动响应的=维瀑布图，通过辨识峰值响应对应的频率，获得小尺寸构件的高阶固有频率 值； 步骤6 ;选定疲劳循环次数并初步确定极限应力和极限应变；选择106W上的疲劳 循环次数S，并根据小尺寸构件材料对应的S-N曲线，初步确定与高阶振动疲劳测试的极限 应力，N为应力循环次数； 步骤7 ;确定达到极限应变所需的激励幅度和疲劳失效时间；在选定的振动疲劳 测试阶次下，利用压电高频振动系统对小尺寸构件进行共振激励，通过动应变传感器测试 获得不同激励幅度对应的动力变值，直到确定出达到极限应变所需的激励幅度，并绘制激 励幅度-动应变曲线，同时估算小尺寸构件在极限应变作用下发生疲劳失效的时间； 步骤8 ;确定小尺寸构件疲劳失效准则，完成高阶振动疲劳测试；分别从频率、动 应变和微观裂纹角度来判断小尺寸构件是否发生高阶疲劳失效，包括：①测试小尺寸构件 的固有频率变化，当高阶固有频率下降2%~5%W后，则判断小尺寸构件发生疲劳破坏； ②依据应变传感器监视小尺寸构件的动应变幅度的变化，如果动应变幅值在高阶疲劳测试 初期大小保持不变，到高阶疲劳测试后期由于结构微观裂纹的产生，导致刚度下降，在相同 的激振幅度下，应变幅值变大程度达到5%~10%，则判断小尺寸构件发生疲劳破坏；⑨完 成高阶振动疲劳测试后，通过放大镜观察小尺寸构件的表面是否产生裂纹，当能用肉眼观 察到裂纹时，则判断小尺寸构件发生疲劳破坏。 步骤5中设定的扫频范围是初步获得的小尺寸构件的固有频率的75%~125%。 [00測有益效果： 本专利技术提供一种用于小当前第1页1 2 3 4 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于小尺寸构件高阶振动疲劳测试的压电高频振动系统，其特征在于：包括固定支架组件、基于压电陶瓷的高频振动台、功率驱动器和工业计算机；所述基于压电陶瓷的高频振动台包括振动台底座、输出振动端盖和三支位移输出相同的压电陶瓷；三支位移输出相同的压电陶瓷作为动力源，三支位移输出相同的压电陶瓷平行设置且以相隔角度为120度分布安装在振动台底座、输出振动端盖之间，振动台底座、输出振动端盖扣合；所述基于压电陶瓷的高频振动台安装在固定支架组件上，高频振动台的振动位置角度的调节范围在230度角以内；功率驱动器的输入端连接工业计算机的输出端，功率驱动器的输出端连接压电陶瓷。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李晖，李鹤，孙伟，李朝峰，罗忠，闻邦椿，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21