基于薄板试样的疲劳实验系统及其实验方法与流程

本发明属于零件疲劳实验的，涉及基于薄板试样的疲劳实验系统及其实验方法。

背景技术：

1、航空发动机的转子叶片在高转速、高温、腐蚀等恶劣环境下运行，同时承受高频离心拉力和低幅振动应力的长期共同作用，在服役寿命周期内面临复杂的超长寿命疲劳问题，疲劳失效已经发展成为转子叶片等航空旋转部件的主要失效形式。因此，在现代航空发动机设计中，长寿命高可靠性已成为必须检验的指标，探明叶片关键材料和结构的疲劳失效机理和服役环境影响规律已成为迫切的需求，是航空发动机结构完整性设计和可靠性服役亟待解决的关键科学问题。

2、叶片使用过程中，其受到的振动、拉力、温度都是影响其疲劳极限的因素，但是现有技术中针对狗骨棒形、漏斗形的试样往往进行单独的超声波实验与拉力实验，并未综合性的耦合振动、拉力、温度因素对试样进行综合性疲劳实验。并且现有技术中采用的狗骨棒形、漏斗形的试样的厚度大，为了得到完整的疲劳曲线，在进行疲劳实验的过程中需要在其上建立20-30个疲劳数据点，造成狗骨棒形、漏斗形的试样体积大、需要材料多，进而提高了实验成本。

3、因此，针对现有的叶片疲劳实验过程中存在的上述问题，本发明公开了基于薄板试样的疲劳实验系统及其实验方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于薄板试样的疲劳实验系统及其实验方法，能够综合性耦合振动、拉力、温度因素对薄板试样进行疲劳实验，进而保证得出的疲劳实验结果更加接近于实际环境下叶片使用过程中的疲劳情况。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、基于薄板试样的疲劳实验系统，用于对薄板试样施加载荷，包括计算机控制系统、超声换能部、对称谐振装置、拉力载荷加载装置、电磁感应加热装置，所述拉力载荷加载装置包括对应薄板试样两端设置的第一拉力加载部与第二拉力加载部，所述对称谐振装置包括第一谐振部与第二谐振部，所述薄板试样的一端通过第一谐振部与第一拉力加载部连接，所述薄板试样的另一端通过第二谐振部与第二拉力加载部连接；所述第一谐振部或第二谐振部与超声换能部连接，所述薄板试样的一侧设置有电磁感应加热装置；所述电磁感应加热装置、超声换能部、拉力载荷加载装置均与计算机控制系统连接。

4、为了更好地实现本发明，进一步的，所述第一谐振部包括二级正向位移放大器，所述第二谐振部包括二级负向位移放大器，所述二级正向位移放大器或二级负向位移放大器与超声换能部连接。

5、为了更好地实现本发明，进一步的，所述二级正向位移放大器或二级负向位移放大器通过一级位移放大器与超声换能部连接。

6、为了更好地实现本发明，进一步的，所述超声换能部包括超声发生器、换能器，所述超声发生器的超声输出端与换能器连接，所述换能器与二级正向位移放大器或二级负向位移放大器连接，所述超声发生器的信号输入端与计算机控制系统连接。

7、为了更好地实现本发明，进一步的，所述二级正向位移放大器靠近薄板试样的一端、所述二级负向位移放大器靠近薄板试样的一端均设置有端面，所述端面中心处设置有矩形槽，所述矩形槽的两侧关于矩形槽的中心对称设置有两个阶梯凸台，所述阶梯凸台上设置有用于连接薄板试样的连接孔。

8、为了更好地实现本发明，进一步的，所述电磁感应加热装置包括电磁感应加热器、红外测温仪，所述电磁感应加热器设置在薄板试样的一侧，所述电磁感应加热器包括至少一个对薄板试样施加涡流的电磁加热部；所述红外测温仪设置在薄板试样的中部的一侧，所述电磁感应加热器、红外测温仪均与计算机控制系统连接。

9、为了更好地实现本发明，进一步的，所述电磁加热部包括绕设在薄板试样外部的线圈。

10、基于薄板试样的疲劳实验方法，基于疲劳实验系统实现，包括以下步骤：

11、步骤1、通过计算机控制系统向超声换能部输入电信号，通过超声换能部将电信号转换为同频率的机械振动，并将机械振动传递至对称谐振装置；

12、步骤2、通过对称谐振装置中的第一谐振部与第二谐振部对薄板试样的两端加载对称振动应力；

13、步骤3、通过拉力载荷加载装置中的第一拉力加载部与第二拉力加载部分别对薄板试样的两端施加静拉应力，使得静拉应力与对称振动应力非对称叠加抵消，以对薄板试样的两端加载非对称拉应力；

