一種高頻疲勞試驗機的動態(tài)載荷誤差補償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及誤差補償領(lǐng)域，特別涉及一種高頻疲勞試驗機動態(tài)載荷的誤差補償方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 疲勞試驗機作為疲勞試驗的標(biāo)準設(shè)備，其性能好壞與否，直接影響著疲勞試驗結(jié) 果的準確性及可靠性，疲勞試驗機試驗時的動態(tài)載荷誤差是一個很重要的技術(shù)指標(biāo)。目前， 對于高頻疲勞試驗機的動態(tài)載荷校驗，大多采用靜態(tài)標(biāo)定方法，它在靜態(tài)情況下，傳感器在 校驗中可以獲得較高的精度，但在動態(tài)測試過程中，由于上夾具及法蘭質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力， 會使測力傳感器測量值與試件真實受力值不相等，造成較大的測量誤差。
[0003] 為了提高疲勞試驗機動態(tài)力校準準確度，一些學(xué)者基于疲勞試驗機力學(xué)模型的分 析，得出動態(tài)載荷誤差的理論表達式，通過它進行動態(tài)載荷誤差補償。但，所建立模型忽略 了阻尼的影響。眾所周知，在工作頻率與系統(tǒng)固有頻率近似相等的區(qū)域內(nèi)，系統(tǒng)的振幅隨著 阻尼的增加明顯減小，阻尼對振幅的抑制作用非常明顯。電磁諧振式高頻疲勞試驗機，其工 作在共振狀態(tài)下，即激振器的激振頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率，建立其力學(xué)模型時，如果不 考慮阻尼的影響，系統(tǒng)共振時的振幅比激振力振幅大很多倍，甚至是無窮大，顯然這并不符 合實際情況。而且，該振動力學(xué)模型是經(jīng)簡化而得來的，基于振動力學(xué)模型得出的動態(tài)載荷 誤差理論表達式，具有很大的誤差，動態(tài)載荷誤差補償效果較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服已有疲勞試驗機靜態(tài)標(biāo)定方法和動態(tài)載荷誤差理論表達式補償方法對 動態(tài)載荷誤差補償效果差的不足，本發(fā)明提供了一種誤差補償效果良好，有效提高疲勞試 驗機動態(tài)載荷測量精度的高頻疲勞試驗機動態(tài)載荷誤差補償方法。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0006] -種高頻疲勞試驗機動態(tài)載荷誤差補償方法，包括以下步驟：
[0007] 1)對高頻疲勞試驗機的振動系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)分析，建立帶有阻尼的三自由度振動力 學(xué)模型，求解其運動微分方程，得到該系統(tǒng)各參振質(zhì)量塊的位移表達式，通過對測力傳感器 和試件真實受力的分析，得到動態(tài)載荷誤差的理論表達式，從而分析影響動態(tài)載荷誤差的 相關(guān)因素；
[0008] 2)根據(jù)高頻疲勞試驗機實際工作情況，確定影響動態(tài)載荷誤差的關(guān)鍵因素；
[0009] 3)加工一系列剛度不同的校準棒，在校準棒的中間段粘貼應(yīng)變片制成校準傳感 器，并用有限元方法計算其剛度；
[0010] 4)取一剛度已知的校準傳感器，上端固定在試驗機，下端壓一標(biāo)準力傳感器，施加 靜載，用標(biāo)準力傳感器分別對測力傳感器和校準傳感器進行標(biāo)定；
[0011] 5)標(biāo)定結(jié)束后，卸下壓在下面的標(biāo)準力傳感器，同時將校準傳感器的下端也固定 在試驗機上，開啟疲勞試驗機進行疲勞試驗，提取校準傳感器與測力傳感器的振幅，兩者之 差即是動態(tài)載荷測量誤差，并記錄對應(yīng)的校準傳感器剛度；
[0012] 6)更換不同剛度的校準傳感器，重復(fù)步驟4)至5)，記錄每一個校準傳感器剛度對 應(yīng)的動態(tài)載荷誤差，得出誤差和傳感器剛度的關(guān)系曲線；
