[发明专利]一种叶片振动试验方法及振动试验工装

说明书

本发明公开了一种叶片振动试验方法及振动试验工装，在现有国内外振动台设备能力基础上，借助计算机三维设计及仿真分析技术，通过不断的参数迭代及优化，设计成型的悬臂梁结构的一阶共振频率与小尺寸叶片的一阶共振频率靠近，利用共振原理，悬臂梁结构自由端振幅急剧增大，相应地加速度值也急剧增大，以此加速度激振叶片，使得叶片在一阶弯曲共振频率下达到要求的应力值。并且利用现有设备基础上进行创新，没有采购先进设备或使用昂贵材料，在解决问题的同时极大的降低成本，提高效率。

技术领域

本发明属于航空发动机零、部件强度试验技术领域，具体涉及一种小尺寸叶片振动试验方法及振动试验工装。

背景技术

航空发动机及燃气轮机为了获得更高的压气机增压比，高压压气机的设计级数可达数十级之多，叶片尺寸随着级数增大而减小，最末级叶片长度小于50mm，一阶共振频率高于3000Hz，疲劳强度要求400MPa以上。有试验显示：使用国外振动疲劳试验台对3500Hz小尺寸叶片进行疲劳试验，加载到叶片要求振动应力时，振动台已经达到振动台非空载极限输出能力，导致振动台发热严重，多次超载停机。

目前国内外叶片的振动疲劳试验通用设备为电动振动台，其频率、推力和加速度等均有上限值，由于试验叶片及工装的附加质量，振动台的工作范围将降低，超出后导致停机保护；另外小尺寸叶片频率很高，根据公式a＝2πf·A²，a为振动台台面加速度，f为激振频率，A为振动台台面位移峰值，振动台台面位移将很小，虽然振动台台面g值很高，但由于台面位移很小，实际施加到叶片叶身上的振动应力很小。因此，在目前国内外设备能力条件下，小尺寸叶片振动应力施加成为一技术难题。

发明内容

本发明提供了一种叶片振动试验方法及振动试验工装，有效解决航空发动机及燃气轮机小尺寸叶片振动应力难施加的技术问题。

为达到上述目的，本发明所述一种叶片振动试验方法，包括以下步骤：

步骤1、测量叶片的一阶固有频率及阻尼比；

步骤2、设计叶片固持工装三维模型，确定固持工装的形状和尺寸，固持工装采用榫头后顶固持形式；

步骤3、设计悬臂梁工装三维模型，确定悬臂梁工装的悬臂梁的长、宽、高及根部转接半径R，在悬臂梁工装上设计与振动台连接的接口和与固持工装连接的接口；悬臂梁工装的三维结构尺寸和叶片结构尺寸正相关；

步骤4、将步骤2设计的固持工装、步骤3设计的悬臂梁工装和叶片三者的三维模型刚性组合形成组合工装并分配材料属性，并对组合工装进行模态分析，获得组合工装的共振频率及振型；

步骤5、若组合工装的一阶共振频率与叶片的一阶共振频率相对偏差大于2％，调整组合工装的尺寸，直至组合工装与叶片频率相对偏差在叶片的一阶共振频率的±2％以内，且组合工装与叶片的一阶共振频率不同；

步骤6、按照步骤5得到的组合工装尺寸加工出悬臂梁工装和固持工装；

步骤7、在叶片应力点位置贴上应变片；

步骤8、将悬臂梁工装安装在振动台上，固持工装与悬臂梁工装固定连接，将贴有应变片的待测量叶片安装至固持工装上并顶紧固持；开启振动台及应变仪，在叶片一阶共振频率下进行应力加载，利用应变仪测量叶片应变值，增大振动台输出电压，使其叶片应力达到要求值，记录试验数据。

进一步的，步骤2中，固持工装的材料选用3Cr13，步骤3中，悬臂梁材料选用高温合金。

进一步的，步骤3中，悬臂梁工装与固持工装的接口设计为对称U型结构。

进一步的，步骤3中，悬臂梁的根部转接半径R不得小于R5。

进一步的，步骤5中，对于频率高于3000Hz，阻尼比大于0.5％的叶片，以组合工装与叶片的频率差值在叶片的一阶共振频率的±1％以内为目标调整组合工装的尺寸。