一種振動時效效果的在線定量化評價系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】振動時效效果的在線定量化評價系統(tǒng)，包括上位機(jī)系統(tǒng)、信號發(fā)生器、驅(qū)動器、激振器、加速度傳感器、電荷放大器、示波器、支撐裝置；工件與激振器固定連接，并且采用具有彈性的支撐裝置對工件進(jìn)行支撐；上位機(jī)系統(tǒng)控制信號發(fā)生器輸出幅值和頻率均獨立且連續(xù)可調(diào)的正弦激振信號；上位機(jī)系統(tǒng)包括激振頻率獲取模塊，激振時間獲取模塊，電壓波形獲取模塊，電壓提取模塊，振級轉(zhuǎn)換模塊，激振幅值轉(zhuǎn)換模塊，無量綱處理模塊，以及振動時效效果與無量綱激振頻率、無量綱激振幅值、無量綱激振時間之間的相互關(guān)系設(shè)置模塊。本實用新型具有能夠?qū)崿F(xiàn)對振動時效效果進(jìn)行在線定量化評價的優(yōu)點。
【專利說明】
-種振動時效效果的在線定量化評價系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型設(shè)及振動時效技術(shù)領(lǐng)域，特指一種振動時效效果的在線定量化評價系 統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 振動時效效果的評價是振動時效技術(shù)領(lǐng)域研究的關(guān)鍵問題之一，所謂振動時效效 果是指振動時效消除殘余應(yīng)力的效果。目前振動時效效果的評價方法主要包括:參數(shù)曲線 法、殘余應(yīng)力測量法和精度穩(wěn)定性檢測法。
[0003] (1)參數(shù)曲線法:參數(shù)曲線法是根據(jù)振動時效過程中參數(shù)發(fā)生有規(guī)律的變化現(xiàn)象 總結(jié)出來的，能夠?qū)φ駝訒r效技術(shù)的效果進(jìn)行在線定性評價，所用的評價準(zhǔn)則主要包括:振 動時效處理后掃頻曲線的共振峰值比振動時效處理前升高;振動時效處理后掃頻曲線的共 振頻率比振動時效處理前降低;振動時效處理后掃頻曲線的帶寬比振動時效處理前變窄。 參數(shù)曲線法雖然是一種在線、直觀、快速便捷的方法，但是運種方法只能對振動時效的效果 進(jìn)行定性的描述，而不能給出定量化的評價結(jié)果。（2)殘余應(yīng)力測量法:為了準(zhǔn)確的評價振 動時效技術(shù)消除殘余應(yīng)力的效果，就需要準(zhǔn)確地評估構(gòu)件振動時效前后的殘余應(yīng)力，然而 構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布情況，特別是一些復(fù)雜構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)，很難采用 理論計算的方法進(jìn)行分析求解，所W采用實驗測量的方法評估構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力具有非 常重要的現(xiàn)實意義。目前殘余應(yīng)力的實驗測量方法主要包括無損的物理測量法和有損的機(jī) 械測量法，能夠離線的評估構(gòu)件振動時效處理前后的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力測量法屬于離線 的評價方法，只能在振動時效過程結(jié)束后對振動時效效果進(jìn)行評價。（3)精度穩(wěn)定性檢測 法:精度穩(wěn)定性檢測法是通過檢測構(gòu)件振動時效處理后的精度來評價振動時效技術(shù)的效 果，能夠?qū)φ駝訒r效技術(shù)的效果進(jìn)行離線定性的評價，主要包括長期放置精度法、加動載荷 后精度法等。