基于有限元模态分析的钛合金振动疲劳试样的设计方法与流程

1.本发明涉及金属材料弯曲疲劳性能、耐久性测试的技术领域，特别是涉及一种基于有限元模态分析的钛合金振动疲劳试样的设计方法。


背景技术：

2.材料的疲劳是一种结构在循环载荷作用下出现失效的现象。即使材料受到的应力远低于材料的静态强度，也可能会发生这种类型的结构损伤，疲劳是造成机械结构失效最常见的原因。学术界与工程界对疲劳展开了大量的研究，进展飞速，但在研究结构疲劳时，往往忽略了结构动态特性(如：固有频率、结构阻尼等)的影响。由于现代工业的蓬勃发展，工程结构所处的振动环境日趋复杂，仍然采用常规的疲劳破坏理论已难以精确地估算结构的疲劳寿命，或者无法解释工程上某些结构疲劳破坏问题。
3.一般的疲劳测试设备的测试频率通常在100hz左右，控制精度不够高且难以达到结构自由振动时的固有频率，以发动机叶盘叶片尖端振动测试为例，若要模拟真实的试验环境，需要以完整的叶盘结构高速旋转来实现，不仅试验难度及对试验设备要求极高，而且不能实时监测叶片尖端的位移及应力情况，同时完整叶盘高额造价也与试验的初衷不符。然而利用振动疲劳测试试验模拟使得相关试验数据获取成为可能，国内外针对整体结构已开展了多种尺度工件的振动疲劳测试试验研究。
4.因此，一般的疲劳测试设备需要通过完整的叶盘结构来实现，完整叶盘造价高昂，成本较高。另外，现有的利用振动疲劳测试试验模拟采用多种尺度的工件进行测试试验研究，无法根据试验需求对振动疲劳试验的试验进行修正。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种成本较低且能根据需求修正试样尺寸的基于有限元模态分析的钛合金振动疲劳试样的设计方法。
6.一种基于有限元模态分析的钛合金振动疲劳试样的设计方法，所述方法包括：
7.获取振动疲劳试样材料的固有属性数据，所述振动疲劳试样材料采用钛合金材料；
8.选择振动疲劳试样的在模拟工况下的受力状态和振动阶次并确定所述振动疲劳试样的初始尺寸；
9.基于所述受力状态、振动阶次初始尺寸，通过有限元软件根据所述固有属性数据模拟计算得到所述振动疲劳试样的固有频率、振型和相对应力；
10.通过振动疲劳试验机对所述振动疲劳试样的频率和应力进行测试，得到真实频率和真实应力；
11.通过比较所述固有频率与所述真实频率、所述相对应力与所述真实应力，确定所述振动疲劳试样是否满足需求。
12.进一步的，所述确定所述振动疲劳试样是否满足需求，包括：
13.当所述真实频率、真实应力分别与所述固有频率、相对应力接近时，则所述振动疲劳试样满足需求，否则所述振动疲劳试样不满足需求；
14.对不满足需求的振动疲劳试样的尺寸进行修正直到所述振动疲劳试样满足需求。
15.进一步的，所述固有属性数据包括材料密度、弹性模量和泊松比参数。
16.进一步的，所述根据理论基础确定振动疲劳试样的在模拟工况下的受力状态和振动阶次并确定所述振动疲劳试样的初始尺寸，包括：
17.根据所述振动疲劳试样在模拟工况下各阶次的节线图选择初始的理论阶次和理论尺寸；
18.根据所述理论阶次确定所述振动疲劳试样在模拟工况下的受力状态和振动阶次；
19.根据所述理论尺寸确定所述初始尺寸。
20.进一步的，所述振动疲劳试样包括一体化设计的夹持段、过渡段和工作段，所述过渡段设置为斜面，由所述夹持段向所述工作段倾斜。
21.进一步的，所述理论阶次包括一阶、二阶、三阶、四阶和五阶，所述通过有限元软件根据所述固有属性数据模拟计算得到所述振动疲劳试样的固有频率、振型和相对应力，包括；
22.通过公式计算所述振动疲劳试样在所述理论阶次上的固有频率；
