一种薄壁圆柱壳结构件实验台及测试方法
【专利摘要】一种薄壁圆柱壳结构件的实验台及其测试方法，属于结构件测量实验【技术领域】。其装置包括电机，电机动力输出端连接主轴，主轴上设置有带中心孔圆盘和导电滑环，待测的模型圆柱壳结构件设置于带中心孔圆盘上，模型圆柱壳结构件外部侧面设置有电涡流位移传感器，内部粘贴有加速度传感器,电机、主轴、电涡流位移传感器以及导电滑环通过支架设置在底座上。其测试用方法首先记录原型薄壁圆柱壳结构件的相关参数，然后制作模型薄壁圆柱壳结构件，通过测量模型圆柱壳的动力学特性，借助动力学相似原理可以确定原型薄壁圆柱壳结构件的动力学特性,本发明可以用于测量薄壁光圆柱壳结构件或加薄壁环肋的圆柱壳结构件，实验成本低，且操作性高。
【专利说明】一种薄壁圆柱壳结构件实验台及测试方法【技术领域】:
[0001]本发明属于圆柱壳结构件测试实验【技术领域】，具体涉及一种薄壁圆柱壳结构件实验台及测试方法。
【背景技术】:
[0002]薄壁圆柱壳类结构件是航空发动机的典型基础单元结构件，是航空发动机的关键部件。由于设计、制造、装配或工作环境恶化等原因，该类基础单元结构件的振动故障不可避免，而且单个结构件一旦出现故障就可能引起连锁反应，导致整个设备无法正常工作，甚至造成一系列事故。因此，对薄壁圆柱壳类结构件进行动力学特性分析十分重要。目前对一端固定、一端自由的旋转薄壁圆柱壳结构件的振动测试技术存在的问题在于:用加速度传感器所测得的振动信号不易输出，导致振动信号不易采集，旋转薄壁圆柱壳结构件的振动测试实验装置还不完善。薄壁圆柱壳类结构件的动力学问题仅靠理论上的解析和数值模型不能彻底解决问题，必须结合物理实验研究，然而，在实际工程中，直接采用原型薄壁圆柱壳结构件进行实验往往存在很大限制，如:存在实验台动力和空间的限制、实验复杂度的限制以及实验成本高和实验周期长等众多问题。
【发明内容】
:
[0003]为解决薄壁圆柱壳结构件振动测试技术存在的上述问题，本发明提供一种节省空间、测量精确、便捷的基于动力学相似原理的薄壁圆柱壳结构件实验台及测试方法。
[0004]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:一种薄壁圆柱壳结构件实验台，包括底座、转子驱动部分和数据采集部分，所述底座上设置有电机支架、轴承座支架、传感器支架和导电滑环支架，所述转子驱动部分包括电机、主轴和带中心孔圆盘，所述电机固定在电机支架上，电机的动力输出端与主轴通过联轴器相连接，在主轴上设置有轴承，轴承固定在轴承座内，轴承座固定在轴承座支架上，在主轴上分别固定有导电滑环的转子和带中心孔圆盘，导电滑环的定子固定在导电滑环支架上；
[0005]所述数据采集部分包括电涡流位移传感器和加速度传感器，电涡流位移传感器固定在传感器支架上，加速度传感器的信号输出端与导电滑环转子的信号输入端相连接。
[0006]在所述底座上端面设置有T型槽，电机支架、轴承座支架、导电滑环支架和传感器支架均通过置于T型槽内的螺钉固装在底座上。
[0007]采用所述的薄壁圆柱壳结构件实验台的测试方法，包括以下步骤:
[0008]步骤一:记录下待研究的原型薄壁圆柱壳结构件的几何尺寸参数、材料参数和动力学参数；
[0009]步骤二:根据动力学相似原理，通过原型薄壁圆柱壳结构件的几何尺寸参数、材料参数和动力学参数，确定实验用的模型薄壁圆柱壳结构件几何尺寸参数、材料参数和动力学参数；
[0010]步骤三:根据步骤二中确定的模型薄壁圆柱壳结构件的几何尺寸参数、材料参数和动力学参数，制造加工出实验用的模型薄壁圆柱壳结构件；
[0011]步骤四:对已加工好的模型薄壁圆柱壳结构件进行静态振动测试和动态振动测试:
[0012]I)模型薄壁圆柱壳结构件的静态振动测试，
[0013]将模型薄壁圆柱壳结构件安装到带中心孔圆盘一侧，将加速度传感器粘贴在模型薄壁圆柱壳结构件内壁上，将导电滑环定子的信号输出端与振动模态测试分析仪和计算机相连接，将电涡流位移传感器的信号输出端与振动模态测试分析仪和计算机相连接；
