一种直升机强度试验大吨位动态载荷加载方法及装置与流程

1.本发明属于航空地面试验技术领域，涉及一种疲劳试验用的大载荷施加装置，具体涉及一种直升机强度试验大吨位动态载荷加载方法及装置。


背景技术：

2.在直升机型号研制过程中，直升机承力部件需要进行一定的载荷循环次加载疲劳寿命试验，以验证内部零部件以及整体系统的可靠性。由于旋翼系统高速旋转，旋翼系统及其连接系统、零部件承受一种大小不变和绕试验件轴线转动的载荷，如见图1所示，其中桨毂连接件是直升机旋翼系统中的典型复杂动部件，由桨叶传过来的复杂载荷通过连接件传递到桨毂上，其受力情况非常复杂，承受着桨叶传来的大吨位动态载荷，因此在直升机型号设计中需要重点验证主桨毂中央件组件的疲劳性能，需要对试验件施加不同的转速、径向载荷和轴向载荷。
3.在直升机桨毂疲劳强度试验中,主要加载方式为液压方式，但是液压系统存在固有的缺点，在进行大吨位动态载荷加载时，响应速度慢，一般只能到达0.2hz，严重影响试验效率，而在小载荷加载时，往往存在死区,在施加较小轴向力时无法实现稳定加载,且无法实现小轴向力和大轴向力的同一精度控制。电磁阀加载方式虽然响应速度较快，但存在作用力过小问题，安装及使用困难等问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的：为了解决上述问题，本发明提供了一种直升机强度试验大吨位动态载荷加载方法及装置，在电磁阀加载方式基础上增加惯性共振装置和控制装置，基于惯性共振放大原理对电磁阀加载力定频放大，能够高效实现大吨位动态载荷稳定加载，提升直升机结构强度疲劳试验效率，满足加载精度要求。
5.本发明的技术方案：
6.一种直升机强度试验大吨位动态载荷加载方法，用预压紧弹簧施加轴向预紧力,再通过接触式电磁激励基于惯性共振原理对预压紧弹簧的支撑件进行连续调整，使得预压紧弹簧另一端产生动态放大的载荷，再以该载荷作为疲劳试验的载荷进行加载。
7.进一步的，利用时变的安培力模拟产生定频动态载荷，实验需要提供时变的安培力来模拟模型承受的时变气动力：
8.f＝bil
ꢀꢀ
(1)
9.其中：f为施加的安培力；b为磁场的磁感应强度；i为输人的电流强度；l为通电电流导体有效长度；通过改变通电导线中的电流强度从而形成稳定时变的安培力。
10.进一步的，产生动态放大载荷的方法具体为：
[0011][0012]u″
(t)+2εωnu
′
(t)+ω
2n
u(t)＝ω
2n
βdsinωt
ꢀꢀ
(3)
[0013]
通过惯性共振加载装置后实际的激励力：
[0014][0015][0016][0017]
可以得到位移放大倍数
[0018]
其中，考弹簧输出力放大效果相同，m为质量，c为阻尼，k为刚度，u为位移，ωn为系统固有频率，ω为激励频率，βd为放大倍数，f0为激励力的大小，ε为阻尼比。
[0019]
一种直升机强度试验大吨位动态载荷加载装置，使用上述的一种直升机强度试验大吨位动态载荷加载方法，包括电磁加载装置(1)、共振放大装置(2)和加载连接装置(3)；其中，电磁加载装置(1)产生一定频率的电磁力冲击对共振放大装置(2)进行共振激励，共振放大装置(2)的振动经过自身的弹簧放大后传递给加载连接装置(3)，加载连接装置(3)连接并对试验件进行力加载。
[0020]
进一步的，电磁加载装置(1)为螺旋线圈结构，通过调整螺旋线圈结构中通电导线的电流强度来产生电磁激励脉冲，所调整的脉冲频率与共振放大装置(2)相近或相同，激励共振放大装置(2)产生由时变安培力模拟产生的定频动态载荷。
[0021]
进一步的，共振放大装置(2)包括质量块、弹簧和底板，质量块上绕有通电导线形成螺旋线圈结构，质量块通过至少一个弹簧连接底板,底板另一端连接加载连接装置(3)。
[0022]
进一步的，根据需求调整质量块上通电导线的通电强度来改变整个系统动态载荷的响应速度。
[0023]
进一步的，根据需求调整质量块或弹簧的刚度，使整个系统能够根据需要结合动态放大载荷方法来改变动态载荷放大倍数。
[0024]
本发明的有益效果：
[0025]
1、本发明针对直升机结构强度疲劳试验大吨位动态载荷加载需求，在电磁阀加载方式基础上增加惯性共振装置和控制装置，基于惯性共振放大原理对电磁阀加载力定频放大，能够高效实现大吨位动态载荷稳定加载，提升直升机结构强度疲劳试验效率，满足加载精度要求。
[0026]
2、本发明的动态载荷能够实现稳定加载，并且加载频率和加载力能够得到较为精确的调整，不再受限。
附图说明
[0027]
图1是本发明涉及的某型号主桨毂离心力加载波形；
[0028]