[0013] 7)將計算得的動態(tài)載荷誤差值補償?shù)綄?yīng)的動態(tài)載荷測量值上，得到補償后的動 態(tài)載荷。
[0014] 進一步，所述步驟2)中，根據(jù)動態(tài)載荷誤差的理論表達式可知，影響動態(tài)載荷誤 差的因素有試件剛度、測力傳感器剛度及上夾具法蘭質(zhì)量等。在疲勞裂紋擴展試驗中，測力 傳感器剛度及上夾具法蘭質(zhì)量基本不會發(fā)生變化，而試件剛度會隨著裂紋不斷擴展而發(fā)生 變化，故確定試件剛度為影響動態(tài)載荷誤差的關(guān)鍵因素。
[0015] 再進一步，所述步驟3)中校準棒其形狀為圓柱形，在圓柱形校準棒的中間段貼上 四張應(yīng)變片并連接成全橋電路，以消除溫度因素引起的誤差。
[0016] 更進一步，所述步驟4)中測力傳感器和校準傳感器的標(biāo)定方法步驟如下：
[0017] (4. 1)將校準傳感器安裝在疲勞試驗機上，使試驗機施力的中心線與校準傳感器 的中心線相重合，并且在施加不同載荷的過程中不能改變校準傳感器的位置；
[0018] (4. 2)針對傳感器量程中間部分線性度較好，初始部分和最后部分線性程度稍差 的情況，采用分段線性擬合的方法，將0-20KN，0-50KN，0-100KN三個量程分為12段，中間部 分均勻取點，初始部分和最后部分取點較密集。
[0019] (4. 3)分別對校準傳感器施加步驟（4. 2)所述其中一個量程的靜態(tài)載荷，從標(biāo)準 壓力傳感器上讀出準確的壓力數(shù)值，再讀出測力傳感器與校準傳感器所對應(yīng)的電壓值。即 分別建立兩個傳感器電壓與壓力的對應(yīng)關(guān)系，并將數(shù)據(jù)進行儲存。
[0020] (4. 4)通過線性插值算法分段計算標(biāo)定曲線的斜率和截距，并將這兩組數(shù)據(jù)進行 存儲，以備測量過程中使用，即完成了對測力傳感器和校準傳感器的靜態(tài)標(biāo)定過程。
[0021] (4. 5)重復(fù)步驟（4. 3)至（4. 4)，完成其余兩個量程的靜態(tài)標(biāo)定。
[0022] 所述步驟5)中，經(jīng)過標(biāo)定，兩個傳感器輸出的電壓信號均轉(zhuǎn)換為載荷信號。校準 傳感器輸出的載荷值即為試件真實所受載荷值，測力傳感器輸出載荷值為動態(tài)載荷測量 值，兩者為振幅、相位不同，頻率相同的正弦信號，所述的誤差補償，將兩者變?yōu)檎穹嗤?頻率相同的正弦信號即可，兩者的相位差對動態(tài)載荷誤差的數(shù)值沒有影響。
[0023] 所述步驟5)中，運用基于Labview平臺的應(yīng)用軟件提取校準傳感器與測力傳感器 的振幅。
[0024] 本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：建立振動系統(tǒng)帶有阻尼的三自由度振動力學(xué)模 型，確定較為精確的動態(tài)載荷誤差的理論表達式，充分分析了各個因素對動態(tài)載荷誤差的 影響，根據(jù)實際工況，確定試件剛度為影響動態(tài)載荷誤差的主要因素，通過計算不同剛度的 圓柱形校準傳感器與測力傳感器之間的實際誤差，來補償高頻疲勞試驗機的動態(tài)載荷誤 差，有效地提高疲勞試驗機動態(tài)載荷的測量精度。
【附圖說明】
[0025] 圖1是一種高頻疲勞試驗機動態(tài)載荷誤差補償方法的基本流程示意圖。
[0026] 圖2是一種高頻疲勞試驗機動態(tài)載荷誤差補償方法中的電磁諧振式疲勞試驗機 (PLG-100)結(jié)構(gòu)圖，其中，1表示力傳感器，2表示下夾具，3表示工作臺，4表示電磁鐵線圈， 5表示激振彈簧，6表示直流電機及傳動機構(gòu)，7表示滾珠絲杠，8表示減震彈簧，9表示上夾 具，10表示CT試件，11表示電磁銜鐵，12表示主振彈簧，13表示平衡鐵，14表示移動橫梁， 15表不導(dǎo)向立柱，16表不框架式機架。
[0027]圖3是一種高頻疲勞試驗機動態(tài)載荷誤差補償方法中系統(tǒng)的振動力學(xué)模型。
[0028] 圖4是一種高頻疲勞試驗機動態(tài)載荷誤差補償方法中的帶阻尼的三自由度振動 力學(xué)模型圖。
[0029] 圖5是一種高頻疲勞試驗機動態(tài)載荷誤差補償方法中校準棒上電阻應(yīng)變片的粘 貼位置圖。