14、步骤4、通过电磁感应加热装置对薄板试样进行均匀加热，并监测薄板试样的实时温度。

15、本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

16、(1)本发明重新对二级位移放大器进行了设计，其末端不再是一个平面，而是一个包括矩形槽与阶梯状结构，阶梯状结构关于矩形槽的中心对称设置，将薄板试样侧方固定在两边的阶梯状结构上，取代了试样传统的过盈连接结构，避免单独设计复杂的连接器，也不用频繁拆卸二级位移放大器，只需要用扳手拆卸螺栓，就可轻松更换薄板试样，更不会在薄板试样上引发预应力问题，极大简化了实验流程，节省了时间；

17、(2)在本发明中，实现了薄板试样在振动、拉应力加载、高温环境三者组合的疲劳实验，深度还原航空叶片在实际工况下的服役情况，使得实验结果更加接近真实情况；此外，本疲劳实验系统具有高度灵活性，通过增减相应模块，不但可以单独实现薄板试样的超声疲劳实验，还可以两两结合使用，实现高温超声疲劳实验或者是非对称加载超声疲劳实验，兼容性强。

技术特征：

1.基于薄板试样的疲劳实验系统，用于对薄板试样(6)施加载荷，其特征在于，包括计算机控制系统(1)、超声换能部、对称谐振装置、拉力载荷加载装置(8)、电磁感应加热装置，所述拉力载荷加载装置(8)包括对应薄板试样(6)两端设置的第一拉力加载部与第二拉力加载部，所述对称谐振装置包括第一谐振部与第二谐振部，所述薄板试样(6)的一端通过第一谐振部与第一拉力加载部连接，所述薄板试样的另一端通过第二谐振部与第二拉力加载部连接；所述第一谐振部或第二谐振部与超声换能部连接，所述薄板试样(6)的一侧设置有电磁感应加热装置；所述电磁感应加热装置、超声换能部、拉力载荷加载装置(8)均与计算机控制系统(1)连接。

2.根据权利要求1所述的基于薄板试样的疲劳实验系统，其特征在于，所述第一谐振部包括二级正向位移放大器(5)，所述第二谐振部包括二级负向位移放大器(7)，所述二级正向位移放大器(5)或二级负向位移放大器(7)与超声换能部连接。

3.根据权利要求2所述的基于薄板试样的疲劳实验系统，其特征在于，所述二级正向位移放大器(5)或二级负向位移放大器(7)通过一级位移放大器(4)与超声换能部连接。

4.根据权利要求3所述的基于薄板试样的疲劳实验系统，其特征在于，所述超声换能部包括超声发生器(2)、换能器(3)，所述超声发生器(2)的超声输出端与换能器(3)连接，所述换能器(3)与二级正向位移放大器(5)或二级负向位移放大器(7)连接，所述超声发生器(2)的信号输入端与计算机控制系统(1)连接。

5.根据权利要求4所述的基于薄板试样的疲劳实验系统，其特征在于，所述二级正向位移放大器(5)靠近薄板试样(6)的一端、所述二级负向位移放大器(7)靠近薄板试样(6)的一端均设置有端面，所述端面中心处设置有矩形槽(12)，所述矩形槽(12)的两侧关于矩形槽(12)的中心对称设置有两个阶梯凸台，所述阶梯凸台上设置有用于连接薄板试样(6)的连接孔(11)。

6.根据权利要求1-5任一项所述的基于薄板试样的疲劳实验系统，其特征在于，所述电磁感应加热装置包括电磁感应加热器(9)、红外测温仪(10)，所述电磁感应加热器(9)设置在薄板试样(6)的一侧，所述电磁感应加热器(9)包括至少一个对薄板试样(6)施加涡流的电磁加热部；所述红外测温仪(10)设置在薄板试样(6)的中部的一侧，所述电磁感应加热器(9)、红外测温仪(10)均与计算机控制系统(1)连接。

7.根据权利要求6所述的基于薄板试样的疲劳实验系统，其特征在于，所述电磁加热部包括绕设在薄板试样(6)外部的线圈(13)。

8.基于薄板试样的疲劳实验方法，基于权利要求1-7热一项所述的疲劳实验系统实现，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本发明公开了基于薄板试样的疲劳实验系统及其实验方法，实现了薄板试样在振动、拉应力加载、高温环境三者组合的疲劳实验，深度还原航空叶片在实际工况下的服役情况，使得实验结果更加接近真实情况；此外，本疲劳实验系统具有高度灵活性，通过增减相应模块，不但可以单独实现薄板试样的超声疲劳实验，还可以两两结合使用，实现高温超声疲劳实验或者是非对称加载超声疲劳实验，兼容性强。技术研发人员：任莉莎,门向南,荣建,周杰,杨景超,林波,何实,王巧玲,李飞,张宏受保护的技术使用者：成都飞机工业（集团）有限责任公司技术研发日：技术公布日：2024/8/5