图2是本发明涉及的简化的弹簧质量系统；
[0029]
图3是本发明涉及的载荷及位移放大系数；
[0030]
图4是本发明涉及的系统组成图；
[0031]
图5是本发明涉及的施加的定频动态载荷；
[0032]
图6是本发明涉及的施加的定频动态载荷；
[0033]
其中，1—电磁加载装置，2—共振放大装置，3—加载连接装置。
具体实施方式
[0034]
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。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。
[0035]
一种直升机强度试验大吨位动态载荷加载方法，用预压紧弹簧施加轴向预紧力,再通过接触式电磁激励基于惯性共振原理对预压紧弹簧的支撑件进行连续调整，使得预压紧弹簧另一端产生动态放大的载荷，再以该载荷作为疲劳试验的载荷进行加载。
[0036]
利用时变的安培力模拟产生定频动态载荷，实验需要提供时变的安培力来模拟模型承受的时变气动力：
[0037]
f＝bil (1)
[0038]
其中：f为施加的安培力；b为磁场的磁感应强度；i为输人的电流强度；l为通电电流导体有效长度；通过改变通电导线中的电流强度从而形成稳定时变的安培力。
[0039]
产生动态放大载荷的方法具体为：
[0040][0041]u″
(t)+2εωnu
′
(t)+ω
2n
u(t)＝ω
2n
βdsinωt
ꢀꢀ
(3)
[0042]
通过惯性共振加载装置后实际的激励力：
[0043][0044][0045][0046]
可以得到位移放大倍数
[0047]
其中，考弹簧输出力放大效果相同，m为质量，c为阻尼，k为刚度，u为位移，ωn为系统固有频率，ω为激励频率，βd为放大倍数，f0为激励力的大小，ε为阻尼比。
[0048]
一种直升机强度试验大吨位动态载荷加载装置，使用上述的一种直升机强度试验大吨位动态载荷加载方法，包括电磁加载装置1、共振放大装置2和加载连接装置3；其中，电磁加载装置1产生一定频率的电磁力冲击对共振放大装置2进行共振激励，共振放大装置2的振动经过自身的弹簧放大后传递给加载连接装置3，加载连接装置3连接并对试验件进行力加载。
[0049]
电磁加载装置1为螺旋线圈结构，通过调整螺旋线圈结构中通电导线的电流强度来产生电磁激励脉冲，所调整的脉冲频率与共振放大装置2相近或相同，激励共振放大装置2产生由时变安培力模拟产生的定频动态载荷。
[0050]
共振放大装置2包括质量块、弹簧和底板，质量块上绕有通电导线形成螺旋线圈结
构，质量块通过至少一个弹簧连接底板,底板另一端连接加载连接装置3。
[0051]
根据需求调整质量块上通电导线的通电强度来改变整个系统动态载荷的响应速度。
[0052]
根据需求调整质量块或弹簧的刚度，使整个系统能够根据需要结合动态放大载荷方法来改变动态载荷放大倍数。
[0053]
下面结合附图说明本发明另一个实施例。
[0054]
本发明的基本工作原理如下：
[0055]
1)非接触式电磁激励系统
[0056]
实验需要提供时变的安培力来模拟模型承受的时变气动力，如式(1)所示：
[0057]
f＝bil
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0058]
其中：f为施加的安培力，b为磁场的磁感应强度，i为输人的电流强度，l为通电电流导体有效长度。
[0059]
利用程控电源改变通电导线中的电流强度，从而形成稳定时变的安培力。
[0060]
2)惯性共振加载装置基础原理
[0061]
试验过程中需要始终保证对试验件施加一定的定向载荷，考虑到电磁加载力幅值较小，为此,提出一种采用电磁加载及惯性共振的复合加载方法。利用预压紧弹簧施加轴向预紧力以满足轴承的最小轴向预负荷,再通过接触式电磁激励对惯性共振加载装置的连续调整。
[0062]
很多实际的动力问题常可以简化为单自由度系统进行分析或初步估算，典型：单摆、车辆的垂直方向运动、集中质量系统、凹型滚动、液体中浮体微振、弦的振动，同样本系统可以简化为单自由度系统。
[0063][0064][0065]
其中
[0066]
其中可以得到位移放大倍数
[0067]
图3为位移放大系数，考虑位移与载荷等比例，弹簧输出力放大效果相同。
[0068]
本发明技术方案核心装置为共振放大装置，另外还包括电磁阀加载装置，控制装置，连接装置共四大组成部分。
[0069]
本发明组成一为电磁阀加载装置，包括加载盘、直流电磁铁、直流电源、和对应的连接件；
[0070]
本发明组成二为共振放大装置包括质量块、弹簧和对应的连接件；
