用于小尺寸構(gòu)件高階振動(dòng)疲勞測(cè)試的壓電高頻振動(dòng)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于振動(dòng)疲勞測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種用于小尺寸構(gòu)件高階振動(dòng)疲勞測(cè) 試的壓電高頻振動(dòng)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)、大型離屯、壓縮機(jī)等動(dòng)力機(jī)械裝備中存在著大量 的小尺寸構(gòu)件，例如葉片、葉輪、軸承、密封環(huán)等。該些小尺寸構(gòu)件在氣動(dòng)場(chǎng)、慣性力場(chǎng)、機(jī)械 振動(dòng)場(chǎng)等多場(chǎng)禪合環(huán)境作用下，經(jīng)常由于振動(dòng)超標(biāo)而影響動(dòng)力設(shè)備的工作效率，更嚴(yán)重的 情況是由于振動(dòng)疲勞，特別是因?yàn)楦唠A振動(dòng)疲勞而發(fā)生失效。對(duì)于高階振動(dòng)疲勞失效，目前 還不能被有效克服，因此需要加深對(duì)該類(lèi)結(jié)構(gòu)的高階振動(dòng)疲勞測(cè)試的相關(guān)技術(shù)及方法的研 究，特別是開(kāi)發(fā)出可W滿足高階振動(dòng)疲勞測(cè)試需求的儀器或設(shè)備。
[0003] 在上述機(jī)械裝備中服役的小尺寸構(gòu)件，其高階振動(dòng)頻率通常較高，例如，對(duì)于一些 小型葉片，其第6階固有頻率已達(dá)7000化W上。同時(shí)，小尺寸構(gòu)件的高階振動(dòng)往往具有多 個(gè)節(jié)點(diǎn)或多條節(jié)線，且具有微小振動(dòng)、局部振動(dòng)豐富、應(yīng)力分布復(fù)雜等特點(diǎn)，隨著頻率和模 態(tài)階次的增大，高階振動(dòng)對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型愈加難W辨別。傳統(tǒng)振動(dòng)激勵(lì)設(shè)備，如常用的力 鍵、激振器、振動(dòng)臺(tái)的激振頻率范圍一般最大只能達(dá)到6曲Z，而小尺寸構(gòu)件的很多階固有頻 率分布在化~12曲Z范圍內(nèi)甚至12曲ZW上的高頻頻段內(nèi)。因此，傳統(tǒng)的振動(dòng)激勵(lì)設(shè)備無(wú) 法滿足小尺寸構(gòu)件高階振動(dòng)疲勞測(cè)試的迫切需求。
[0004] 壓電陶瓷是能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)化和禪合的一類(lèi)重要功能材料，由于逆 壓電效應(yīng)，在變化的電場(chǎng)作用下，壓電陶瓷可W產(chǎn)生振動(dòng)能量。同時(shí)，由于其體積小、重量 輕，因此該類(lèi)型陶瓷在高頻激勵(lì)方面相對(duì)于其它激振方式和方法有著很大的優(yōu)勢(shì)。但由于 壓電陶瓷在尺寸、材料參數(shù)、電容量、制備工藝（單級(jí)性或雙級(jí)性）化及驅(qū)動(dòng)電源的輸出功 率等方面存在很大的差異，目前將壓電陶瓷直接作為振動(dòng)激振設(shè)備使用還存在一些問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種用于小尺寸構(gòu)件高階振動(dòng)疲勞測(cè)試的 壓電高頻振動(dòng)系統(tǒng)。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0007] 一種用于小尺寸構(gòu)件高階振動(dòng)疲勞測(cè)試的壓電高頻振動(dòng)系統(tǒng)，包括固定支架組 件、基于壓電陶瓷的高頻振動(dòng)臺(tái)、功率驅(qū)動(dòng)器和工業(yè)計(jì)算機(jī)；