長期放置精度法是將經(jīng)過振動時效處理后的構(gòu)件長期放置并且定期檢測構(gòu)件 的尺寸穩(wěn)定性，具體操作流程是在放置15天時第一次檢測，W后每隔30天檢測一次，總的放 置時間應(yīng)該在半年W上;加動載荷后精度法是檢測經(jīng)過振動時效處理后的構(gòu)件在動載荷作 用后的尺寸精度的變化量。精度穩(wěn)定性檢測法也屬于離線、定性的評價方法，并且運種方 法需要的評估周期很長。綜上所述，我們不難發(fā)現(xiàn)運些方法雖然能夠?qū)φ駝訒r效的效果進(jìn) 行定性或定量的評價，但是都無法對振動時效的效果進(jìn)行在線定量化評價。 【實用新型內(nèi)容】
[0004] 為了克服現(xiàn)有振動時效效果的評價方法無法實現(xiàn)振動時效效果在線定量化評價 的不足，本實用新型提出一種振動時效效果的在線定量化評價系統(tǒng)及方法。
[0005] 振動時效效果的在線定量化評價系統(tǒng)，包括上位機(jī)系統(tǒng)、信號發(fā)生器、驅(qū)動器、激 振器、加速度傳感器、電荷放大器、示波器、支撐裝置;工件與激振器固定連接，并且采用具 有彈性的支撐裝置對工件進(jìn)行支撐;上位機(jī)系統(tǒng)控制信號發(fā)生器輸出幅值和頻率均獨立且 連續(xù)可調(diào)的正弦激振信號；信號發(fā)生器輸出的正弦激振信號經(jīng)由驅(qū)動器輸入激振器，從而 驅(qū)動激振器產(chǎn)生振動;加速度傳感器安裝在工件上，加速度傳感器的輸出端與電荷放大器 的輸入通道連接，電荷放大器的輸出通道與示波器連接，示波器與上位機(jī)系統(tǒng)連接。
[0006] 上位機(jī)系統(tǒng)包括獲取振動時效的激振頻率f化Hz)的激振頻率f獲取模塊，獲取振 動時效的激振時間t(min)的激振時間t獲取模塊，獲取示波器顯示的電壓波形的電壓波形 獲取模塊，從電壓波形中獲取電壓峰值U(V)的電壓提取模塊，將電壓峰值轉(zhuǎn)換為輸出的加 速度振級a(ms^2)的振級a轉(zhuǎn)換模塊，將輸出的加速度振級a轉(zhuǎn)換為振動時效的激振幅值A(chǔ)(y m)的激振幅值A(chǔ)轉(zhuǎn)換模塊，將激振頻率f、激振幅值A(chǔ)、激振時間t進(jìn)行無量綱處理的無量綱處 理模塊，W及振動時效效果F與無量綱激振頻率/、無量綱激振幅值I、無量綱激振時間r之 間的相互關(guān)系設(shè)置模塊。
[0007] 振級轉(zhuǎn)換模塊中預(yù)設(shè)有加速度傳感器的靈敏度值s(pC/ms^2)，電荷放大器輸入通 道的靈敏度系數(shù)S(pC/Unit)，放大系數(shù)K(Unit/V);輸出的加速度振級與電壓峰值之間的轉(zhuǎn) 換關(guān)系為
輸出的加速度振級與激振幅值之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：
;無量綱處理模塊中預(yù)設(shè)有激振頻率f與無量綱激振頻率/之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 隔值A(chǔ)與無量綱激振幅值I之間的轉(zhuǎn)換關(guān)署
W及激振時間t與無量 綱激振時間T之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系^ = 其中fo為1曲z，Ao為1皿、to為Imin。
[000引進(jìn)一步，加速度傳感器為壓電式加速度傳感器。
[0009] 進(jìn)一步，支撐裝置為彈性元件。
