一种绿色智能振动时效系统及方法技术方案

绿色智能振动时效系统，包括上位机系统、信号发生器、驱动器、激振器、应变传感器、动态应变仪、加速度传感器、电荷放大器、示波器、数据采集卡、支撑装置；激振器固定在构件表面，构件采用具有弹性的支撑装置进行支撑；上位机系统包括应变波形获取模块，应变峰值提取模块，动应力转换模块，构件弹性模量设置模块，电压波形获取模块和电压峰值提取模块。绿色智能振动时效方法包括数值模拟分析；确定有效振型与参考频率；将构件与激振器固定连接，对构件进行弹性支撑；得到激振动应力转换方法；确定激振频率；确定激振动应力；确定激振时间。本发明专利技术具有能够提高振动时效系统的智能化水平以及获得理想的振动时效消除残余应力的效果的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种绿色智能振动时效系统及方法
本专利技术涉及振动时效
，特指一种绿色智能振动时效系统及方法。技术背景如何消除构件加工制造过程中的残余应力是机械制造工业领域中的一项重要研究课题。传统的残余应力消除方法主要是热时效技术，然而热时效技术在应用时存在的不足主要包括能耗高、时效处理时间长、热处理设备昂贵、不易于现场操作、容易造成环境污染。振动时效技术具有处理效果好、处理时间短、环境污染小、能耗低、易于现场操作等特点，属于高效节能绿色环保的时效处理技术；在二十一世纪振动时效技术具备了取代传统热时效技术的可能。因此，对振动时效技术开展研究具有重要的理论意义和工程应用价值。然而目前振动时效系统智能化水平低，降低了振动时效处理的效率。此外，目前市场上应用的振动时效系统采用的是传统的扫频法确定振动时效的激振频率，并未考虑构件的残余应力分布状态，这样确定的振动时效激振频率，不利于获得理想的振动时效消除残余应力的效果。对于激振动应力的确定主要是依据宏观机理进行展开的，即激振器产生的动应力的幅值与残余应力之和应大于时效构件的屈服强度，而动应力的幅值应小于构件的疲劳极限。在开展振动时效实验时，通常采用构件的加速度振级来评估作用在构件上的激振动应力。虽然加速度振级能够用来表征作用在构件上的振动能量的大小，但是无法通过加速度振级直接得出作用在构件上的激振动应力。对于激振时间的确定主要是按时效构件的重量或者按时效构件振动时效处理过程中的振动响应，当加速度曲线出现上升后变平、上升后下降然后变平等现象后在持续振动时效处理3～5min即可，一般累计振动时效处理的时间不应超过40min。综上所述，采用现有的振动时效系统对构件开展振动时效处理时，对于工艺参数的制定还存在着较大的主观性，主要是依靠经验来确定具体的工艺参数值，这样必然会导致振动时效技术在应用中，经常会出现残余应力消除效果不理想的情况，因此有必要对振动时效系统及方法开展进一步的研究。针对目前振动时效系统在应用时智能化水平低以及时效效果不理想的不足，本专利技术提出一种绿色智能振动时效系统及方法。
技术实现思路
针对目前振动时效系统在应用时智能化水平低以及时效效果不理想的不足，本专利技术提出一种绿色智能振动时效系统及方法，旨在为了提高振动时效系统的智能化水平以及获得理想的振动时效消除残余应力的效果。绿色智能振动时效系统，包括上位机系统、信号发生器、驱动器、激振器、应变传感器、动态应变仪、加速度传感器、电荷放大器、示波器、数据采集卡、支撑装置；激振器固定在构件表面，构件采用具有弹性的支撑装置进行支撑；上位机系统控制信号发生器输出幅值和频率均独立且连续可调的正弦激振信号；信号发生器输出的正弦激振信号经由驱动器输入到激振器，驱动激振器产生振动；加速度传感器安装在构件上，加速度传感器的输出端与电荷放大器的输入端连接，电荷放大器的输出端与示波器的输入端连接，示波器的输出端与数据采集卡的输入端连接；应变传感器粘贴在构件上，且应变传感器的引出线与动态应变仪的输入端连接，动态应变仪的输出端与数据采集卡的输入端连接；数据采集卡的输出端与上位机系统连接。上位机系统包括获取动态应变仪采集到的应变波形的应变波形获取模块，从应变波形中提取应变峰值ε(με)的应变峰值提取模块，将提取到的应变峰值转换为激振动应力的动应力转换模块，构件弹性模量设置模块，获取示波器显示的电压波形的电压波形获取模块，从电压波形中提取电压峰值U(V)的电压峰值提取模块。构件弹性模量设置模块中预设有构件的弹性模量E(GPa)；激振动应力与应变峰值的转换关系为其中σd为激振动应力，激振动应力通过上位机系统中的显示界面显示给用户。