(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210860106.3 (22)申请日 2022.07.21 (71)申请人 南京航空航天大 学 地址 210000 江苏省南京市秦淮区御道街 29号 (72)发明人 牛序铭　吴伟晶　彭秋洪　孙志刚　 宋迎东　 (74)专利代理 机构 南京鑫之航知识产权代理事 务所(特殊普通 合伙) 32410 专利代理师 汪庆朋 (51)Int.Cl. G01M 7/02(2006.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06T 17/00(2006.01) (54)发明名称 一种考虑离心力效应的转子叶片高周疲劳 试验方法及装置 (57)摘要 本发明公开了一种考虑离心力效应的转子 叶片高周疲 劳试验方法及试验装置， 该装置包括 经典振动模块、 叶片装夹模块和电磁铁控制模块 三大模块， 试验 方法为利用三维有限元软件确定 转子叶片危险点位置并求取危险点离心力， 借助 电磁铁控制模块， 用电磁场产生的吸引力来等效 离心力， 并使用电流控制器调整电流控制磁场吸 引力大小， 采用叶片装夹模块对转子叶片进行夹 持固定， 利用经典振动模块对转子叶片进行测 试， 测量转子叶片 的高周疲劳极限。 本发明的试 验装置结构得到优化， 试验成本低， 过程易于控 制， 并且考虑了离心力效应， 使得转子叶片高周 振动疲劳试验时的应力状态更接近实际服役环 境， 相较于常规试验手段得到的试验 结果更加精 确。 权利要求书3页 说明书8页 附图6页 CN 115307855 A 2022.11.08 CN 115307855 A 1.一种考虑离心力效应的转子叶片高周疲劳试验方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 第一步： 确定转子叶片危险点的位置， 用三维软件建立转子叶片三维模型， 用有限元软 件对转子叶片模型进行模态分析， 考虑转子叶片离心载荷作用， 得到转子叶片的振型以及 转子叶片危险点的位置， 记为 点P； 第二步： 根据转子 叶片的几何形状， 采用离心力计算公式， 计算出点P在该转速下的离 心力， 离心力计算公式为： 其中ρ 为叶片材料密度， ω为转子旋转角速度， Zk表示 叶尖到旋转轴的距离， Zi表示 叶 根到旋转轴的距离， Z表示点P 到旋转轴的距离在叶高方向上的投影， A(Z)表 示点P所在的叶 片截面积； 第三步： 建立转子叶片、 叶尖树脂夹头与球形衔铁的三维装配模型， 用有限元分析软件 对三维装配模型进行模态分析， 给定叶尖切削长度L初始值， 考虑转子叶片的离心载荷作 用， 得到三 维装配模型的振 型以及一阶共振下最大 交变应力位置， 记 为点P'， 以叶尖切削长 度L为设计变量， 以点P的位置和振型为目标， 建立多目标优化程序， 当点P'与点P的位置不 相近且两点对应的振 型不相等时， 重新给定叶尖切削长度L初始 值， 计算得到三维装配模型 的振型以及一阶共振下最大交变应力点的位置P'， 当点P'与点P的位置相近且两点对应的 振型相等时， 输出的叶尖切削长度L即为叶尖削去的长度； 第四步： 制作试验件， 根据叶尖切削长度L， 在转子叶片的叶尖削去长度为L的材料， 叶 尖树脂夹头通过浇铸工艺成型， 浇铸过程中将转子叶片的叶尖浸入熔融环氧树脂， 冷却固 定成型， 叶尖树脂 夹头的一侧与转子叶片粘结在一 起， 得到试验 件； 第五步： 试验件装夹、 磁场设置， 利用叶片装夹模块将试验件固定在经典振动模块上， 并利用电磁铁控制模块对试验 件进行磁场设置； 第六步： 电流标定、 震动设置， 接通电源， 通过电磁铁控制模块产生磁场， 磁场产生的吸 引力与所述第二步中所求得的离心力的值相等， 标定此时电流值， 启动经典振动模块进行 震动设置， 对试验 件进行测试， 测量 转子叶片的高周疲劳 极限。 2.