[0010] 本實用新型的技術(shù)構(gòu)思是：由上位機(jī)系統(tǒng)、信號發(fā)生器、驅(qū)動器、激振器、加速度傳 感器、電荷放大器W及示波器構(gòu)成振動時效效果的在線定量化評價系統(tǒng);將工件與激振器 固定連接;采用支撐裝置對工件進(jìn)行支撐，W便激振器對工件進(jìn)行激振;上位機(jī)系統(tǒng)實時獲 取無量綱激振頻率/、無量綱激振幅值及無量綱激振時間F，并根據(jù)振動時效效果F與 無量綱激振頻率/、無量綱激振幅值I、無量綱激振時間F之間的相互關(guān)系，對振動時效效 果進(jìn)行在線定量化的評價。
[0011] 本實用新型的有益效果是：
[0012] 1、能夠?qū)⒓铀俣葌鞲衅鬏敵龅碾姾尚盘栟D(zhuǎn)換為加速度振級，進(jìn)而將加速度振級轉(zhuǎn) 換為激振幅值，實時、準(zhǔn)確地獲知作用在工件上的激振幅值。
[0013] 2、能夠建立振動時效效果。與無量綱激振頻率7、無量綱激振幅值:？ ^及無量綱激 振時間I之間的定量化函數(shù)關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)對振動時效效果進(jìn)行在線定量化的評價。
[0014] 3、上位機(jī)系統(tǒng)能夠自動獲取無量綱激振頻率/、無量綱激振幅值及無量綱激 振時間F，實現(xiàn)對振動時效效果進(jìn)行在線定量化的評價，無需手動操作，減少了工作量，提高 了工作效率。
【附圖說明】
[0015] 圖1振動時效效果的在線定量化評價系統(tǒng)
[0016] 圖2化12MoV鋼試樣的尺寸示意圖
【具體實施方式】
[0017] 參照附圖，進(jìn)一步說明本實用新型：
[0018] 振動時效效果的在線定量化評價系統(tǒng)，包括上位機(jī)系統(tǒng)、信號發(fā)生器、驅(qū)動器、激 振器1、加速度傳感器2、電荷放大器、示波器、支撐裝置4;工件3與激振器1固定連接，并且采 用具有彈性的支撐裝置4對工件3進(jìn)行支撐;上位機(jī)系統(tǒng)控制信號發(fā)生器輸出幅值和頻率均 獨立且連續(xù)可調(diào)的正弦激振信號；信號發(fā)生器輸出的正弦激振信號經(jīng)由驅(qū)動器輸入激振 器1，從而驅(qū)動激振器1產(chǎn)生振動;加速度傳感器2安裝在工件3上，加速度傳感器2的輸出端 與電荷放大器的輸入通道連接，電荷放大器的輸出通道與示波器連接，示波器與上位機(jī)系 統(tǒng)連接。
[0019] 上位機(jī)系統(tǒng)包括獲取振動時效的激振頻率f化Hz)的激振頻率f獲取模塊，獲取振 動時效的激振時間t(min)的激振時間t獲取模塊，獲取示波器顯示的電壓波形的電壓波形 獲取模塊，從電壓波形中獲取電壓峰值U(V)的電壓提取模塊，將電壓峰值轉(zhuǎn)換為輸出的加 速度振級a(ms^2)的振級a轉(zhuǎn)換模塊，將輸出的加速度振級a轉(zhuǎn)換為振動時效的激振幅值A(chǔ)(y m)的激振幅值A(chǔ)轉(zhuǎn)換模塊，將激振頻率f、激振幅值A(chǔ)、激振時間t進(jìn)行無量綱處理的無量綱處 理模塊，W及振動時效效果F與無量綱激振頻率/、無量綱激振幅值I、無量綱激振時間r之 間的相互關(guān)系設(shè)置模塊。
[0020] 振級轉(zhuǎn)換模塊中預(yù)設(shè)有加速度傳感器2的靈敏度值s(pC/ms^2)，電荷放大器輸入通 道的靈敏度系數(shù)S(pC/化it)，放大系數(shù)K化nit/V);輸出的加速度振級與電壓峰值之間的轉(zhuǎn) 換關(guān)系為：
；輸出的加速度振級與激振幅值之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：
無量綱處理模塊中預(yù)設(shè)有激振頻率f與無量綱激振頻率/之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 昏值A(chǔ)與無量綱激振幅值I之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系3 = ^/4^及激振時間t與無量 綱激振時間F之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系^ = f八。，其中fo為1曲z，A〇為1皿、to為Imin。