[0071]
本发明组成三为控制装置包括频率设置、幅值设置及调整装置。
[0072]
本发明组成四为加载连接装置，主要为试验件与共振放大装置连接件。
[0073]
本发明核心在于为共振放大装置：能够根据需要调整质量块或弹簧刚度，使整个系统能够根据需要改变动态载荷放大倍数。
[0074]
利用msc.adams建立了惯性式共振式计算模型，如见图4所示，并对载荷放大效果进行了计算：
[0075]
质量块100kg,弹簧刚度10000n/m，系统阻尼比0.5。
[0076]
考虑频率偏差5％，施加f＝100cos(9.5t)
[0077]
由图5和图6可以得出，即使存在一定的频率偏差，动态载荷放大依然达到9倍以上，能够满足目前直升机结构强度疲劳试验大吨位动态载荷加载要求。
[0078]
以上所述，仅为本发明的具体实施例，对本发明进行详细描述，未详尽部分为常规技术。但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种直升机强度试验大吨位动态载荷加载方法，其特征在于，用预压紧弹簧施加轴向预紧力,再通过接触式电磁激励基于惯性共振原理对预压紧弹簧的支撑件进行连续调整，使得预压紧弹簧另一端产生动态放大的载荷，再以该载荷作为疲劳试验的载荷进行加载。2.根据权利要求1所述的一种直升机强度试验大吨位动态载荷加载方法，其特征在于，利用时变的安培力模拟产生定频动态载荷，实验需要提供时变的安培力来模拟模型承受的时变气动力：f＝bil
ꢀꢀꢀꢀ
(1)其中：f为施加的安培力；b为磁场的磁感应强度；i为输人的电流强度；l为通电电流导体有效长度；通过改变通电导线中的电流强度从而形成稳定时变的安培力。3.根据权利要求1所述的一种直升机强度试验大吨位动态载荷加载方法，其特征在于，产生动态放大载荷的方法具体为：u
″
(t)+2εω
n
u
′
(t)+ω
2n
u(t)＝ω
2n
β
d
sinωt
ꢀꢀꢀꢀ
(3)通过惯性共振加载装置后实际的激励力：通过惯性共振加载装置后实际的激励力：通过惯性共振加载装置后实际的激励力：可以得到位移放大倍数其中，考弹簧输出力放大效果相同，m为质量，c为阻尼，k为刚度，u为位移，ω
n
为系统固有频率，ω为激励频率，β
d
为放大倍数，f0为激励力的大小，ε为阻尼比。4.一种直升机强度试验大吨位动态载荷加载装置，使用如权利要求1-3中任意所述的一种直升机强度试验大吨位动态载荷加载方法，其特征在于，包括电磁加载装置(1)、共振放大装置(2)和加载连接装置(3)；其中，电磁加载装置(1)产生一定频率的电磁力冲击对共振放大装置(2)进行共振激励，共振放大装置(2)的振动经过自身的弹簧放大后传递给加载连接装置(3)，加载连接装置(3)连接并对试验件进行力加载。5.根据权利要求4所述的一种直升机强度试验大吨位动态载荷加载装置，其特征在于，电磁加载装置(1)为螺旋线圈结构，通过调整螺旋线圈结构中通电导线的电流强度来产生电磁激励脉冲，所调整的脉冲频率与共振放大装置(2)相近或相同，激励共振放大装置(2)产生由时变安培力模拟产生的定频动态载荷。6.根据权利要求3所述的一种直升机强度试验大吨位动态载荷加载装置，其特征在于，共振放大装置(2)包括质量块、弹簧和底板，质量块上绕有通电导线形成螺旋线圈结构，质量块通过至少一个弹簧连接底板,底板另一端连接加载连接装置(3)。7.根据权利要求6所述的一种直升机强度试验大吨位动态载荷加载装置，其特征在于，根据需求调整质量块上通电导线的通电强度来改变整个系统动态载荷的响应速度。
8.根据权利要求6所述的一种直升机强度试验大吨位动态载荷加载装置，其特征在于，根据需求调整质量块或弹簧的刚度，使整个系统能够根据需要结合动态放大载荷方法来改变动态载荷放大倍数。

技术总结
本发明属于航空地面试验技术领域，公开了一种直升机强度试验大吨位动态载荷加载方法及装置，方法是用预压紧弹簧施加轴向预紧力,再通过接触式电磁激励基于惯性共振原理对预压紧弹簧的支撑件进行连续调整，使得预压紧弹簧另一端产生动态放大的载荷，再以该载荷作为疲劳试验的载荷进行加载。本发明针对直升机结构强度疲劳试验大吨位动态载荷加载需求，在电磁阀加载方式基础上增加惯性共振装置和控制装置，基于惯性共振放大原理对电磁阀加载力定频放大，能够高效实现大吨位动态载荷稳定加载，提升直升机结构强度疲劳试验效率，满足加载精度要求。载精度要求。载精度要求。


技术研发人员：虞汉文 李大海 刘文琦 包名 杨丛青 孙云伟
受保护的技术使用者：中国直升机设计研究所
技术研发日：2023.03.15
技术公布日：2023/7/20