[000引所述基于壓電陶瓷的高頻振動(dòng)臺(tái)包括振動(dòng)臺(tái)底座、輸出振動(dòng)端蓋和=支位移輸出 相同的壓電陶瓷；=支位移輸出相同的壓電陶瓷作為動(dòng)力源，=支位移輸出相同的壓電陶 瓷平行設(shè)置且W相隔角度為120度分布安裝在振動(dòng)臺(tái)底座、輸出振動(dòng)端蓋之間，振動(dòng)臺(tái)底 座、輸出振動(dòng)端蓋扣合；
[0009]所述基于壓電陶瓷的高頻振動(dòng)臺(tái)安裝在固定支架組件上，高頻振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)位置 角度的調(diào)節(jié)范圍在230度角W內(nèi)；
[0010] 功率驅(qū)動(dòng)器的輸入端連接工業(yè)計(jì)算機(jī)的輸出端，功率驅(qū)動(dòng)器的輸出端連接壓電陶 瓷。
[0011] 所述基于壓電陶瓷的高頻振動(dòng)臺(tái)垂直或水平安裝在固定支架組件上。
[0012] 所述=支位移輸出相同的壓電陶瓷的兩端均分別設(shè)置第一頂塊和第二頂塊，第一 頂塊位于壓電陶瓷一端與輸出振動(dòng)端蓋之間，第二頂塊位于壓電陶瓷另一端與振動(dòng)臺(tái)底座 之間，第二頂塊與振動(dòng)臺(tái)底座之間設(shè)置第一螺紋頂絲和第二螺紋頂絲，第一螺紋頂絲和第 二螺紋頂絲鎖緊從而使壓電陶瓷固定在振動(dòng)臺(tái)底座和輸出振動(dòng)端蓋之間。
[0013] 所述輸出振動(dòng)端蓋頂部有五個(gè)螺紋孔，輸出振動(dòng)端蓋中部具有柔性較鏈結(jié)構(gòu)。
[0014] 所述柔性較鏈結(jié)構(gòu)為中間由較鏈臂連接的兩層柔性較鏈結(jié)構(gòu)，上層的較鏈臂和下 層的較鏈臂相差30度。
[0015] 所述固定支架組件包括固定支架底座和兩個(gè)固定支架手柄，基于壓電陶瓷的高頻 振動(dòng)臺(tái)通過(guò)兩個(gè)固定支架手柄活動(dòng)安裝在固定支架底座內(nèi)部，兩個(gè)固定支架手柄分別穿過(guò) 固定支架底座，振動(dòng)臺(tái)底座與固定支架底座內(nèi)側(cè)壁之間設(shè)置固定支架擋圈。
[0016] 所述振動(dòng)臺(tái)底座和輸出振動(dòng)端蓋之間通過(guò)螺釘固定連接，且振動(dòng)臺(tái)底座和輸出振 動(dòng)端蓋之間設(shè)置有彈黃墊片，彈黃墊片與輸出振動(dòng)端蓋設(shè)置有平墊。
[0017] 所述功率驅(qū)動(dòng)器包括供電電源和功率轉(zhuǎn)化電路；供電電源采用高頻高壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓 電源，供電電源的輸出端連接功率轉(zhuǎn)化電路的輸入端，功率轉(zhuǎn)化電路的輸出端連接壓電陶 瓷。
[0018] 采用所述的用于小尺寸構(gòu)件高階振動(dòng)疲勞測(cè)試的壓電高頻振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行小尺寸 構(gòu)件高階振動(dòng)疲勞測(cè)試的方法，包括W下步驟：
[0019] 步驟1 ;將小尺寸構(gòu)件安裝在高頻振動(dòng)臺(tái)的輸出振動(dòng)端蓋上；
[0020] 步驟2 ;為S支位移輸出相同的壓電陶瓷通入驅(qū)動(dòng)電壓和電流，從而使高頻振動(dòng) 臺(tái)產(chǎn)生高頻振動(dòng)；