[0021] 進(jìn)一步，加速度傳感器2為壓電式加速度傳感器。
[0022] 進(jìn)一步，支撐裝置4為彈性元件。
[0023] 振動時效效果的在線定量化評價方法包括W下步驟：
[0024] (1)、將工件3與激振器1固定連接;采用支撐裝置4對工件3進(jìn)行支撐，W便激振器1 對工件3進(jìn)行激振;接通上位機(jī)系統(tǒng)與信號發(fā)生器之間的信號連線;接通信號發(fā)生器與驅(qū)動 器之間的信號連線;接通驅(qū)動器與激振器1之間的信號連線;接通上位機(jī)系統(tǒng)與示波器之間 的信號連線;接通示波器與電荷放大器之間的信號連線;接通電荷放大器與加速度傳感器2 之間的信號連線;接通上位機(jī)系統(tǒng)、信號發(fā)生器、驅(qū)動器、激振器1、示波器、電荷放大器的電 源。
[0025] (2)、在振級轉(zhuǎn)換模塊中設(shè)置加速度傳感器2的靈敏度值s(pC/WT2);電荷放大器輸 入通道的靈敏度系數(shù)S(pC/Unit)，放大系數(shù)K(UnitA)。
[0026] (3)、激振頻率獲取模塊獲取振動時效的激振頻率f化Hz);激振時間獲取模塊獲取 振動時效的激振時間t(min);電壓波形獲取模塊獲取示波器顯示的電壓波形；電壓提取模 塊從電壓波形中獲取電壓峰值U(V);振級轉(zhuǎn)換模塊中輸出的加速度振級與電壓峰值之間的 轉(zhuǎn)換關(guān)系夫 ；激振幅值轉(zhuǎn)換模塊中輸出的激振幅值與加速度振級之間的
轉(zhuǎn)換關(guān)系巧
[0027] (4)、無量綱處理模塊對激振頻率f、激振幅值A(chǔ)W及激振時間t進(jìn)行無量綱處理，具 體的激振頻率f與無量綱激振頻率/之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系夫
激振幅值A(chǔ)與無量綱激振 幅值J之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系式
W及激振時間t與無量綱激振時間^之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為 ^ = ^ 化，其中fo為lkHz，A〇為IwiKto為Imin。
[0028] (5)、在振動時效效果F與無量綱激振頻率7、無量綱激振幅值3、無量綱激振時間 F之間的相互關(guān)系設(shè)置模塊中設(shè)置F與7、I、f之間的相互關(guān)系為F(f，A，t)，并將步驟 (4)中實時獲取的無量綱激振頻率/、無量綱激振幅值及無量綱激振時間J代入F(f，A， t)中即可W對振動時效效果進(jìn)行在線定量化的評價。
[0029] 步驟(5)中，獲取振動時效效果F與無量綱激振頻率7、無量綱激振幅值I、無量綱 激振時間I之間的相互關(guān)系的表達(dá)式F(f，A，t)包括W下步驟：
[0030] (5.1)、振動時效效果F與無量綱激振頻率7、無量綱激振幅值I、無量綱激振時間 F之間的相互關(guān)系的表達(dá)式F(f，A，t)可W用如下的多項式進(jìn)行逼近：
，式中：曰1、曰2、…、an為實系數(shù)， 其中ail為方程的常數(shù)項。
[0031] (5.2)、當(dāng)工件3未經(jīng)振動時效處理時，即=個工藝參數(shù)的取值均為0時，工件3的 殘余應(yīng)力消除效果應(yīng)為0,所W常數(shù)項aii = 0。因此，F(xiàn)(f，A，t)可W進(jìn)一步表示為：