23.其中，ω表示固有频率，a为所述工作段的边长，d0为所述振动疲劳试样的弯曲刚度，ρ为所述振动疲劳试样材料的密度，h为所述夹持段的厚度。
24.进一步的，所述确定所述振动疲劳试样是否满足需求，还包括：
25.当所述振动疲劳试样满足需求时，通过打磨和抛光提高所述振动疲劳试样与所述模拟工况下的振动疲劳试样之间粗糙度的相似度。
26.上述基于有限元模态分析的钛合金振动疲劳试样的设计方法，该方法通过获取振动疲劳试样材料的固有属性数据，并根据理论基础选择振动疲劳试样在模拟工况下的受力状态和振动阶次并确定该振动疲劳试样的初始尺寸。其次根据受力状态、振动阶次和初始尺寸，通过有限元软件根据固有属性数据模拟计算得到振动疲劳试样的固有频率、振型和相对应力。之后通过振动疲劳试验机对振动疲劳试样的频率和应力进行检测，得到真实频率和真实应力。通过比较固有频率和真实频率、相对应力和真实应力，可确定该振动疲劳试样是否满足需求。当测得的真实频率、真实应力分别与计算得到的固有频率、相对应力接近时，则该振动疲劳试样满足需求，使得设计出的振动疲劳试样能够与通过理论基础确定好的振动疲劳试样的理论状态，这样设计出来的振动疲劳试样能够反映叶片的真实情况，否则为不满足需求。对于不满足需求的振动疲劳试样，可对其进行尺寸的修正，直到后期测试中满足需求，因此只需要对振动疲劳试样进行修正即可，修正过程简单方便，且不需要对昂贵的试验设备进行更换，极大地节约了成本。此外由于该振动疲劳试样所采用的材料为钛合金材料且修正的范围可根据试验需求自行变化，实现了钛合金不同厚度的振动疲劳测试试样的设计，提高了振动疲劳试样的准确性的同时扩展了振动疲劳试样的应用范围。
附图说明
27.图1为本技术中一个实施例的基于有限元模态分析的钛合金振动疲劳试样的设计
方法流程图；
28.图2为本实施例的振动疲劳试样结构俯视图；
29.图3为本实施例的振动疲劳试样结构侧视图；
30.图4为本技术中实施例1厚度设计的试样模态分析振型及应力分布趋势示意图；
31.图5为本技术中实施例2厚度设计的试样模态分析振型及应力分布趋势示意图。
32.图中：100、夹持段；200、过渡段；300、工作段。
具体实施方式
33.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.如图1所示，一种基于有限元模态分析的钛合金振动疲劳试样的设计方法，包括以下步骤：
35.步骤s110：获取振动疲劳试样材料的固有属性数据。
36.具体地，振动疲劳试样材料采用钛合金材料，选择tc4钛合金。
37.固有属性数据包括材料密度、弹性模量和泊松比参数，根据材料手册可知，tc4钛合金的材料密度ρ＝4.530
×
103kg/m3，弹性模量e＝114gpa(室温)，泊松比μ＝0.31(室温)。
38.步骤s120：选择振动疲劳试样在模拟工况下的受力状态和振动阶次并确定振动疲劳试样的初始尺寸。
39.具体地，首先根据振动疲劳试样在模拟工况下各阶次的节线图选择初始的理论阶次和理论尺寸，该处模拟工况下的振动疲劳试样选用简单的方薄板，模拟工况即模拟航空发动机整体叶盘上的叶片的工作环境和状态，因为航空发动机整体叶盘上的叶片不可拆卸，同时结构复杂，为了研究叶片的振动疲劳性能，需要设计能够模拟叶片形状、振动模态、应力状态和应力分布的振动疲劳试样。
40.其次根据理论阶次确定振动疲劳试样在模拟工况下的受力状态和振动阶次。根据理论尺寸确定该振动疲劳试样的初始尺寸，并选择该振动疲劳试样的受力状态为正反交替的弯折力。
41.如图2至图3所示，该振动疲劳试样包括一体化设计的夹持段100、过渡段200和工作段300，其中过渡段200设置为斜面，该斜面由夹持段100向工作段300倾斜。
