一种飞机金属材料振动疲劳特性测试装置及测试方法与流程

1.本技术属于振动疲劳测试技术领域，特别涉及一种飞机金属材料振动疲劳特性测试装置及测试方法。


背景技术：

2.新一代航空发动机具有高推重比、高可靠性、长寿命等重要性能指标，如何提高航空发动机的可靠性、延长其安全寿命是航空发动机研制、使用和发展的薄弱环节之一。航空发动机实际工作中，叶盘结构同时承受大幅值、低频率的低周载荷（通常由离心载荷和稳态气动载荷构成）和小幅值、高频率的高周振动载荷共同作用，复杂载荷容易诱发部件疲劳失效，进而造成航空发动机的重大事故。据统计，疲劳问题占到了航空发动机安全问题的40%以上，其中超高周疲劳（107次循环以上）是航空发动机和燃气轮机失效的主要原因。
3.研究或验证航空发动机典型结构的疲劳问题，必须将航空发动机典型金属材料的疲劳特征研究从传统的高周疲劳扩展至超高周疲劳。但传统研究一直将低周疲劳（破坏循环周次低于104~105）和高周疲劳（破坏循环周次在105~107）作为重点，很少涉及超高周疲劳问题，因此也缺少航空发动机典型金属材料的超高周振动疲劳s-n曲线。