[0032] (5.3)、將10組不同的無量綱工藝參數(shù)組合W及它們所對應(yīng)的振動時效效果F代入 F(f，A，t)可W得到關(guān)于待定系數(shù)日1、日2、…、ai日的10元1次方程組，通過求解此方程組即可W 求解化設(shè)1 0個倍吿態(tài)獄的獄估-設(shè)1 0元1歡節(jié)趙巧弈田巧隨的化古而W表示為；
[0033]
[0034] 可W進(jìn)一步表示為:Ga=F。
[0035] 式中：
婦無量綱工藝參數(shù)組合矩陣，該矩陣中的第i行 表示第i次振動時效處理時的無量綱工藝參數(shù)的組合多項式;F=[Fi]為振動時效的效果矩 陣;a=[ai]為待定系數(shù)矩陣。
[0036] (5.4)、為了求解出10個待定系數(shù)，至少需要10組不同的實驗數(shù)據(jù)，為了使得步驟 (5.3)中的矩陣方程有唯一的解，則無量綱工藝參數(shù)組合矩陣G的秩應(yīng)滿足HG) = 10，即無 量綱工藝參數(shù)組合矩陣應(yīng)為滿秩矩陣。因此，待定系數(shù)可W通過如下的矩陣方程求解得到：
[0037]
，將求解出的10個待 定系數(shù)代入步驟(5.2)中的表達(dá)式F(f，A，t)，即可W建立振動時效效果F與無量綱激振頻率 /、無量綱激振幅值I、無量綱激振時間7之間的相互關(guān)系的表達(dá)式F(f，A，t)。
[0038] 獲取振動時效效果F與無量綱激振頻率/、無量綱激振幅值無量綱激振時間f 之間的相互關(guān)系的表達(dá)式的具體實施細(xì)節(jié)為:假設(shè)函數(shù)F(f，A，t)的定義域為有界閉區(qū)域D， 且在該區(qū)域D內(nèi)是實值連續(xù)函數(shù)。Pl(f，A，t)、P2(f，A，t)、…、Pk(f，A，t)是定義于D上的k個線 性無關(guān)的實值連續(xù)函數(shù)(通常取為多元多項式函數(shù)），其中把由Pl(f，A，t)、P2(f，A，t)、…、Pk (f，A，t)組合做成的線性空間P稱為線性插值空間，貝化中任意的函數(shù)可W表示為:P(f，A，t) = aiPi(f ,A,t)+a2P2(f ,A,t)+...+akPk(f，A,t)，
[0039] 式中：日1、日2、...、Qk為實系數(shù)。根據(jù)Weierstrass逼近定理可知，若函數(shù)P(f ,A,t)可 W用來逼近函數(shù)F(f，A，t)，則對于任意給定的e，有|F(f，A，t)-P(f，A，t)|<e，其中f，A，tG D。因此，本實用新型旨在通過無量綱激振頻率/、無量綱激振幅值Z和無量綱激振時間7運 =個工藝參數(shù)組成的多元多項式函數(shù)，采用多元函數(shù)逼近理論逼近建立出振動時效效果F 與無量綱激振頻率JV無量綱激振幅值I、無量綱激振時間r之間的相互關(guān)系的表達(dá)式F (f,A,t)〇
[0040] 為了獲取建立表達(dá)式F(f，A，t)所需的實驗數(shù)據(jù)，對圖2所示的試樣進(jìn)行振動時效 處理。為了能夠求解出步驟(5.2)建立的表達(dá)式F(f，A，t)中的10個待定系數(shù)，需要選擇10組 不同的實驗數(shù)據(jù)，且無量綱工藝參數(shù)組合矩陣必須為滿秩矩陣，即無量綱工藝參數(shù)組合矩 陣的秩為10?？紤]到實驗數(shù)據(jù)測試過程中存在一定的誤差，為了提高建立的表達(dá)式F(f，A， t)具有更高的可靠性和普遍性，選取11組實驗數(shù)據(jù)用于建立表達(dá)式F(f，A，t)，見表1。依次 從11組實驗數(shù)據(jù)中選取其中的10組用于構(gòu)造無量綱工藝參數(shù)組合矩陣G，并規(guī)定r^G)為去 掉11組實驗數(shù)據(jù)中的第j組數(shù)據(jù)后，所構(gòu)造出的無量綱工藝參數(shù)組合矩陣G的秩，j = l~11。 采用Matlab軟件中的rank函數(shù)依次計算所構(gòu)造出的無量綱工藝參數(shù)組合矩陣G的秩，若求 解結(jié)果滿足ri(G)=n(G) =…=m(G) = 10,則說明選取的實驗數(shù)據(jù)可W用于求解出11組 待定系數(shù)，若求解結(jié)果不滿足ri(G) =r2(G)=…=;rii(G) = 10運個條件時，則需要重新選擇 實驗數(shù)據(jù)。
