技术领域
[0001] 本
发明涉及振动时效技术领域，特指一种确定振动时效激振频率的系统及方法。技术背景
[0002] 如何消除构件加工
制造过程中的残余应
力是机械制造工业领域中的一项重要研究课题。振动时效技术具有处理效果好、处理时间短、环境污染小、能耗低、易于现场操作等特点，属于高效节能绿色环保的时效处理技术。因此，对振动时效技术开展研究具有重要的工程应用价值。目前市场上常用的振动时效系统采用的是传统的扫频法确定振动时效的激振频率，并未考虑构件的残余
应力分布状态，这样确定的振动时效激振频率，不利于获得理想的振动时效消除残余应力的效果。此外，扫频法是通过扫频振动的方式寻找构件的固有频率，然后在其固有频率或在其亚共振区域选择一频率对构件进行振动时效处理，然而通过扫频振动的方式确定的构件振动时效激振频率往往不止一个，此时如何在这些频率中确定出合适的振动时效激振频率已经成为振动时效工艺参数研究领域迫切需要解决的一个问题。鉴于此，为了克服现有扫频法确定振动时效激振频率时存在的不足，本发明提出一种确定振动时效激振频率的系统及方法。
发明内容
[0003] 为了克服现有扫频法确定振动时效激振频率时存在的不足，本发明提出一种确定振动时效激振频率的系统及方法。
[0004] 确定振动时效激振频率的系统，包括上位机系统、任意
波形发生卡、
驱动器、激振器、
加速度
传感器、电荷
放大器、
数据采集卡、
支撑装置；激振器固定在构件表面，构件采用具有弹性的支撑装置进行支撑；上位机系统控制任意波形发生卡输出的激振
信号经由驱动器输入到激振器，进而驱动激振器产生振动；加速度传感器安装在构件上，加速度传感器与电荷放大器的输入端连接，电荷放大器的输出端与数据采集卡的输入端连接，数据采集卡的输出端与上位机系统连接。
[0005] 上位机系统包括有限元数值模拟模
块，优选的激振频率确定模块，优选的激振频率参考
电压峰值设置模块，激振信号合成模块，获取数据采集卡采集到的电压信号的电压信号获取模块，对电压信号进行快速傅里叶变换的傅里叶变换模块，从快速傅里叶变换结果中获取各个优选的激振频率点实际电压峰值的实际电压峰值获取模块，用于存储参考电压峰值与实际电压峰值之间差值的电压峰值差值存储模块。
[0006] 进一步，所述的支撑装置为弹性元件。
[0007] 进一步，所述的加速度传感器为压电式加速度传感器。
[0008] 确定振动时效激振频率的方法包括以下步骤：
[0009] (1)、将构件与激振器固定连接；采用具有弹性的支撑装置对构件进行支撑，以便激振器对构件进行激振；接通信号连线，接通电源；
[0010] (2)、启动有限元数值模拟模块中安装的ANSYS有限元
软件；采用ANSYS有限元软件建立构件的三维有限元模型，模拟构件的实际加工制造过程，得到构件的表面残余应力分布状态；对构件进行数值模态分析，得到构件的各阶固有频率、各阶谐波频率以及与各阶固有频率、各阶谐波频率所对应的振型；确定每一阶振型上振动
能量分布较大的区域；优选的激振频率确定模块根据构件的表面残余应力分布状态，确定出峰值残余应力分布区域与振
动能量分布较大区域相一致的振型，该振型对应的频率即为优选出的振动时效激振频率fi，i＝1,2,···,n，其中n为正整数，为优选出的一组激振频率的个数；
[0011] (3)、在优选的激振频率参考电压峰值设置模块中设置优选的一组频率为激振频率的正弦信号的参考电压峰值Uri，i＝1,2,···,n，其中n为正整数，为优选出的一组激振频率的个数；激振信号合成模块将电压峰值为Uri的优选的一组正弦信号合成用于振动时效处理的激振信号；上位机系统将合成的数字激振信号通过任意波形发生卡转换为模拟激振信号；任意波形发生卡输出的模拟激振信号经由驱动器输入激振器，从而驱动激振器产生振动；
[0012] (4)、对构件在合成的激振信号下进行振动时效处理Δt时间，同时加速度传感器将Δt时间段内采集到的构件振动信号通过电荷放大器转换为模拟电压信号；数据采集卡将采集到的模拟电压信号转换为数字电压信号；电压信号获取模块获取数据采集卡采集到的数字电压信号；傅里叶变换模块对数字电压信号进行快速傅里叶变换获取电压信号的
频谱；实际电压峰值获取模块从频谱中获取优选的一组激振频率点上的各个实际电压峰值Usi，i＝1,2,···,n，其中n为正整数，为优选出的一组激振频率的个数；计算各个优选激振频率的参考电压峰值Uri与实际电压峰值Usi之间的差值Uri﹣Usi，并将计算结果存储到电压峰值差值存储模块中；选取电压峰值差值最大的频率作为振动时效处理的激振频率。