[0014]开始进行模型薄壁圆柱壳结构件的静态振动测试，利用激振力锤依次敲击模型薄壁圆柱壳结构件不同位置点，激振力锤敲击模型薄壁圆柱壳结构件产生的数据及加速度传感器采集到的数据传输给振动模态测试分析仪和计算机，通过计算机对数据进行处理，最终得到模型薄壁圆柱壳结构件的静态固有频率；
[0015]2)模型薄壁圆柱壳结构件的动态振动测试，
[0016]a)动态固有频率测试
[0017]首先启动电机，通过电机带动主轴上的带中心孔圆盘转动，进而带动模型薄壁圆柱壳结构件转动，设定电机转速为Ωπ，在模型薄壁圆柱壳结构件转动过程中，加速度传感器不断的采集实时信号并将所采集的信号通过导电滑环传输给振动模态测试分析仪和计算机，并通过计算机对所采集的数据进行处理，最终得到模型薄壁圆柱壳结构件的各阶动态固有频率；
[0018]b)临界转速测试
[0019]调整传感器支架的位置，令电涡流位移传感器的数据采集端正对模型薄壁圆柱壳结构件的外壁；
[0020]启动电机，使电机转速逐渐升高，在模型薄壁圆柱壳结构件转动过程中，电涡流位移传感器不断的采集实时信号并将所采集的信号传输给振动模态测试分析仪和计算机，通过计算机对所采集的数据进行处理，最终得到模型薄壁圆柱壳结构件的临界转速；
[0021]步骤五:通过对模型薄壁圆柱壳结构件进行静态振动测试及动态振动测试所得的测试结果确定原型薄壁圆柱壳结构件的动力学特性。
[0022]步骤二中所述的根据动力学相似原理，通过原型薄壁圆柱壳结构件的几何尺寸参数、材料参数和动力学参数，确定实验用的模型薄壁圆柱壳结构件几何尺寸参数、材料参数和动力学参数，具体包括如下步骤:
[0023]步骤A:确定模型薄壁圆柱壳结构件几何尺寸参数
[0024]结合原型薄壁圆柱壳结构件和实验台几何空间，确定模型薄壁圆柱壳结构件与原型薄壁圆柱壳结构件几何尺寸参数相似比，原型薄壁圆柱壳结构件为薄壁光圆柱壳结构件或薄壁加环肋圆柱壳结构件，则模型薄壁圆柱壳结构件几何尺寸参数的相似关系为:
[0025]a)原型薄壁圆柱壳结构件为薄壁光圆柱壳结构件时
[0026]Ali = Lml/Lpl
[0027]λΕ1 = Rml/Rpi
[0028]Ahl = hffll/hpl
[0029]其中，Xu为薄壁光圆柱壳结构件长度相似比，Lml为模型薄壁光圆柱壳结构件长度，Lpl为原型薄壁光圆柱壳结构件长度，λ E1为薄壁光圆柱壳结构件中面半径相似比，Rml为模型薄壁光圆柱壳结构件中面半径，Rpl为原型薄壁光圆柱壳结构件中面半径，λω为薄壁光圆柱壳结构件壁厚相似比，hml为模型薄壁光圆柱壳结构件壁厚，hpl为原型薄壁光圆柱壳结构件壁厚；
[0030]b)原型薄壁圆柱壳结构件为薄壁加环肋圆柱壳结构件时
【权利要求】
1.一种薄壁圆柱壳结构件实验台，其特征在于:包括底座、转子驱动部分和数据采集部分，所述底座上设置有电机支架、轴承座支架、传感器支架和导电滑环支架，所述转子驱动部分包括电机、主轴和带中心孔圆盘，所述电机固定在电机支架上，电机的动力输出端与主轴通过联轴器相连接，在主轴上设置有轴承，轴承固定在轴承座内，轴承座固定在轴承座支架上，在主轴上分别固定有导电滑环的转子和带中心孔圆盘，导电滑环的定子固定在导电滑环支架上； 所述数据采集部分包括电涡流位移传感器和加速度传感器，电涡流位移传感器固定在传感器支架上，加速度传感器的信号输出端与导电滑环转子的信号输入端相连接。
2.根据权利要求1所述的薄壁圆柱壳结构件实验台，其特征在于:在所述底座上端面设置有T型槽，电机支架、轴承座支架、导电滑环支架和传感器支架均通过置于T型槽内的螺钉固装在底座上。