[0041] 表1用于計算待定系數(shù)矩陣的無量綱工藝參數(shù)及時效效果
[0042]
[0043] 求解10個待定系數(shù)的過程中，首先每次從11組實驗數(shù)據(jù)中選取其中的10組構(gòu)造無 量綱工藝參數(shù)組合矩陣G;其次采用Matlab軟件中的inv函數(shù)求解出無量綱工藝參數(shù)組合矩 陣G的逆矩陣[1，并在Matlab軟件中將矩陣[1與振動時效的效果矩陣F相乘即可W求解出 待定系數(shù)矩陣，運樣可W獲得11組不同的待定系數(shù);然后將運11組待定系數(shù)分別取其平均 值作為表達(dá)式F(f，A，t)的待定系數(shù);最后將運些待定系數(shù)的均值代入步驟(5.2)建立的表 達(dá)式F(f，A，t)即可W得到振動時效效果F與無量綱激振頻率7、無量綱激振幅值3、無量綱 激振時間f之間的相互關(guān)系的表達(dá)式F(f，A，t)。
[0044] 表2為求解出的11組待定系數(shù)。表2的最后一列為11組待定系數(shù)的均值，將運些待 定系數(shù)的均值代入步驟(5.2)建立的表達(dá)式F(f，A，t)，則最終建立的振動時效效果F與無量 綱激振頻率/、無量綱激振幅值；i、無量綱激振時間F之間的相互關(guān)系的表達(dá)式F(f，A，t)可 W表示為：
[0045]
[0046] 表2求解出的各組待定系數(shù)的數(shù)值
[0047]
[004引
[0049]本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對實用新型構(gòu)思的實現(xiàn)形式的列舉，本實用新 型的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本實用新型的保護(hù)范圍也及 于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實用新型構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。
【主權(quán)項】
1. 振動時效效果的在線定量化評價系統(tǒng)，包括上位機(jī)系統(tǒng)、信號發(fā)生器、驅(qū)動器、激振 器、加速度傳感器、電荷放大器、示波器、支撐裝置;工件與激振器固定連接，并且采用具有 彈性的支撐裝置對工件進(jìn)行支撐;上位機(jī)系統(tǒng)控制信號發(fā)生器輸出幅值和頻率均獨立且連 續(xù)可調(diào)的正弦激振信號；信號發(fā)生器輸出的正弦激振信號經(jīng)由驅(qū)動器輸入激振器，從而驅(qū) 動激振器產(chǎn)生振動;加速度傳感器安裝在工件上，加速度傳感器的輸出端與電荷放大器的 輸入通道連接，電荷放大器的輸出通道與示波器連接，示波器與上位機(jī)系統(tǒng)連接。2. 如權(quán)利要求1所述的振動時效效果的在線定量化評價系統(tǒng)，其特征在于:加速度傳感 器為壓電式加速度傳感器。3. 如權(quán)利要求2所述的振動時效效果的在線定量化評價系統(tǒng)，其特征在于:支撐裝置為 彈性元件。
【文檔編號】C21D10/00GK205662571SQ201620371302
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年4月28日
【發(fā)明人】顧邦平, 胡雄, 嚴(yán)小蘭, 梅瀟, 賴金濤, 楊振生, 張帆
【申請人】上海海事大學(xué)