进一步，支撑装置为弹性元件。进一步，加速度传感器为压电式加速度传感器。绿色智能振动时效方法包括以下步骤：(1)、上位机系统中预先安装好有限元数值模拟软件，采用有限元数值模拟软件建立构件的三维有限元模型，模拟构件的实际加工制造过程，得到构件的表面残余应力分布状态；对构件进行数值模态分析，得到构件的各阶应变振型与固有频率；(2)、根据数值模拟分析得到的构件表面残余应力分布状态，确定构件较大残余应力所在的区域；根据数值模态分析得到的构件各阶应变振型，确定各阶应变振型较大应变所在的区域；选取应变振型较大应变所在的区域与较大残余应力所在的区域一致时的应变振型，作为振动时效处理时的有效振型，该应变振型对应的固有频率作为扫频处理时的参考频率，并记作fr(Hz)；(3)、根据步骤(2)确定的有效振型，确定构件的振动峰值与振动节点所在的位置；将激振器固定在构件的振动峰值位置处；在构件的振动节点处采用具有弹性的支撑装置对构件进行支撑，以便激振器对构件进行激振；将加速度传感器安装在构件较大残余应力所在的区域；将应变传感器粘贴在构件较大残余应力所在的区域；接通信号连线；接通电源；(4)、在构件弹性模量设置模块中设置构件的弹性模量E(GPa)；应变波形获取模块获取动态应变仪采集到的应变波形；应变峰值提取模块从应变波形中提取应变峰值ε(με)；激振动应力的动应力转换模块中输出的激振动应力与应变峰值的转换关系为并通过上位机系统中的显示界面显示给用户；(5)、根据步骤(2)确定的参考频率fr(Hz)，确定0.8fr(Hz)作为扫频振动的初始激振频率，开始对构件进行扫频振动，得到构件振动幅值最大的频率作为振动时效处理时的激振频率f；(6)、对构件在确定的激振频率f下进行定频振动时效处理，根据步骤(1)数值模拟分析得到的构件表面残余应力分布状态与步骤(4)测试得到的作用在构件上的激振动应力，确定构件振动时效处理时的激振动应力；(7)、对构件在确定的激振频率f下进行定频振动时效处理时，以Δt时间为间隔，获取应变信号的峰值，当应变信号的峰值保持不变时，切断电源，停止对构件进行振动时效处理。进一步，所述的有限元数值模拟软件为ANSYS有限元软件。进一步，所述的信号连线包括上位机系统与信号发生器之间的信号连线；信号发生器与驱动器之间的信号连线；驱动器与激振器之间的信号连线；应变传感器与动态应变仪之间的信号连线；动态应变仪与数据采集卡之间的信号连线；加速度传感器与电荷放大器之间的信号连线；电荷放大器与示波器之间的信号连线；示波器与数据采集卡之间的信号连线；数据采集卡与上位机系统之间的信号连线；所述的电源包括上位机系统、信号发生器、驱动器、激振器、动态应变仪、电荷放大器、示波器和数据采集卡的电源。进一步，步骤(5)中根据步骤(2)确定的参考频率fr(Hz)，确定0.8fr(Hz)作为扫频振动的初始激振频率，开始对构件进行扫频振动，得到构件振动幅值最大的频率作为振动时效处理时的激振频率f包括以下步骤：(5.1)、扫频振动的初始激振频率f1设置为0.8fr(Hz)，然后以10Hz为步长逐步增加扫频振动的频率；上位机系统中的电压波形获取模块分别记录下每一激振频率时示波器显示的电压波形，同时上位机系统中的电压峰值提取模块提取出每一激振频率时示波器显示的电压波形的峰值，得到电压峰值最大时的频率，并记为f11；(5.2)、扫频振动的初始激振频率设置为(f11-10)Hz，以1Hz为步长逐步增加扫频振动的频率；然后重复步骤(5.1)的过程，得到电压峰值最大时的频率，并记为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.使用一种绿色智能振动时效系统进行振动时效处理的方法，所述的绿色智能振动时效系统包括上位机系统、信号发生器、驱动器、激振器、应变传感器、动态应变仪、加速度传感器、电荷放大器、示波器、数据采集卡、支撑装置；激振器固定在构件表面，构件采用具有弹性的支撑装置进行支撑；上位机系统控制信号发生器输出幅值和频率均独立且连续可调的正弦激振信号；信号发生器输出的正弦激振信号经由驱动器输入到激振器，驱动激振器产生振动；加速度传感器安装在构件上，加速度传感器的输出端与电荷放大器的输入端连接，电荷放大器的输出端与示波器的输入端连接，示波器的输出端与数据采集卡的输入端连接；应变传感器粘贴在构件上，且应变传感器的引出线与动态应变仪的输入端连接，动态应变仪的输出端与数据采集卡的输入端连接；数据采集卡的输出端与上位机系