根据权利要求1所述的一种考虑离心力效应的转子 叶片高周疲劳试验方法， 其特征 在于， 采用数值积分法求解所述(1)式积分， 将叶片分成n段， 从叶尖到叶根有第0， 1， 2，……， n， 共n+1个截面， 第一段， 即第0截面与第1截面之间的叶片段， 该段叶片质量 沿叶高 方向的离心力为： ΔF1＝ρ ω2Am1Zm1ΔZ1    (2) 式中， Am1表示第一段叶片的平均截面积， Zm1表示沿叶高方向的平均坐标， ΔZ1表示第一 段叶片的绝对高度； 权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115307855 A 2ΔZ1＝Z0‑Z1    (5) 上述式中， Z0， Z1分别为第0截 面和第1截 面沿叶高方向 的坐标， A0， A1分别为第0截 面和第 1截面的截面 面积； 同理， 求出ΔF2， ΔF3，……， ΔFn， 设定点P的所在的截面是第i截面， 点P承受的离心力 为： Fi离＝ΔF1+ΔF2+…+ΔFi    (6)。 3.根据权利要求1所述的一种考虑离心力效应的转子 叶片高周疲劳试验方法， 其特征 在于， 第五步中， 所述试验件装夹是利用螺钉将所述试验件的转子叶片的榫头固定在所述 叶片装夹模块的叶片夹具内， 对所述试验 件进行磁场设置的方法包括以下步骤： 步骤1、 将电磁铁控制模块的球形衔铁推入叶尖树脂夹头的凹槽内， 并用第 一定位螺钉 固定； 步骤2、 将线圈缠绕在电磁铁控制模块的环形铁芯上， 环形铁芯的凹槽对准电磁铁控制 模块的铁芯夹具的凸台并推入， 并用第二定位螺钉将环形铁芯固定在铁芯夹具 上； 步骤3、 调 整铁芯夹具的位置使环形铁芯正对着球形衔铁， 用螺钉将铁芯夹具底座固定 在经典振动模块的电动振动台上。 4.根据权利要求3所述的一种考虑离心力效应的转子 叶片高周疲劳试验方法， 其特征 在于， 第六步中， 所述电流标定的方法包括： 步骤1、 首先将电磁铁控制模块的压力传感器安装在环形铁芯的凹槽与铁芯夹具的凸 台的接触面上； 步骤2、 接通线圈电流， 产生磁场， 使球形衔铁与环形铁芯之间产生吸引力， 压力传感器 的数值随之发生变化； 步骤3、 通过电流控制器调整线圈电流大小， 使压力传感器的数值与第 二步中计算的离 心力相等， 标定此时的电流大小， 记为电流标定值 I， 关闭电源并取 出压力传感器。 5.根据权利要求4所述的一种考虑离心力效应的转子 叶片高周疲劳试验方法， 其特征 在于， 第六步中， 所述震动设置为： 打开电源， 调整线圈电流的数值， 使线圈电流的读数值与 所述电流标定值I相等， 设置经典振动模块的振幅和频率参数， 启动经典振动模块的电动振 动台和功率 放大器， 对试验 件的高周疲劳 极限值进行测量。 6.根据权利要求1所述的一种考虑离心力效应的转子 叶片高周疲劳试验方法， 其特征 在于， 所述三维软件包括CAE软件和UG软件的任意一个或两个组合， 所述有限元软件包括 ABAQUS软件、 ANSYS软件或MSC软件中任意 一个或多个组合。 7.一种应用于权利要求1、 3 ‑6任意一项所述的考虑离心力效应的转子叶片高周疲劳试 验方法的实验 装置， 其特 征在于， 所述实验 装置包括： 经典振动模块， 所述经典振动模块包括： 电动振动台(11)、 功率放大器(12)、 计算机 (13)和激光位移传感器， 所述计算机(13)与电动振动台(11)、 功率放大器(12)和激光位移 传感器通过信号线相连， 所述功率 放大器(12)与电动振动台(1 1)通过信号线相连； 叶片装夹模块， 所述叶片装夹模块包括： 叶片夹具(22)和叶尖树脂夹头(23)， 所述叶片 夹具(22)固定安装在所述电动振动台(11)的一侧， 所述叶片夹具(22)夹设紧固转子叶片 (21)的榫头； 电磁铁控制模块， 所述电磁铁控制模块包括： 铁芯夹具(31)、 环形铁芯(32)、 线圈(33)、权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115307855 A 3