榫连接结构接触刚度与阻尼识别装置及识别方法

1.本发明涉及航空航天机械设计领域，尤其涉及榫连接结构接触刚度与阻尼识别装置及识别方法。


背景技术：

2.榫连接结构广泛应用于以航空发动机为代表的叶轮机械叶-盘连接结构中，是涡轮叶片和盘的主要连接形式。榫连接结构在承受不同工作状态和载荷作用下，榫连接结构的刚度与阻尼可能发生非线性变化，对叶-盘结构动力学特性有着显著的影响。由于榫连接结构一般处于高温、高转速、复杂载荷环境中，对榫头/榫槽结构强度、接触特性和动力学特性的准确预测是航空发动机安全稳定运行的保障。榫连接结构中多曲面协调接触刚度与阻尼特性涉及加工表面粗糙度、初始装配偏差、运行转速频率及转速引起的离心力等诸多因素影响，导致了榫连接结构接触有限元直接建模及连接刚度与阻尼测试的困难。
3.目前，由于表面接触刚度的量级比较大，对榫连接结构接触刚度采用直接测量方式会引入很大的传感器测量误差等；对复杂非连续界面的榫连接结构接触阻尼的间接识别方法鲜有研究，针对简单机械结合面(如螺栓连接的一对粗糙平面)的接触阻尼识别方法，还难以直接应用于复杂多齿面接触阻尼建模中。因此，需要合适的榫连接结构接触刚度与阻尼测试实验装置及识别方法，从而为榫连接结构的设计和制造装配提供依据。


技术实现要素：

4.本发明针对现有榫连接结构性能测量实验装置和方法的不足，提出榫连接结构接触刚度与阻尼识别装置及识别方法。
5.本发明的技术方案：一种榫连接结构接触刚度与阻尼识别装置，包括叶盘1、传力垫块2、叶片3、加速度传感器4、振动台5、底板6、叶盘支架7、液压缸8、压力传感器9、螺栓10、数字显示仪11、保持性放大电荷12、动态数据采集仪13和工控机14；
6.叶盘1、叶盘支架7、底板6和振动台5自上而下依次固连；叶盘支架7内部设有空心箱体结构；叶盘1与叶盘支架7组成的整体结构中，几何形状中心处开有通孔连通至空心箱体结构，通孔上半部分为带有多对对称齿面的榫槽结构，下半部分为长条形；叶片3根部为带齿状的榫头，其与榫槽结构相啮合；传力垫块2与叶片3根部相接触，可拆卸插入长条形的通孔部分；位于空心箱体结构内的液压缸8一端通过压力传感器9与传力垫块2接触，另一端固定；
7.压力传感器9连接保持性电荷放大器12，压力信号通过保持性电荷放大器12放大后实时在数字显示仪11上显示，用于测量液压缸8提供给叶片3的离心拉应力f；加速度传感器4位于叶片3表面上，并与保持性放大电荷12、动态数据采集仪13和工控机14依次相连，用于测量结构的振动加速度。
8.所述底板6形状为工字型。
9.所述叶盘1、叶盘支架7、底板6和振动台5自上而下依次固连的方式均通过螺栓10
螺接。
10.一种榫连接结构接触刚度与阻尼识别方法，包括步骤如下：
11.步骤一、组建榫连接结构接触刚度与阻尼识别装置；
12.步骤二、利用液压缸8对叶片3根部施加离心拉应力f；
13.步骤三、离心拉应力f加载后，待整个榫连接结构状态稳定，锤击叶片3的不同位置；
14.步骤四、根据加速度传感器4、工控机14获得该离心拉应力f下对应的榫连接结构的频率值；
15.步骤五、利用液压缸8施加逐步增大的离心拉应力，直至完成所有应力载荷工况测试，获得不同离心拉应力与固有频率的关系；
16.步骤六、重复上述步骤五不少于5次；
17.步骤七、利用薄层单元法赋予榫连接结构模型一定厚度的薄层单元，通过改变薄层单元的弹性模量，对榫连接结构模型进行有限元模态分析进而获得弹性模量与固有频率之间的关系；
18.步骤八、榫连接结构接触刚度识别方法：
19.s8.1定义试验结果和仿真模型模态结果的平方误差函数：
[0020][0021]
其中，表示榫连接结构固有特性试验中特定离心拉应力作用下的一、三阶固有频率；表示通过薄层单元法仿真计算得到的一、三阶频率拟合函数；ηi表示试验测得的各阶固有频率权重比，表示各阶固有频率对离心拉应力变化的敏感程度，定义为：
[0022][0023]