42.理论阶次包括一阶、二阶、三阶、四阶和五阶，通过公式计算振动疲劳试样在理论阶次上的固有频率，式中，ω表示固有频率，a为工作段300的边长，d0为振动疲劳试样的弯曲刚度，ρ为振动疲劳试样材料的密度，h为夹持段100的厚度。如表1所示：
43.表1
[0044][0045]
节线图通过矩形悬臂板自由振动精确解法计算得到，用于确定振动疲劳试样的振动阶次。
[0046]
步骤s130：通过有限元软件根据固有属性数据模拟计算得到振动疲劳试样的固有频率、振型和相对应力。
[0047]
具体地，基于步骤s120中得到的受力状态、振动阶次和初始尺寸，利用anasys中的modal analysis分析模块计算出在单边固定情况下初始尺寸的振动疲劳试样的固有频率、振型和应力分布。其中应力分布是对振动疲劳试样上应力分布趋势的体现。
[0048]
发动机整体叶盘的整体振动模态有限元仿真计算中，能够得到接近真实情况下的叶片的振动模态、应力状态、应力分布。
[0049]
步骤s140：通过振动疲劳试验机对振动疲劳试样的频率和应力进行测试，得到真实频率和真实应力。
[0050]
具体地，通过步骤s130中有限元仿真计算得到的均为确定好的叶片的状态，振动疲劳试验机为标准振动疲劳试验机，具有固定的参数。
[0051]
步骤s150：通过比较固有频率与真实频率、相对应力和真实应力，确定振动疲劳试样是否满足要求。
[0052]
具体地，当振动疲劳试样经有限元软件根据固有属性数据计算出来的固有频率和相对应力与振动疲劳试验机对振动疲劳试样测试所得到的真实频率和真实应力想接近时，则该振动疲劳试样满足要求。对于满足需求的振动疲劳试样可进一步提高振动疲劳试样与模拟工况下的振动疲劳试样表面粗糙度的相似度，使得振动疲劳试样能进一步模拟出模拟工况下的振动疲劳试样的使用环境。
[0053]
当振动疲劳试样经有限元软件根据固有属性数据计算出来的固有频率和相对应力与振动疲劳试验机对振动疲劳试样测试所得到的真实频率和真实应力相差较大或因尺寸问题导致不能达到模拟工况下有限元软件计算得到的固有频率和相对应力时，则该振动疲劳试样不满足需求。对与不满足需求的振动疲劳试样，则对不满足需求的振动疲劳试样进行尺寸的修正，直到满足需求，使得设计出的振动疲劳试样能够与通过理论基础确定好的振动疲劳试样的理论状态，这样设计出来的振动疲劳试样能够反映叶片的真实情况。
[0054]
接下来通过实施例1和实施例2对该基于有限元模态分析的钛合金振动疲劳试样的设计方法进一步进行说明。
[0055]
实施例1：
[0056]
首先，获取振动疲劳试样的材料固有属性数据，固有属性数据主要包括用于理论计算和有限元软件模拟计算所需要的材料密度、弹性模量、泊松比等参数，其中，振动疲劳试样的材料选择使用tc4钛合金，根据材料手册获得该tc4钛合金的密度ρ＝4.530
×
103kg/m3，弹性模量e＝114gpa(室温)，泊松比μ＝0.31(室温)。
[0057]
其次，根据理论基础选择阶次和尺寸，主要包括确定待模拟工件在实际工况下的
受力状态、依据节线图确定振动阶次、确定振动疲劳试样的初始尺寸。在本实施例中，该待模拟工件为航空发动机整体叶盘叶片尖端，受力状态为正反交替的弯折力，确定工作段的初始尺寸厚度为1.2mm、过渡段长度l2＝0、工作段的方板边长a＝60mm，选择振动阶次为四阶。
[0058]
之后，通过有限元软件根据振动疲劳试样的固有属性数据模拟计算该振动疲劳试样的固有频率和振型，该振动疲劳试样模拟发动机叶片尖端的工作状态，利用有限元模态分析模拟计算该振动疲劳试样初始尺寸时的固有频率、振型、相对应力等参数。其中，利用ansys中的modal analysis分析模块可以计算出在单边固定情况下该振动疲劳试样在初始尺寸下的固有频率为2193.7hz，振型和应力分布趋势如图4所示，其中相对应力值是对该振动疲劳试样上的应力分布趋势的体现。