[0013] 现有的振动时效工艺，常常选择构件振动时效处理前构件的固有频率或者谐波频率值作为激振频率，且在振动时效处理过程中激振频率是恒定不变的。然而，构件在振动时效处理过程中固有频率值或者谐波频率值会变小，使得激振频率值与构件实际固有频率值或谐波频率值的差值越来越大，构件振动效果越来越差，导致作用在构件上的加速度振级越来越小，即作用在构件上的振动能量越来越小，降低了残余应力的消除效果。因此，本发明根据构件振动时效处理过程中产生的这个现象，从优选的一组激振频率中选取电压峰值差值最大的频率作为振动时效处理的激振频率，是因为电压峰值差值越大，表明构件的微观
缺陷在此激振频率作用下变化最为明显，即构件的残余应力消除效果最好；同时本发明提出的激振频率确定方法克服了扫频法确定振动时效处理的激振频率时，不考虑构件表面残余应力分布状态的不足；此外，本发明提出的激振频率确定方法在确定振动时效处理的激振频率时更有针对性，使得整个激振频率确定过程更有效率。
[0014] 进一步，所述的信号连线包括上位机系统与任意波形发生卡之间的信号连线；任意波形发生卡与驱动器之间的信号连线；驱动器与激振器之间的信号连线；加速度传感器与电荷放大器之间的信号连线；电荷放大器与数据采集卡之间的信号连线；数据采集卡与上位机系统之间的信号连线；所述的电源包括上位机系统、任意波形发生卡、驱动器、激振器、电荷放大器和数据采集卡的电源。
[0015] 进一步，所述的时间Δt为5min。
[0016] 进一步，所述的电压峰值用于表征作用在构件上的振动能量。
[0017] 所述的加速度传感器的灵敏度值为s(pC/ms-2)，电荷放大器输入端的灵敏度系数为S(pC/Unit)，放大系数为F(Unit/V)，则作用在构件上的加速度振级与电压峰值之间的转换关系为 其中a为作用在构件上的加速度振级，U为电压峰值，因此电压峰值能够用于表征作用在构件上的振动能量，且采用所述的电压峰值表征作用在构件上的振动能量，可以减少上位机系统的处理工作量，提高整个振动时效系统的运行效率。
[0018] 本发明的技术构思是：由上位机系统、任意波形发生卡、驱动器、激振器、加速度传感器、电荷放大器、数据采集卡以及支撑装置组成确定振动时效激振频率的系统，该系统在确定振动时效激振频率时，采用了数值模拟技术与傅里叶变换技术，能够获得理想的振动时效消除残余应力的效果。
[0019] 本发明的有益效果如下：
[0020] 1、采用本发明提出的确定振动时效激振频率的系统确定构件振动时效处理的激振频率时，是通过上位机系统进行控制，减少了工作量，提高了工作效率。
[0021] 2、本发明采用数值模拟技术获取构件的振型和构件的表面残余应力分布状态，在此
基础上确定构件的振动时效处理的激振频率，有利于获得理想的振动时效消除残余应力的效果。
[0022] 3、本发明采用数值模拟技术确定出优选的一组激振频率，在此基础上采用傅里叶变换技术从优选的一组激振频率中确定振动时效处理的激振频率，克服了扫频法确定激振频率时不考虑构件表面残余应力分布状态的不足，同时与扫频法相比，本发明提出的激振频率确定方法更有针对性，且整个激振频率确定过程更有效率。
附图说明
[0023] 图1确定振动时效激振频率的系统示意图。
具体实施方式
[0024] 参照附图，进一步说明本发明：
[0025] 确定振动时效激振频率的系统，包括上位机系统、任意波形发生卡、驱动器、激振器、加速度传感器、电荷放大器、数据采集卡、支撑装置；激振器固定在构件表面，构件采用具有弹性的支撑装置进行支撑；上位机系统控制任意波形发生卡输出的激振信号经由驱动器输入到激振器，进而驱动激振器产生振动；加速度传感器安装在构件上，加速度传感器与电荷放大器的输入端连接，电荷放大器的输出端与数据采集卡的输入端连接，数据采集卡的输出端与上位机系统连接。
[0026] 上位机系统包括有限元数值模拟模块，优选的激振频率确定模块，优选的激振频率参考电压峰值设置模块，激振信号合成模块，获取数据采集卡采集到的电压信号的电压信号获取模块，对电压信号进行快速傅里叶变换的傅里叶变换模块，从快速傅里叶变换结果中获取各个优选的激振频率点实际电压峰值的实际电压峰值获取模块，用于存储参考电压峰值与实际电压峰值之间差值的电压峰值差值存储模块。
[0027] 进一步，所述的支撑装置为弹性元件。