技术实现要素：

4.本技术的目的是提供了一种飞机金属材料振动疲劳特性测试装置，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。
5.本技术的技术方案是：一种飞机金属材料振动疲劳特性测试装置，所述测试装置包括：用于向金属试棒提供振动所需驱动力的振动台，所述振动台与所述金属试棒一端的固定连接；固定设置在所述金属试棒非固定支撑一端的圆柱形配重块，所述配重块的圆柱面至少具有一个平行于所述金属试棒轴线的通槽，通过调节所述配重块的重量能够获得满足金属试棒振动疲劳特性的一阶拉伸频率；与所述通槽数量相同的限位块，所述限位块具有平行于所述金属试棒轴向且适配所述通槽的凸条，通过所述凸条与所述通槽的配合实现所述金属试棒在振动拉伸时的防扭转。
6.进一步的，所述金属试棒的尺寸与规格根据金属拉伸试样标准制作。
7.进一步的，所述振动台包括多个具有螺纹孔结构的固定柱，所述固定柱自所述振动台的中心呈散射状分布，所述金属试棒与中心位置的所述固定柱通过螺纹结构固定连接。
8.进一步的，所述限位块呈直角三角形，包括直角底边、直角竖边及斜边，所述凸条位于所述直角竖边。
9.进一步的，所述斜边上设有至少一个螺栓孔，所述限位块与所述振动台的固定柱
通过螺栓固定连接。
10.进一步的，所述配重块的圆柱面具有两个或多个所述通槽，所述通槽以所述配重块的轴线周向均布。
11.进一步的，所述配重块与所述金属试棒通过螺纹结构连接。
12.此外，本技术还提供了一种采用如上任一所述的飞机金属材料振动疲劳特性测试装置的测试方法，所述测试方法包括：步骤一：将所述金属试棒的一端与所述配重块固定连接；步骤二：将所述金属试棒的另一端固定设置在振动台的中心处以形成固定支撑结构；步骤三：将所述限位块的凸条与所述配重块的通槽卡接在一起，并调整所述限位块的位置，使所述限位块对准所述振动台的固定孔位并用螺栓固定；步骤四：在所述配重块的通槽内滴入润滑油确保顺滑，使所述金属试棒在振动拉压时的阻力最小；步骤五：通过所述振动台对金属试棒进行扫频试验，获得所述金属试棒的一阶拉伸频率；步骤六：对金属试棒进行标定试验获得所述金属试棒的轴向拉伸位移标定值以及金属试棒危险点的应变标定值，根据所述位移标定值和应变标定值构建不同激励量级下的位移-应变关系曲线；步骤七：对所述金属试棒进行振动疲劳特性测试试验，使用正弦激励激起所述金属试棒的一阶固有频率直至破坏，获得不同激励量值下的振动疲劳寿命及金属试棒的轴向拉伸位移，其中，所述振动疲劳寿命即为循环次数n；步骤八：根据不同激励下的位移-应变关系曲线，由金属试棒的轴向拉伸位移推导得到危险点的应变值，再根据胡克定律获得危险点的应力值s；步骤九：根据步骤七及步骤八中获得的不同激励量值下金属试棒的循环次数n和危险点的应力值s，拟合获得金属试棒的轴向拉压超高周振动疲劳s-n曲线。
13.进一步的，所述金属试棒的轴向拉伸位移通过测量与所述金属试棒固定连接的配重块中心处的高度差获得。
14.进一步的，所述金属试棒的危险点位于所述金属试棒的圆弧区域的中间位置。
15.通过本技术所提供的测试装置及测试方法可以开展航空发动机典型金属材料的超高周常规拉压疲劳试验研究，获得金属材料的轴向拉压超高周振动疲劳s-n曲线参数。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本技术的一些实施例。
17.图1为本技术的金属材料振动疲劳特性测试装置结构示意图。
18.图2为本技术的测试装置中金属试棒与配重块连接示意图。
19.图3为本技术一实施例的限位块与配重块安装示意图。
20.图4为本技术的测试方法中某级激励下的应变测试值与位移测试值关系曲线。
21.图5为本技术的测试方法中金属试棒材料的轴向拉压超高周振动疲劳s-n曲线。
具体实施方式
22.为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
23.为了对金属材料试棒在轴向拉压下的超高周振动疲劳性能测试，本技术中提供了一种飞机金属材料振动疲劳特性测试装置及测试方法。
24.如图1至图3所示，本技术提供的飞机金属材料振动疲劳特性测试装置包括：振动台1、限位块2、配重块3及金属试棒4。
25.振动台1用于提供振动所需的驱动力。振动台1提供的振动频率范围包含金属材料所要验证或测试的振动频率范围。振动台1上设有自中心向外成散射状的多个固定柱11，固定柱11可用于固定限位块2及金属试棒4。
26.金属试棒4的结构样式及尺寸按照国家相关标准制作，其大致构型为中间呈圆弧状、两端呈圆柱状。金属试棒4一端与振动台1固定连接、另一端可固定安装有配重块3。在本技术优选实施例中，金属试棒4的两端圆柱上设有螺纹结构41，通过该螺纹结构41，金属试棒4两侧的圆柱端可分别与振动台1的固定柱11和配重块3固定连接在一起。
27.配重块3固定在金属试棒4的非固定支撑一端，其包括多种不同重量规格，通过配重块3的重量可以实现金属试棒4拉伸振动频率的调节。进一步的，配重块3的周边圆柱面设有一个或多个轴向延伸的通槽31，该通槽31可与限位块2配合，实现金属试棒4在振动拉伸式的防扭转功能。
28.限位块2大体上呈直角三角形结构，其直角底边21与振动台1的固定柱11端面齐平，斜边23上设有一个或两个螺栓孔24，螺栓穿过螺栓孔24而将限位块2固定在振动台1上。限位块2的直角立边22面向金属试棒4与配重块3，且与金属试棒4和配重块3的轴向平行，在直角立边22上具有轴向延伸的凸条25，该凸条25可以与配重块3的通槽31配合，实现金属试棒4在振动拉伸时的防扭转功能。
29.在本技术一些实施例中，通槽31为矩形槽，相应的，凸条25也为矩形条。
30.进一步的，在本身优选实施例中，限位块2数量为多个，同时在配重块3的圆柱面设有多个通槽31。通过多个通槽31及限位块2实现更好的防扭转功能。例如，在图中所示实施例中，限位块2的数量为4个，配重块3的圆柱面设有4个通槽31，四个限位块2以金属试棒4轴线均匀分布。
31.本技术所提供的测试装置可以通过调整配重块3的重量大小，以获得满足试验要求的金属试棒一阶拉伸频率；该测试装置既不会影响金属试棒4的轴向拉压运动，又不会激起金属试棒4的扭转或弯曲模态，且该测试装置结构简单、加载方式便捷，拆卸方便。
32.本技术的金属材料振动疲劳特性测试装置的测试过程如下：步骤一：将金属试棒4的一端与配重块3通过螺纹结构41连接，并进行防松处理；步骤二：将金属试棒4的另一端旋进振动台1中心处的固定柱11螺纹孔内，也进行防松处理；步骤三：将限位块2的凸条25与配重块3的通槽31卡接在一起，并调整限位块2的位置，使之可以对准振动台1的固定柱11孔位，并用螺栓固定，限位块2在周向上均布在金属试棒4的周围，例如，4个限位块2两两之间的夹角为90
°
而完成均布；步骤四：在配重块3的通槽31内滴入润滑油确保顺滑，使金属试棒4在拉压振动时
的阻力最小；步骤五：通过振动台1对金属试棒4进行扫频试验，获得金属试棒4的一阶拉伸频率；步骤六：对金属试棒4进行标定试验，获得金属试棒4的轴向拉伸位移标定值以及金属试棒4危险点或危险区域的应变标定值，从而构建不同激励量级下的位移-应变关系曲线（激励a-位移δ-应变ε曲线），如表1和图4所示；表1 不同激励量级下的位移及应变数据加速度激励a位移δ应变εa0δ0ε0a1δ1ε1a2δ2ε2………………an
δnεn其中，金属试棒4的位移测量点位于金属试棒4顶端的配重块3中心处，可通过激光测距仪对准配重块3的中心进行测量获得，危险点的应变测量点位于金属试棒4圆弧区域（细脖处）的中间位置，可通过粘接应变片来获得此处的应变标定值。
33.步骤七：对金属试棒4进行正式试验，使用正弦激励激起金属试棒4的一阶固有频率直至破坏，获得不同激励量值下的振动疲劳寿命，即循环次数n，同时测量记录金属试棒4的轴向拉伸位移δ；需要说明，为获得超高周振动疲劳s-n曲线，循环周次范围设为4组（106~107、107~108、108~109、109以上）。
34.步骤八：根据步骤六获得的激励a-位移δ-应变ε曲线，由顶端位移δ推导得到危险点的应变值ε，再根据胡克定律获得危险点的应力值s；步骤九：由步骤七、步骤八获得的不同激励量值下金属试棒4的疲劳寿命即循环次数n和危险点的应力值s，采用“散点法”拟合获得金属试棒材料的轴向拉压超高周振动疲劳s-n曲线，如图5所示。
35.通过上述测试方法可以开展航空发动机典型金属材料的超高周常规拉压疲劳试验研究，获得金属材料的轴向拉压超高周振动疲劳s-n曲线参数。
36.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。