s8.2利用matlab软件求得使r(f)最小的弹性模量值，通过公式：其中，h为薄层单元的厚度；识别出不同离心拉应力所对应榫接接触面的单位接触刚度值；
[0024]
步骤九、榫连接结构接触阻尼识别方法：
[0025]
s9.1重新组建榫连接结构接触刚度与阻尼识别装置，开启振动台5；
[0026]
s9.2重复上述步骤二、三、四、五操作过程3次，获得不同离心拉应力与振动响应的关系；
[0027]
s9.3利用薄层单元法赋予榫接模型一定厚度的薄层单元，通过在接触面接触刚度识别的基础上改变薄层单元的阻尼比，对榫连接结构模型进行有限元谐响应分析进而获得阻尼比与振动响应之间的关系；
[0028]
s9.4选取一个在离心拉应力下谐响应分析得到的一阶加速度响应，对其按照下列公式进行八项式拟合得到m1：
[0029]
a1＝[m1][ξb]；
[0030]
[m1]＝[m1(1)，m1(2)，m1(3)，m1(4)，m1(5)，m1(6)，m1(7)，m1(8)，m1(9)]
[0031][0032]
其中，a1为一阶加速度响应幅值；ξb为薄层单元材料阻尼比；m1(1)-m1(9)为八次拟合多项式相关系数；
[0033]
s9.5将试验结果中相对应的离心拉应力下的3次振动响应平均幅值a1代入上述拟合公式得到离心拉应力f所对应的阻尼比；
[0034]
s9.6选取其他离心拉应力f重复上述s9.4、s9.5计算过程，从而识别出不同离心拉应力所对应榫接接触面的接触阻尼值。
[0035]
本发明榫连接结构接触刚度与阻尼识别装置及识别方法，榫连接结构齿面接触压力分布测量原理为：首先选取合适量程和裁剪略大于榫头榫槽接触面尺寸的压敏纸；其次在确保榫头榫槽两侧截面对齐时将压敏纸放置在榫头榫槽第一对最大齿接触面，保证接触面与压敏纸处于完全接触状态；通过位于叶盘支架7内的液压缸8对叶片3底部施加垂直向上的力，完成对榫连接结构离心拉应力f的施加，得到表面着色的压敏纸；在通过改变离心拉应力f，重复上述操作，获得不同离心拉应力f对压敏纸着色程度的影响规律，进而确定叶片3根部压力的实施方法。
[0036]
本发明榫连接结构接触刚度与阻尼识别装置及识别方法，榫连接结构接触刚度测量和识别原理为：通过位于叶盘支架7内的液压缸8对叶片3根部施加垂直向上的力，完成对榫连接结构离心拉应力f的施加；通过激励力锤敲击叶片3的表面上，采用加速度传感器4测量榫连接结构的振动特性；再通过加速度传感器信号综合后处理分析，得到不同离心拉应力f时，榫连接结构各阶固有频率变化规律、振动特性变化规律，根据离心拉应力f和振动频率关系，结合有限元分析，反推榫连接结构的接触刚度。
[0037]
本发明榫连接结构接触刚度与阻尼识别装置及识别方法，榫连接结构接触阻尼测量和识别原理为：首先开启振动台5对榫接结构进行振动响应试验，通过位于叶盘支架7内的液压缸8对叶片3根部施加垂直向上的力，完成对榫连接结构离心拉应力f的施加；通过激励力锤敲击叶片3的表面上，采用加速度传感器4测量榫连接结构的振动特性；再通过加速度传感器信号综合后处理分析，得到不同离心拉应力f时，榫连接结构各阶振动响应变化规律，根据离心拉应力f和振动响应关系，结合有限元分析，反推榫连接结构的接触阻尼。
[0038]
本发明的有益效果：
[0039]
(1)通过将榫连接接触面表征为弹性薄层模拟多对粗糙表面的接触效应，建立有限元模型，同时结合固有特性和振动响应试验可以有效识别榫接结构非线性的接触刚度与阻尼，识别精度高；
[0040]
(2)本识别装置及识别方法可以避免纯试验实测接触面对象的局限性与数据结果的随机性；
[0041]
(3)本识别装置及识别方法对此类多对非连续曲面的接触刚度与接触阻尼的识别更具有可靠性、通用性、遍历性；
附图说明
[0042]
图1是榫连接结构接触刚度与阻尼识别装置主视图；
[0043]
图2为不同平均应力下识别出的榫连接结构单位面积接触刚度图；
[0044]
图3为接触阻尼随平均应力的变化曲线。
[0045]