3.采用权利要求1所述的薄壁圆柱壳结构件实验台的测试方法，其特征在于:包括以下步骤: 步骤一:记录下待研究的原型薄壁圆柱壳结构件的几何尺寸参数、材料参数和动力学参数； 步骤二:根据动力学相似原理，通过原型薄壁圆柱壳结构件的几何尺寸参数、材料参数和动力学参数，确定实验用的模型薄壁圆柱壳结构件几何尺寸参数、材料参数和动力学参数； 步骤三:根据步骤二中确定的模型薄壁圆柱壳结构件的几何尺寸参数、材料参数和动力学参数，制造加工出实验用的模型薄壁圆柱壳结构件； 步骤四:对已加工好的模型薄壁圆柱壳结构件进行静态振动测试和动态振动测试: 1)模型薄壁圆柱壳结构件的静态振动测试， 将模型薄壁圆柱壳结构件安装到带中心孔圆盘一侧，将加速度传感器粘贴在模型薄壁圆柱壳结构件内壁上，将导电滑环定子的信号输出端与振动模态测试分析仪和计算机相连接，将电涡流位移传感器的信号输出端与振动模态测试分析仪和计算机相连接； 开始进行模型薄壁圆柱壳结构件的静态振动测试，利用激振力锤依次敲击模型薄壁圆柱壳结构件不同位置点，激振力锤敲击模型薄壁圆柱壳结构件产生的数据及加速度传感器采集到的数据传输给振动模态测试分析仪和计算机，通过计算机对数据进行处理，最终得到模型薄壁圆柱壳结构件的静态固有频率； 2)模型薄壁圆柱壳结构件的动态振动测试， a)动态固有频率测试 首先启动电机，通过电机带动主轴上的带中心孔圆盘转动，进而带动模型薄壁圆柱壳结构件转动，设定电机转速为Ωπ，在模型薄壁圆柱壳结构件转动过程中，加速度传感器不断的采集实时信号并将所采集的信号通过导电滑环传输给振动模态测试分析仪和计算机，并通过计算机对所采集的数据进行处理，最终得到模型薄壁圆柱壳结构件的各阶动态固有频率； b)临界转速测试 调整传感器支架的位置，令电涡流位移传感器的数据采集端正对模型薄壁圆柱壳结构件的外壁；启动电机，使电机转速逐渐升高，在模型薄壁圆柱壳结构件转动过程中，电涡流位移传感器不断的采集实时信号并将所采集的信号传输给振动模态测试分析仪和计算机，通过计算机对所采集的数据进行处理，最终得到模型薄壁圆柱壳结构件的临界转速； 步骤五:通过对模型薄壁圆柱壳结构件进行静态振动测试及动态振动测试所得的测试结果确定原型薄壁圆柱壳结构件的动力学特性。
4.根据权利要求3所述的薄壁圆柱壳结构件实验台的测试方法，其特征在于:步骤二中所述的根据动力学相似原理，通过原型薄壁圆柱壳结构件的几何尺寸参数、材料参数和动力学参数，确定实验用的模型薄壁圆柱壳结构件几何尺寸参数、材料参数和动力学参数，具体包括如下步骤: 步骤A:确定模型薄壁圆柱壳结构件几何尺寸参数 结合原型薄壁圆柱壳结构件和实验台几何空间，确定模型薄壁圆柱壳结构件与原型薄壁圆柱壳结构件几何尺寸参数相似比，原型薄壁圆柱壳结构件为薄壁光圆柱壳结构件或薄壁加环肋圆柱壳结构件，则模型薄壁圆柱壳结构件几何尺寸参数的相似关系为: a)原型薄壁圆柱壳结构件为薄壁光圆柱壳结构件时
入 LI = Lml/Lpl
入 Rl = Rml/Rpl
入 ω = hml/hpl 其中，Xu为薄壁光圆柱壳结构件长度相似比，Lml为模型薄壁光圆柱壳结构件长度，Lpl为原型薄壁光圆柱壳结构件长度，λ K1为薄壁光圆柱壳结构件中面半径相似比，Rml为模型薄壁光圆柱壳结构件中面半径，Rpl为原型薄壁光圆柱壳结构件中面半径，λ hl为薄壁光圆柱壳结构件壁厚相似比，hml为模型薄壁光圆柱壳结构件壁厚，hpl为原型薄壁光圆柱壳结构件壁厚； b)原型薄壁圆柱壳结构件为薄壁加环肋圆柱壳结构件时
5.根据权利要求3所述的薄壁圆柱壳结构件实验台的测试方法，其特征在于:步骤四中所述的动态固有 频率测试过程中的设定电机转速为Ωπ，电机转速Ωπ为模型薄壁圆柱壳结构件转速，其由下式确定:
Ω?> = λ Ω.Ωρ 其中，λ Ω为薄壁圆柱壳结构件转速相似比，通过薄壁圆柱壳结构件动力微分平衡方程推导得出，Ωρ为原型薄壁圆柱壳结构件工作时的转速。
6.根据权利要求3所述的薄壁圆柱壳结构件实验台的测试方法，其特征在于:步骤五中所述的通过对模型薄壁圆柱壳结构件进行静态及动态振动测试所得的测试结果确定原型薄壁圆柱壳结构件的动力学特征，即确定原型薄壁圆柱壳结构件的静态及动态固有频率、临界转速，其具体确定方法如下: a)原型薄壁圆柱壳结构件为薄壁光圆柱壳结构件时 原型薄壁光圆柱壳结构件的静态固有频率计算表达式为:
【文档编号】G01M7/06GK103994869SQ201410217376
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月21日 优先权日:2014年5月21日
【发明者】罗忠, 郭健, 时海丽, 李建章, 陈晓兵 申请人:东北大学