[0028] 进一步，所述的加速度传感器为压电式加速度传感器。
[0029] 确定振动时效激振频率的方法包括以下步骤：
[0030] (1)、将构件与激振器固定连接；采用具有弹性的支撑装置对构件进行支撑，以便激振器对构件进行激振；接通信号连线，接通电源；
[0031] (2)、启动有限元数值模拟模块中安装的ANSYS有限元软件；采用ANSYS有限元软件建立构件的三维有限元模型，模拟构件的实际加工制造过程，得到构件的表面残余应力分布状态；对构件进行数值模态分析，得到构件的各阶固有频率、各阶谐波频率以及与各阶固有频率、各阶谐波频率所对应的振型；确定每一阶振型上振动能量分布较大的区域；优选的激振频率确定模块根据构件的表面残余应力分布状态，确定出峰值残余应力分布区域与振动能量分布较大区域相一致的振型，该振型对应的频率即为优选出的振动时效激振频率fi，i＝1,2,···,n，其中n为正整数，为优选出的一组激振频率的个数；
[0032] (3)、在优选的激振频率参考电压峰值设置模块中设置优选的一组频率为激振频率的正弦信号的参考电压峰值Uri，i＝1,2,···,n，其中n为正整数，为优选出的一组激振频率的个数；激振信号合成模块将电压峰值为Uri的优选的一组正弦信号合成用于振动时效处理的激振信号；上位机系统将合成的数字激振信号通过任意波形发生卡转换为模拟激振信号；任意波形发生卡输出的模拟激振信号经由驱动器输入激振器，从而驱动激振器产生振动；
[0033] (4)、对构件在合成的激振信号下进行振动时效处理Δt时间，同时加速度传感器将Δt时间段内采集到的构件振动信号通过电荷放大器转换为模拟电压信号；数据采集卡将采集到的模拟电压信号转换为数字电压信号；电压信号获取模块获取数据采集卡采集到的数字电压信号；傅里叶变换模块对数字电压信号进行快速傅里叶变换获取电压信号的频谱；实际电压峰值获取模块从频谱中获取优选的一组激振频率点上的各个实际电压峰值Usi，i＝1,2,···,n，其中n为正整数，为优选出的一组激振频率的个数；计算各个优选激振频率的参考电压峰值Uri与实际电压峰值Usi之间的差值Uri﹣Usi，并将计算结果存储到电压峰值差值存储模块中；选取电压峰值差值最大的频率作为振动时效处理的激振频率。
[0034] 现有的振动时效工艺，常常选择构件振动时效处理前构件的固有频率或者谐波频率值作为激振频率，且在振动时效处理过程中激振频率是恒定不变的。然而，构件在振动时效处理过程中固有频率值或者谐波频率值会变小，使得激振频率值与构件实际固有频率值或谐波频率值的差值越来越大，构件振动效果越来越差，导致作用在构件上的加速度振级越来越小，即作用在构件上的振动能量越来越小，降低了残余应力的消除效果。因此，本发明根据构件振动时效处理过程中产生的这个现象，从优选的一组激振频率中选取电压峰值差值最大的频率作为振动时效处理的激振频率，是因为电压峰值差值越大，表明构件的微观缺陷在此激振频率作用下变化最为明显，即构件的残余应力消除效果最好；同时本发明提出的激振频率确定方法克服了扫频法确定振动时效处理的激振频率时，不考虑构件表面残余应力分布状态的不足；此外，本发明提出的激振频率确定方法在确定振动时效处理的激振频率时更有针对性，使得整个激振频率确定过程更有效率。
[0035] 进一步，所述的信号连线包括上位机系统与任意波形发生卡之间的信号连线；任意波形发生卡与驱动器之间的信号连线；驱动器与激振器之间的信号连线；加速度传感器与电荷放大器之间的信号连线；电荷放大器与数据采集卡之间的信号连线；数据采集卡与上位机系统之间的信号连线；所述的电源包括上位机系统、任意波形发生卡、驱动器、激振器、电荷放大器和数据采集卡的电源。
[0036] 进一步，所述的时间Δt为5min。
[0037] 进一步，所述的电压峰值用于表征作用在构件上的振动能量。
[0038] 所述的加速度传感器的灵敏度值为s(pC/ms-2)，电荷放大器输入端的灵敏度系数为S(pC/Unit)，放大系数为F(Unit/V)，则作用在构件上的加速度振级与电压峰值之间的转换关系为 其中a为作用在构件上的加速度振级，U为电压峰值，因此电压峰值能够用于表征作用在构件上的振动能量，且采用所述的电压峰值表征作用在构件上的振动能量，可以减少上位机系统的处理工作量，提高整个振动时效系统的运行效率。
[0039] 本
说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