[0059]
最后，利用振动疲劳试验机使用计算得到的固有频率对振动疲劳试样进行真实频率以及真实应力测试，得到真实四阶频率为2194.1hz，真实试验应力可达到600mpa，该固有频率与初始尺寸的振动疲劳试样接近，则满足试验需求，完成本次试样设计。
[0060]
实施例2：
[0061]
首先，获取振动疲劳试样材料的固有属性数据，固有属性数据包括用于理论计算和有限元软件模拟计算所需的材料密度、弹性模量、泊松比等参数。该振动疲劳试样的材料选择使用tc4钛合金，根据材料手册得到该tc4钛合金材料的密度ρ＝4.530
×
103kg/m3，弹性模量e＝114gpa(室温)，泊松比μ＝0.31(室温)。
[0062]
其次，根据理论基础选择阶次和尺寸，主要包括确定待模拟工件在实际工况下的受力状态、依据节线图确定振动疲劳试样的振动阶次和初始尺寸。在本实施例中，该待模拟工件为航空发动机整体叶盘叶片尖端，受力状态为正反交替的弯折力，确定工作段的初始尺寸厚度为0.5mm、过渡段长度l2＝40mm、工作段的方板边长a＝60mm，选择振动阶次为三阶。
[0063]
之后，通过有限元软件根据振动疲劳试样的固有属性数据模拟计算该振动疲劳试样的固有频率和振型，该振动疲劳试样模拟发动机叶片尖端的工作状态。利用有限元模态分析模拟计算该振动疲劳试样初始尺寸时的固有频率、振型、相对应力等参数。其中，利用ansys中的modal analysis分析模块可以计算出在单边固定情况下该振动疲劳试样在初始尺寸下的固有频率为1511.9hz，振型和应力分布趋势如图5所示，其中相对应力值是对该振动疲劳试样上的应力分布趋势的体现。
[0064]
最后，利用振动疲劳试验机使用计算得到的固有频率对振动疲劳试样进行真实频率以及真实应力测试，得到真实四阶固有频率为1511.3hz，真实试验应力可达到600mpa，该固有频率与初始尺寸的振动疲劳试样接近，则满足试验需求，完成本次试样设计。
[0065]
综上所述，该基于有限元模态分析的钛合金振动疲劳试样的设计方法，通过获取振动疲劳试样材料的固有属性数据，并根据理论基础选择振动疲劳试样在模拟工况下的受力状态和振动阶次并确定该振动疲劳试样的初始尺寸。其次根据受力状态、振动阶次和初始尺寸，通过有限元软件根据固有属性数据模拟计算得到振动疲劳试样的固有频率、振型和相对应力。之后通过振动疲劳试验机对振动疲劳试样的频率和应力进行检测，得到真实频率和真实应力。通过比较固有频率和真实频率、相对应力和真实应力，可确定该振动疲劳试样是否满足需求。当测得的真实频率、真实应力分别与计算得到的固有频率、相对应力接
近时，则该振动疲劳试样满足需求，，使得设计出的振动疲劳试样能够与通过理论基础确定好的振动疲劳试样的理论状态，这样设计出来的振动疲劳试样能够反映叶片的真实情况，否则为不满足需求。对于不满足需求的振动疲劳试样，可对其进行尺寸的修正，直到后期测试中满足需求，因此只需要对振动疲劳试样进行修正即可，修正过程简单方便，且不需要对昂贵的试验设备进行更换，极大地节约了成本。此外由于该振动疲劳试样所采用的材料为钛合金材料且修正的范围可根据试验需求自行变化，实现了钛合金不同厚度的振动疲劳测试试样的设计，提高了振动疲劳试样的准确性的同时扩展了振动疲劳试样的应用范围。
[0066]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。