图中：1叶盘、2传力垫块、3叶片、4加速度传感器、5振动台、6底板、7叶盘支架、8液压缸、9压力传感器、10螺栓、11数字显示仪、12保持性放大电荷、13动态数据采集仪、14工控机。
具体实施方式
[0046]
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
[0047]
如图1所示，本发明的榫连接结构接触刚度与阻尼识别装置及识别方法，本装置包括叶盘1、传力垫块2、叶片3、加速度传感器4、振动台5、底板6、叶盘支架7、液压缸8、压力传感器9、螺栓10、数字显示仪11、保持性放大电荷12、动态数据采集仪13和工控机14；
[0048]
具体实施步骤如下：
[0049]
1)、组建榫连接结构接触刚度与阻尼识别装置；
[0050]
2)、利用液压缸8对叶片3根部施加离心拉应力f；
[0051]
3)、离心拉应力f加载后，待整个榫连接结构状态稳定，锤击叶片3的不同位置；
[0052]
4)、根据加速度传感器4、工控机14获得该离心拉应力f下对应的榫连接结构的频率值；
[0053]
5)、利用液压缸8施加逐步增大的离心拉应力，直至完成所有应力载荷工况测试，获得不同离心拉应力与固有频率的关系；
[0054]
6)、重复上述步骤5)不少于5次；
[0055]
7)、利用薄层单元法赋予榫连接结构模型一定厚度的薄层单元，通过改变薄层单元的弹性模量，对榫连接结构模型进行有限元模态分析进而获得弹性模量与固有频率之间的关系；
[0056]
8)、榫连接结构接触刚度识别方法：
[0057]
s8.1、定义试验结果和仿真模型模态结果的平方误差函数：
[0058][0059]
其中，表示榫连接结构固有特性试验中特定离心拉应力作用下的一、三阶固有频率；表示通过薄层单元法仿真计算得到的一、三阶频率拟合函数；ηi表示试验测得的各阶固有频率权重比，表示各阶固有频率对离心拉应力变化的敏感程度，定义为：
[0060][0061]
s8.2、利用matlab软件求得使r(f)最小的弹性模量值，通过公式：h为薄层单元的厚度，可以识别出不同离心拉应力f所对应榫接接触面的单位面积接触刚度值。
[0062]
9)、榫连接结构接触阻尼识别方法：
[0063]
①
、重新组建榫连接结构接触刚度与阻尼识别装置，开启振动台5；
[0064]
②
、重复上述步骤2)、3)、4)、5)操作过程3次，获得不同离心拉应力f与振动响应的关系；
[0065]
③
、利用薄层单元法赋予榫接模型一定厚度的薄层单元，通过在接触面接触刚度识别的基础上改变薄层单元的阻尼比，对榫连接结构模型进行有限元谐响应分析进而获得阻尼比与振动响应之间的关系；
[0066]
④
、选取一个在离心拉应力f下谐响应分析得到的一阶加速度响应对其按照下列公式进行八项式拟合得到m1：
[0067]
a1＝[m1][ξb]；
[0068]
[m1]＝[m1(1)，m1(2)，m1(3)，m1(4)，m1(5)，m1(6)，m1(7)，m1(8)，m1(9)]
[0069][0070]
其中，a1为一阶加速度响应幅值；ξb为薄层单元材料阻尼比；m1(1)-m1(9)为八次拟合多项式相关系数；
[0071]
⑤
、将试验结果中相对应的离心拉应力下的3次振动响应平均幅值a1代入上述拟合公式得到离心拉应力f所对应的阻尼比；
[0072]
⑥
、选取其他离心拉应力f重复上述步骤9)中的
④
、
⑤
计算过程，从而识别出不同离心拉应力f所对应榫接接触面的接触阻尼值。
[0073]
本发明以某榫连接结构的接触刚度与阻尼识别为例，具体实施步骤如下：
[0074]
(1)、某榫连接结构固有特性试验测试：
[0075]
①
、组建榫连接结构接触刚度与阻尼识别装置；
[0076]
②
、利用液压缸8对叶片3根部施加离心拉应力f，离心拉应力f从2000n依次加载到48000n；
[0077]
③
、离心拉应力f加载后，待整个榫连接结构状态稳定，锤击叶片3的不同位置；
[0078]