[002U步驟3 ;小尺寸構(gòu)件在高頻振動(dòng)臺(tái)的帶動(dòng)下產(chǎn)生高頻振動(dòng)，同時(shí)測(cè)量小尺寸構(gòu)件 振動(dòng)參數(shù)，包括振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅值；
[0022] 步驟4 ;選擇高階振動(dòng)疲勞測(cè)試的階次并布置應(yīng)變傳感器；首先采用有限元仿真 方法，獲得小尺寸構(gòu)件的應(yīng)變振型，確定所選擇的階次對(duì)應(yīng)的應(yīng)變振型特點(diǎn)，然后將應(yīng)變傳 感器布置于小尺寸構(gòu)件的最大應(yīng)變位置；
[0023] 步驟5 ;對(duì)小尺寸構(gòu)件固有頻率進(jìn)行高階振動(dòng)疲勞測(cè)試；首先采用鍵擊法模態(tài)測(cè) 試或有限元仿真分析方法，初步獲得小尺寸構(gòu)件的固有頻率；然后，設(shè)定掃頻范圍，利用壓 電高頻振動(dòng)系統(tǒng)對(duì)小尺寸構(gòu)件進(jìn)行掃頻測(cè)試，采用由高到低的掃頻方法獲得小尺寸構(gòu)件 振動(dòng)響應(yīng)的=維瀑布圖，通過(guò)辨識(shí)峰值響應(yīng)對(duì)應(yīng)的頻率，獲得小尺寸構(gòu)件的高階固有頻率 值；
[0024] 步驟6 ;選定疲勞循環(huán)次數(shù)并初步確定極限應(yīng)力和極限應(yīng)變；選擇106W上的疲勞 循環(huán)次數(shù)S，并根據(jù)小尺寸構(gòu)件材料對(duì)應(yīng)的S-N曲線，初步確定與高階振動(dòng)疲勞測(cè)試的極限 應(yīng)力，N為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；
[0025] 步驟7 ;確定達(dá)到極限應(yīng)變所需的激勵(lì)幅度和疲勞失效時(shí)間；在選定的振動(dòng)疲勞 測(cè)試階次下，利用壓電高頻振動(dòng)系統(tǒng)對(duì)小尺寸構(gòu)件進(jìn)行共振激勵(lì)，通過(guò)動(dòng)應(yīng)變傳感器測(cè)試 獲得不同激勵(lì)幅度對(duì)應(yīng)的動(dòng)力變值，直到確定出達(dá)到極限應(yīng)變所需的激勵(lì)幅度，并繪制激 勵(lì)幅度-動(dòng)應(yīng)變曲線，同時(shí)估算小尺寸構(gòu)件在極限應(yīng)變作用下發(fā)生疲勞失效的時(shí)間；
[0026] 步驟8 ;確定小尺寸構(gòu)件疲勞失效準(zhǔn)則，完成高階振動(dòng)疲勞測(cè)試；分別從頻率、動(dòng) 應(yīng)變和微觀裂紋角度來(lái)判斷小尺寸構(gòu)件是否發(fā)生高階疲勞失效，包括：①測(cè)試小尺寸構(gòu)件 的固有頻率變化，當(dāng)高階固有頻率下降2%~5%W后，則判斷小尺寸構(gòu)件發(fā)生疲勞破壞； ②依據(jù)應(yīng)變傳感器監(jiān)視小尺寸構(gòu)件的動(dòng)應(yīng)變幅度的變化，如果動(dòng)應(yīng)變幅值在高階疲勞測(cè)試 初期大小保持不變，到高階疲勞測(cè)試后期由于結(jié)構(gòu)微觀裂紋的產(chǎn)生，導(dǎo)致剛度下降，在相同 的激振幅度下，應(yīng)變幅值變大程度達(dá)到5%~10%，則判斷小尺寸構(gòu)件發(fā)生疲勞破壞；⑨完 成高階振動(dòng)疲勞測(cè)試后，通過(guò)放大鏡觀察小尺寸構(gòu)件的表面是否產(chǎn)生裂紋，當(dāng)能用肉眼觀 察到裂紋時(shí)，則判斷小尺寸構(gòu)件發(fā)生疲勞破壞。
[0027] 步驟5中設(shè)定的掃頻范圍是初步獲得的小尺寸構(gòu)件的固有頻率的75%~125%。 [00測(cè)有益效果：
[0029] 本發(fā)明提供一種用于小