统连接，其特征在于方法按照如下步骤进行：(1)、上位机系统中预先安装好有限元数值模拟软件，采用有限元数值模拟软件建立构件的三维有限元模型，模拟构件的实际加工制造过程，得到构件的表面残余应力分布状态；对构件进行数值模态分析，得到构件的各阶应变振型与固有频率；(2)、根据数值模拟分析得到的构件表面残余应力分布状态，确定构件较大残余应力所在的区域；根据数值模态分析得到的构件各阶应变振型，确定各阶应变振型较大应变所在的区域；选取应变振型较大应变所在的区域与较大残余应力所在的区域一致时的应变振型，作为振动时效处理时的有效振型，该应变振型对应的固有频率作为扫频处理时的参考频率，并记作fr(Hz)；(3)、根据步骤(2)确定的有效振型，确定构件的振动峰值与振动节点所在的位置；将激振器固定在构件的振动峰值位置处；在构件的振动节点处采用具有弹性的支撑装置对构件进行支撑，以便激振器对构件进行激振；将加速度传感器安装在构件较大残余应力所在的区域；将应变传感器粘贴在构件较大残余应力所在的区域；接通信号连线；接通电源；(4)、在构件弹性模量设置模块中设置构件的弹性模量E(GPa)；应变波形获取模块获取动态应变仪采集到的应变波形；应变峰值提取模块从应变波形中提取应变峰值ε(με)；激振动应力的动应力转换模块中输出的激振动应力与应变峰值的转换关系为...

【技术特征摘要】
1.使用一种绿色智能振动时效系统进行振动时效处理的方法，所述的绿色智能振动时效系统包括上位机系统、信号发生器、驱动器、激振器、应变传感器、动态应变仪、加速度传感器、电荷放大器、示波器、数据采集卡、支撑装置；激振器固定在构件表面，构件采用具有弹性的支撑装置进行支撑；上位机系统控制信号发生器输出幅值和频率均独立且连续可调的正弦激振信号；信号发生器输出的正弦激振信号经由驱动器输入到激振器，驱动激振器产生振动；加速度传感器安装在构件上，加速度传感器的输出端与电荷放大器的输入端连接，电荷放大器的输出端与示波器的输入端连接，示波器的输出端与数据采集卡的输入端连接；应变传感器粘贴在构件上，且应变传感器的引出线与动态应变仪的输入端连接，动态应变仪的输出端与数据采集卡的输入端连接；数据采集卡的输出端与上位机系统连接，其特征在于方法按照如下步骤进行：(1)、上位机系统中预先安装好有限元数值模拟软件，采用有限元数值模拟软件建立构件的三维有限元模型，模拟构件的实际加工制造过程，得到构件的表面残余应力分布状态；对构件进行数值模态分析，得到构件的各阶应变振型与固有频率；(2)、根据数值模拟分析得到的构件表面残余应力分布状态，确定构件较大残余应力所在的区域；根据数值模态分析得到的构件各阶应变振型，确定各阶应变振型较大应变所在的区域；选取应变振型较大应变所在的区域与较大残余应力所在的区域一致时的应变振型，作为振动时效处理时的有效振型，该应变振型对应的固有频率作为扫频处理时的参考频率，并记作fr(Hz)；(3)、根据步骤(2)确定的有效振型，确定构件的振动峰值与振动节点所在的位置；将激振器固定在构件的振动峰值位置处；在构件的振动节点处采用具有弹性的支撑装置对构件进行支撑，以便激振器对构件进行激振；将加速度传感器安装在构件较大残余应力所在的区域；将应变传感器粘贴在构件较大残余应力所在的区域；接通信号连线；接通电源；(4)、在构件弹性模量设置模块中设置构件的弹性模量E(GPa)；应变波形获取模块获取动态应变仪采集到的应变波形；应变峰值提取模块从应变波形中提取应变峰值ε(με)；激振动应力的动应力转换模块中输出的激振动应力与应变峰值的转换关系为并通过上位机系统中的显示界面显示给用户；(5)、根据步骤(2)确定的参考频率fr(Hz)，确定0.8fr(Hz)作为扫频振动的初始激振频率，开始对构件进行扫频振动，得到构件振动幅值最大的频率作为振动时效处理时的激振频率f；(6)、对构件在确定的激振频率f下进行定频振动时效处理，根据步骤(1)数值模拟分析得到的构件表面残余应力分布状态与步骤(4)测试得到的作用在构件上的激振动应力，确定构件振动时效处理时的激振动应力；(7)、对构件在确定的激振频率f下进行定频振动时效处理时，以Δt时间为间隔，获取应变信号的峰值，当应变信号的峰值保持不变时，切断电源，停止对构件进...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾邦平，吴辰宇，严小兰，胡雄，
申请(专利权)人：上海海事大学，
类型：发明
国别省市：上海,31