④
、根据加速度传感器4、工控机14获得该离心拉应力f下对应的榫连接结构的频率值；
[0079]
⑤
、利用液压缸8施加逐步增大的离心拉应力f，直至完成所有应力载荷工况测试，重复此步骤不少于5次；
[0080]
⑥
、对同一离心拉应力f下五次试验加载对应的一、三阶固有频率求平均值，从而获得试验条件下不同离心拉应力对应的一、三阶固有频率的关系；
[0081]
(2)、基于薄层单元法的某榫连接结构固有特性仿真：
[0082]
①
、根据图1建立榫连接结构有限元模型，对模型的部分进行合理的简化；
[0083]
②
、将叶盘1的榫槽结构与叶片3的榫头发生接触的键齿结构简化为矩形薄层单元，薄层单元的厚度设计为0.1mm,薄层单元的密度设计为8.5g/cm3，薄层单元的泊松比设计为0.3；
[0084]
③
、将含有薄层单元的榫连接结构有限元模型导入仿真软件中，进行接触方式和边界条件的设置，边界条件的设置与试验条件保持一致；
[0085]
④
、对榫连接结构进行模态分析，通过修正薄层单元弹性模量，使得仿真结果不断逼近实验测得的榫连接结构固有频率。当仿真结果达到与实验结果差距最小时，获得薄层单元的正确弹性模量和对应的一、三阶固有频率，进而获得不同弹性模量与固有频率之间的关系；
[0086]
(3)、某榫连接结构接触刚度识别：
[0087]
①
、对于给定的离心拉应力f，考虑榫连接结构各阶固有频率的权重影响，定义试
验结果和基于薄层单元仿真模型模态结果的平方误差函数如下：
[0088][0089]
其中，表示榫连接结构固有特性试验中特定离心拉应力作用下的一、三阶固有频率；表示通过薄层单元法仿真计算得到的一、三阶频率拟合函数；ηi表示试验测得的各阶固有频率权重比，表示各阶固有频率对离心拉应力变化的敏感程度，定义为：
[0090][0091]
②
、利用matlab软件求得使r(f)最小的弹性模量值，通过公式：h为薄层单元的厚度，可以识别出不同离心拉应力所对应榫连接结构接触面的单位面积接触刚度值，如表1所示；
[0092]
③
、表1为部分不同离心拉应力f工况下基于薄层单元法得到的弹性模量值、相对误差值以及对应的单位面积接触刚度；
[0093]
表1不同离心拉应力工况下各参数
[0094][0095]
其中，平均应力为离心拉应力除以榫连接结构的接触面积；最佳薄层单元弹性模量计算的各阶固有频率与实验测试结果的相对误差r’定义为：
[0096]
i＝1～n，n为固有频率阶数
[0097]
④
、绘制不同平均应力下识别出的榫连接结构单位面积接触刚度图，如图2所示。
[0098]
(4)、某榫连接结构接触阻尼识别：
[0099]
①
、重新组建榫连接结构接触刚度与阻尼识别装置，开启振动台5；
[0100]
②
、重复上述步骤(1)：某榫连接结构固有特性试验测试过程3次，获得不同离心拉应力/平均应力与振动响应的关系；
[0101]
③
、重复上述步骤(2)：基于薄层单元法的某榫连接结构固有特性仿真，通过在接触面接触刚度识别的基础上改变薄层单元的阻尼比，对榫连接结构模型进行有限元谐响应分析进而获得阻尼比与振动响应之间的关系；
[0102]
④
、选取一个在离心拉应力下谐响应分析得到的一阶加速度响应，对其按照下列公式进行八项式拟合得到m1：
[0103]
a1＝[m1][ξb]；
[0104]
[m1]＝[m1(1)，m1(2)，m1(3)，m1(4)，m1(5)，m1(6)，m1(7)，m1(8)，m1(9)]
[0105][0106]
其中，a1为一阶加速度响应幅值；ξb为薄层单元材料阻尼比；m1(1)-m1(9)为八次拟合多项式相关系数；
[0107]
⑤
、将试验结果中相对应的离心拉应力下的3次振动响应平均幅值a1代入上述拟合公式得到离心拉应力f所对应的阻尼比；
[0108]
⑥
、选取其他离心拉应力f重复上述(4)中的
④
、
⑤
计算过程，从而识别出不同离心拉应力/平均应力所对应榫接接触面的接触阻尼值，如图3所示。