一种基于变频调速与数值模拟技术的振动时效系统 |
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| 申请号 | CN201811050293.9 | 申请日 | 2018-09-10 | 公开(公告)号 | CN109182729B | 公开(公告)日 | 2023-06-09 |
| 申请人 | 上海海事大学; | 发明人 | 顾邦平; 王思淇; 钱至成; 胡雄; 严小兰; | ||||
| 摘要 | 基于变频调速与数值模拟技术的振动时效系统，包括上位机系统、D/A转换器、 变频器 、可调速 电机 、应变 传感器 、动态应变仪、 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；上位机系统输出的激振 信号 经由D/A转换器输入到变频器，进而驱动可调速电机产生振动；应变传感器粘贴在构件上，且应变传感器的引出线与动态应变仪的输入端连接，动态应变仪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。本 发明 具有能够提高振动时效处理的效率与获得理想的振动时效消除残余应 力 的效果的优点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.基于变频调速与数值模拟技术的振动时效系统，包括上位机系统、D/A转换器、变频器、可调速电机、应变传感器、动态应变仪、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；上位机系统输出的激振信号经由D/A转换器输入到变频器，进而驱动可调速电机产生振动；应变传感器粘贴在构件上，且应变传感器的引出线与动态应变仪的输入端连接，动态应变仪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； |
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| 说明书全文 | 一种基于变频调速与数值模拟技术的振动时效系统技术领域[0001] 本发明涉及振动时效技术领域，特指一种基于变频调速与数值模拟技术的振动时效系统。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。传统的残余应力消除方法主要是热时效技术，然而热时效技术在应用时存在的不足主要包括能耗高、时效处理时间长、热处理设备昂贵、不易于现场操作、容易造成环境污染。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；在二十一世纪振动时效技术具备了取代传统热时效技术的可能。因此，对振动时效技术开展研究具有重要的理论意义和工程应用价值。目前市场上应用最为广泛的是采用可调速电机作为激振器的振动时效系统，该系统采用控制器控制信号发生器输出激振信号，实现可调速电机的变频调速。采用该系统对构件进行扫频振动确定激振频率时，无法对可调速电机进行连续变频调速，降低了振动时效处理的效率。此外，目前市场上应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。在开展振动时效实验时，通常采用构件的加速度振级来评估作用在构件上的激振动应力。虽然加速度振级能够用来表征作用在构件上的振动能量的大小，但是无法通过加速度振级直接得出作用在构件上的激振动应力。对于激振时间的确定主要是按时效构件的重量或者按时效构件振动时效处理过程中的振动响应，当加速度曲线出现上升后变平、上升后下降然后变平等现象后在持续振动时效处理3～5min即可，一般累计振动时效处理的时间不应超过40min。 [0003] 综上所述，采用现有的振动时效系统对构件开展振动时效处理时，对于工艺参数的制定还存在着较大的主观性，这样必然会导致振动时效技术在应用中，经常会出现残余应力消除效果不理想的情况。为了提高振动时效处理的效率以及获得理想的振动时效消除残余应力的效果，本发明提出一种基于变频调速与数值模拟技术的振动时效系统。 发明内容[0004] 为了提高振动时效处理的效率以及获得理想的振动时效消除残余应力的效果，本发明提出一种基于变频调速与数值模拟技术的振动时效系统。 [0005] 基于变频调速与数值模拟技术的振动时效系统，包括上位机系统、D/A转换器、变频器、可调速电机、应变传感器、动态应变仪、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；上位机系统输出的激振信号经由D/A转换器输入到变频器，进而驱动可调速电机产生振动；应变传感器粘贴在构件上，且应变传感器的引出线与动态应变仪的输入端连接，动态应变仪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。 [0006] 进一步，所述的上位机系统包括从应变波形中提取应变峰值ε(με)的应变峰值提取模块，构件弹性模量设置模块，有限元数值模拟模块，激振频率确定模块，激振时间确定模块，激振动应力确定模块，激振器与构件的相对位置设置模块，支撑装置与构件的相对位置设置模块，应变传感器与构件的相对位置设置模块。 [0007] 进一步，所述的支撑装置为弹性元件。 [0008] 进一步，所述的有限元数值模拟模块中安装有ANSYS有限元软件，采用该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。 [0009] 进一步，所述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。 [0010] 具体来说，根据构件的表面残余应力分布状态与构件的振型，确定一组优选的振动时效激振频率，然后在每一个优选的激振频率下对构件进行振动时效处理，能够消除构件上各个区域分布的较大的残余应力，使构件表面获得相对均匀的残余应力分布状态，有利于提高构件的整体使用性能。 [0011] 进一步，所述的激振器与构件的相对位置设置模块，所述的支撑装置与构件的相对位置设置模块以及所述的应变传感器与构件的相对位置设置模块根据激振频率fi对应的振型，确定构件的振动峰值与振动节点所在的位置；将可调速电机固定在构件的振动峰值位置处；在构件的振动节点处采用具有弹性的支撑装置对构件进行支撑，以便可调速电机对构件进行激振；在构件的峰值残余应力处粘贴应变传感器。 [0012] 具体来说，当对构件在激振频率f1下进行定频振动时效处理时，所述的激振器与构件的相对位置设置模块，所述的支撑装置与构件的相对位置设置模块以及所述的应变传感器与构件的相对位置设置模块根据激振频率f1对应的振型，确定构件的振动峰值与振动节点所在的位置；将可调速电机固定在构件的振动峰值位置处；在构件的振动节点处采用具有弹性的支撑装置对构件进行支撑，以便可调速电机对构件进行激振；在构件的峰值残余应力处粘贴应变传感器。当在激振频率f1下振动时效处理结束后，所述的激振器与构件的相对位置设置模块，所述的支撑装置与构件的相对位置设置模块以及所述的应变传感器与构件的相对位置设置模块根据激振频率f2对应的振型确定激振器、支撑装置以及应变传感器与构件的相对位置。当在激振频率f2下振动时效处理结束后，所述的激振器与构件的相对位置设置模块，所述的支撑装置与构件的相对位置设置模块以及所述的应变传感器与构件的相对位置设置模块会根据下一个激振频率所对应的振型进行相应的操作，直到所有的激振频率fi都执行完毕为止。 [0013] 进一步，所述的激振动应力确定模块首先根据构件弹性模量设置模块中预设的构件弹性模量E(GPa)与应变峰值提取模块中提取到的应变峰值ε(με)，得到作用在构件上的激振动应力 其中σd为激振动应力，然后根据构件的屈服强度、疲劳极限以及构件的峰值残余应力确定振动时效处理时的激振动应力。 [0014] 具体来说，确定构件振动时效处理时的激振动应力的依据为所述的可调速电机产生的激振动应力的幅值与所述的数值模拟分析得到的峰值残余应力之和大于构件的屈服强度，同时所述的可调速电机产生的激振动应力的幅值小于构件的疲劳极限。 [0015] 进一步，所述的激振时间确定模块以Δt时间为间隔，获取应变信号的峰值，当应变信号的峰值保持不变时，停止对构件进行振动时效处理。 [0016] 具体来说，对构件在确定的激振频率f1下进行定频振动时效处理时，以Δt时间为间隔，获取应变信号的峰值，当应变信号的峰值保持不变时，上位机系统输出激振频率为f2的激振信号驱动可调速电机对构件进行振动时效处理，直到优选出的振动时效激振频率都执行完毕为止。 [0017] 进一步，所述的间隔时间Δt为1min。 [0018] 本发明的技术构思是：由上位机系统、D/A转换器、变频器、可调速电机、应变传感器、动态应变仪、数据采集卡以及支撑装置组成基于变频调速与数值模拟技术的振动时效系统，采用变频调速方式可以实现对可调速电机进行连续调速，同时采用数值模拟技术确定振动时效处理时的工艺参数，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、采用本发明提出的基于变频调速与数值模拟技术的振动时效系统对构件进行振动时效处理时，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、本发明采用变频调速方式能够实现对可调速电机进行连续调速，提高了振动时效处理的效率。 [0023] 图1基于变频调速与数值模拟技术的振动时效系统示意图。 具体实施方式[0024] 参照附图，进一步说明本发明： [0025] 基于变频调速与数值模拟技术的振动时效系统，包括上位机系统、D/A转换器、变频器、可调速电机、应变传感器、动态应变仪、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；上位机系统输出的激振信号经由D/A转换器输入到变频器，进而驱动可调速电机产生振动；应变传感器粘贴在构件上，且应变传感器的引出线与动态应变仪的输入端连接，动态应变仪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] 进一步，所述的上位机系统包括从应变波形中提取应变峰值ε(με)的应变峰值提取模块，构件弹性模量设置模块，有限元数值模拟模块，激振频率确定模块，激振时间确定模块，激振动应力确定模块，激振器与构件的相对位置设置模块，支撑装置与构件的相对位置设置模块，应变传感器与构件的相对位置设置模块。 [0027] 进一步，所述的支撑装置为弹性元件。 [0028] 进一步，所述的有限元数值模拟模块中安装有ANSYS有限元软件，采用该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。 [0029] 进一步，所述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。 [0030] 具体来说，根据构件的表面残余应力分布状态与构件的振型，确定一组优选的振动时效激振频率，然后在每一个优选的激振频率下对构件进行振动时效处理，能够消除构件上各个区域分布的较大的残余应力，使构件表面获得相对均匀的残余应力分布状态，有利于提高构件的整体使用性能。 [0031] 进一步，所述的激振器与构件的相对位置设置模块，所述的支撑装置与构件的相对位置设置模块以及所述的应变传感器与构件的相对位置设置模块根据激振频率fi对应的振型，确定构件的振动峰值与振动节点所在的位置；将可调速电机固定在构件的振动峰值位置处；在构件的振动节点处采用具有弹性的支撑装置对构件进行支撑，以便可调速电机对构件进行激振；在构件的峰值残余应力处粘贴应变传感器。 [0032] 具体来说，当对构件在激振频率f1下进行定频振动时效处理时，所述的激振器与构件的相对位置设置模块，所述的支撑装置与构件的相对位置设置模块以及所述的应变传感器与构件的相对位置设置模块根据激振频率f1对应的振型，确定构件的振动峰值与振动节点所在的位置；将可调速电机固定在构件的振动峰值位置处；在构件的振动节点处采用具有弹性的支撑装置对构件进行支撑，以便可调速电机对构件进行激振；在构件的峰值残余应力处粘贴应变传感器。当在激振频率f1下振动时效处理结束后，所述的激振器与构件的相对位置设置模块，所述的支撑装置与构件的相对位置设置模块以及所述的应变传感器与构件的相对位置设置模块根据激振频率f2对应的振型确定激振器、支撑装置以及应变传感器与构件的相对位置。当在激振频率f2下振动时效处理结束后，所述的激振器与构件的相对位置设置模块，所述的支撑装置与构件的相对位置设置模块以及所述的应变传感器与构件的相对位置设置模块会根据下一个激振频率所对应的振型进行相应的操作，直到所有的激振频率fi都执行完毕为止。 [0033] 进一步，所述的激振动应力确定模块首先根据构件弹性模量设置模块中预设的构件弹性模量E(GPa)与应变峰值提取模块中提取到的应变峰值ε(με)，得到作用在构件上的激振动应力 其中σd为激振动应力，然后根据构件的屈服强度、疲劳极限以及构件的峰值残余应力确定振动时效处理时的激振动应力。 [0034] 具体来说，确定构件振动时效处理时的激振动应力的依据为所述的可调速电机产生的激振动应力的幅值与所述的数值模拟分析得到的峰值残余应力之和大于构件的屈服强度，同时所述的可调速电机产生的激振动应力的幅值小于构件的疲劳极限。 [0035] 进一步，所述的激振时间确定模块以Δt时间为间隔，获取应变信号的峰值，当应变信号的峰值保持不变时，停止对构件进行振动时效处理。 [0036] 具体来说，对构件在确定的激振频率f1下进行定频振动时效处理时，以Δt时间为间隔，获取应变信号的峰值，当应变信号的峰值保持不变时，上位机系统输出激振频率为f2的激振信号驱动可调速电机对构件进行振动时效处理，直到优选出的振动时效激振频率都执行完毕为止。 [0037] 进一步，所述的间隔时间Δt为1min。 |
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