[0030]圖6是一種高頻疲勞試驗機動態(tài)載荷誤差補償方法中校準棒上電阻應(yīng)變片電橋 連接圖。
[0031]圖7是一種高頻疲勞試驗機動態(tài)載荷誤差補償方法中校準傳感器安裝位置示意 圖，其中17表示機架，18表示測力傳感器，19表示上夾具和法蘭，20表示校準傳感器，21表 示標(biāo)準力傳感器，22表示下夾具。
[0032] 圖8是一種高頻疲勞試驗機動態(tài)載荷誤差補償方法中校準傳感器剛度與誤差的 關(guān)系曲線圖。
【具體實施方式】
[0033] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。
[0034] 參照圖1~圖8,一種高頻疲勞試驗機動態(tài)載荷誤差補償方法，包括以下步驟：
[0035] 1)對高頻疲勞試驗機的振動系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)分析，建立帶有阻尼的三自由度振動力 學(xué)模型，求解其運動微分方程，得到該系統(tǒng)各參振質(zhì)量塊的位移表達式。通過對測力傳感器 和試件真實受力的分析，可得到動態(tài)載荷誤差的理論表達式，從而分析影響動態(tài)載荷誤差 的相關(guān)因素；
[0036]2)根據(jù)高頻疲勞試驗機實際工作情況，確定影響動態(tài)載荷誤差的關(guān)鍵因素；
[0037] 3)加工一系列剛度不同的校準棒，在校準棒的中間段粘貼應(yīng)變片制成校準傳感 器，并用有限元方法計算其剛度；
[0038] 4)取一剛度已知的校準傳感器，上端固定在試驗機，下端壓一標(biāo)準力傳感器，施加 靜載，用標(biāo)準力傳感器分別對測力傳感器和校準傳感器進行標(biāo)定；
[0039] 5)標(biāo)定結(jié)束后，卸下壓在下面的標(biāo)準力傳感器，同時將校準傳感器的下端也固定 在試驗機上，開啟疲勞試驗機進行疲勞試驗，提取校準傳感器與測力傳感器的振幅，兩者之 差即是動態(tài)載荷測量誤差，并記錄對應(yīng)的校準傳感器剛度；
[0040] 6)更換不同剛度的校準傳感器，重復(fù)步驟4)至5)，記錄每一個校準傳感器剛度對 應(yīng)的動態(tài)載荷誤差，得出誤差和傳感器剛度的關(guān)系曲線；
[0041] 7)將計算得的動態(tài)載荷誤差值補償?shù)綄?yīng)的動態(tài)載荷測量值上，得到較為準確的 動態(tài)載荷。
[0042] 以電磁諧振式高頻疲勞試驗機PLG-100為例進行說明，高頻疲勞試驗機的動態(tài)載 荷誤差補償方法，包括以下步驟：
[0043] 1)首先對圖2所示的電磁諧振式疲勞試驗機的結(jié)構(gòu)進行了分析。伺服電機、渦輪 蝸桿傳動機構(gòu)m6和移動橫梁m4通過導(dǎo)向立柱與框架式機架m5相連，機架通過四個減震彈 簧k5與大地相連。平衡鐵和電磁鐵線圈通過激振彈簧k3與工作臺相連，電磁銜鐵、下夾具 和工作臺通過主振彈簧匕與移動橫梁相連。上夾具和法蘭mi通過力傳感器ki與機架相連， 試件匕通過銷釘分別與上夾具和下夾具相連。主振質(zhì)量和激振質(zhì)量是影響主機諧振性能的 關(guān)鍵性因素，其中主振質(zhì)量叫包括電磁銜鐵、工作臺以及工作臺上的法蘭和下夾具的質(zhì)量， 激振質(zhì)量叫包括平衡鐵和電磁鐵線圈。通過研究系統(tǒng)各機械部分的連接以及相互作用，建 立了系統(tǒng)振動力學(xué)模型，結(jié)果參閱圖3。由于機座的質(zhì)量叫^^卩&要遠遠大于系統(tǒng)的主振 質(zhì)量m2和激振質(zhì)量m3，而減震彈簧的剛度又遠遠小于系統(tǒng)其它彈簧的剛度，因此系統(tǒng)可以 簡化為帶有阻尼的三自由度振動力學(xué)模型，結(jié)果參閱圖4。圖中 Cl，c2,c3,c4為系統(tǒng)阻尼系 數(shù)。對于此模型取向下為正方向，根據(jù)牛頓第二定律和三自由度質(zhì)量一一彈簧系統(tǒng)自由振 動模型建立系統(tǒng)運動方程為：
[0044]
[0045] 其中FQsinwt，F(xiàn)。為電磁激振力振幅，〇為電磁激振力頻率。
[0046] 令該振動方程的穩(wěn)態(tài)解為：
[0047]
[0