一种涡轮叶片温度-应力任意相位角加载自动修正算法的制作方法

1.本发明属于航空发动机技术领域，具体涉及一种涡轮叶片温度-应力任意相位角加载自动修正算法。


背景技术：

2.热机械疲劳故障是航空发动机涡轮叶片最主要的失效类型之一，通过对航空发动机涡轮叶片进行热机疲劳试验可以确定其使用寿命，并通过对试验结果进行分析也是改进叶片构型的重要工作。
3.现有航空发动机涡轮叶片热机械疲劳测试技术，大多只能由人为在试验前进行温度-应力相位关系进行手动编辑，且温度与应力之间无法选取任意相位角进行加载，并且由于试验中存在多种因素导致误差的产生，使得在长时间试验中出现误差不断累积的现象，严重影响试验结果的准确性。
4.由于上述问题的存在，导致目前国内在进行相关试验时总是存在结果不能完美反应实际工况，导致试验可靠性较差，需要多方数据辅助验证的问题，造成了人力物力的浪费与开发周期的延误。因此有必要发明一种新型热机械疲劳测试技术来实现任意相位角加载与自动误差修正。
5.中国发明专利cn201810061760披露了一种涡轮叶片热机械疲劳试验系统，可通过电机带动轮盘旋转，感应线圈加热的方式模拟涡轮叶片在真实工作环境下的离心力载荷。该系统存在着无法自我纠正幅值与相位误差的问题，使得试验时所能选取的参数较为固定，且在长时间的试验中容易导致误差积累使得结果出现较大误差。
6.中国发明专利cn201911346031披露了一种应变控制的热机械疲劳性能测试方法，可通过对式样变形速率的控制更加精确的反应在不同相位角下温度与机械载荷共同作用时的疲劳特性。该方法虽可降低式样被提前拉断或压弯的概率，但需要在正式试验前先做热循环周期试验，导致试验整体流程繁琐，且由于存在对应关系，试验灵活性较差。


技术实现要素：

7.为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种涡轮叶片温度-应力任意相位角加载自动修正算法，可实现涡轮叶片温度-应力任意相位角加载并自动修正误差。
8.为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
9.一种涡轮叶片温度-应力任意相位角加载自动修正算法，包括如下步骤：
10.步骤1，通过加速度传感器收集力/位移/变形波形幅值，由控制器将其与预设幅值做比较计算，根据计算出的幅值误差步长与方向(以采集数值大于预设数值为误差正方向，采集数值小于预设数值为误差负方向，下同)情况，给出一个伺服阀修正幅值指令，包含伺服阀所需要修正的波形幅值误差步长与方向；
11.步骤2，通过加速度传感器收集力/位移/变形波形相位，由控制器将其与预设相位做比较计算，根据计算出的相位误差步长与方向情况，给出一个伺服阀拟修正相位指令，包
含伺服阀所需要修正的波形相位的误差步长与方向；
12.步骤3，通过热传感器收集温度波形幅值，由控制器将其与预设幅值做比较计算，根据计算出的幅值误差步长与方向情况，给出一个温控器修正幅值指令，包含温控器所需要修正的波形幅值误差步长与方向；
13.步骤4，通过热传感器收集温度波形相位，由控制器将其与预设相位做比较计算，根据计算出的相位误差步长与方向情况，给出一个温控器拟修正相位指令，包含温控器所需要修正的波形相位的误差步长与方向；
14.步骤5，通过将步骤2与步骤4中所得的伺服阀拟修正相位指令与温控器拟修正相位指令进行合并计算，生成一个拟修正相位指令，并判断误差步长范围与方向，后分别与伺服阀修正幅值指令与温控器修正幅值指令进行合并计算，得到伺服阀修正指令与温控器修正指令，包含伺服阀与温控器所需要修正的幅值步长与方向与相位步长与方向；
15.步骤6，将步骤1中输出的伺服阀修正幅值指令与步骤5中输出的伺服阀修正相位指令进行合并计算，将步骤3中输出的温控器修正幅值指令与步骤5中输出的温度调节器修正相位指令进行合并计算，最终得到伺服阀合成修正指令与温控器合成修正指令，再将这两个指令分别输出至伺服阀与温控器，完成载荷自动修正。
16.进一步地，所述步骤1具体包括：
17.步骤1-1，控制器对加速度传感器收集到的力/位移/变形波形幅值与预设幅值进行比较计算，计算幅值是否在误差范围内，如果满足条件则跳转至步骤1-5，否则计算幅值误差步长与方向后进入步骤1-2；
18.步骤1-2，根据步骤1-1中所计算的结果，判断是否处于最大允许误差步长内，如满足条件则进入步骤1-3，不满足条件则进入步骤1-4；
19.步骤1-3，判断误差方向是否为正，如为正则修正一个最大误差内负方向变步长误差，如为负则修正一个最大误差内正方向变步长误差，进入步骤1-5；
20.步骤1-4，判断误差方向是否为正，如为正则修正一个计算误差负方向变步长误差，如为负则修正一个计算误差正方向变步长误差，进入步骤1-5；
21.步骤1-5，根据先前步骤得出伺服阀修正幅值指令。
22.进一步地，所述步骤2具体包括：
23.步骤2-1，控制器对加速度传感器收集到的力/位移/变形波形相位与预设相位进行比较计算，计算相位是否在误差范围内，如果满足条件则跳转至步骤2-5，否则计算相位误差步长与方向后进入步骤2-2；
24.步骤2-2，根据步骤2-1中所计算的结果，判断是否处于最大允许误差步长内，如满足条件则进入步骤2-3，不满足条件则进入步骤2-4；
25.步骤2-3，判断误差方向是否为正，如为正则修正一个最大误差内负方向变步长误差，如为负则修正一个最大误差内正方向变步长误差，进入步骤2-5；
26.步骤2-4，判断误差方向是否为正，如为正则修正一个计算误差负方向变步长误差，如为负则修正一个计算误差正方向变步长误差，进入步骤2-5；
27.步骤2-5，根据先前步骤得出伺服阀拟修正相位指令。
28.进一步地，所述步骤3具体包括：
29.步骤3-1，控制器对热传感器收集到的温度波形幅值与预设幅值进行比较计算，计
算幅值误差是否在范围内，如果满足条件则跳转至步骤3-5，否则计算幅值误差步长与方向后进入步骤3-2；
30.步骤3-2，根据步骤3-1中所计算的结果，判断是否处于最大允许误差步长内，如满足条件则进入步骤3-3，不满足条件则进入步骤3-4；
31.步骤3-3，判断误差方向是否为正，如为正则修正一个最大误差内负方向变步长误差，如为负则修正一个最大误差内正方向变步长误差，进入步骤3-5；
32.步骤3-4，判断误差方向是否为正，如为正则修正一个计算误差负方向变步长误差，如为负则修正一个计算误差正方向变步长误差，进入步骤3-5；
33.步骤3-5，根据先前步骤得出温控器修正幅值指令。
34.进一步地，所述步骤4具体包括：
35.步骤4-1，控制器对热传感器收集到的温度波形相位与预设相位进行比较计算，计算相位误差是否在范围内，如果满足条件则跳转至步骤4-5，否则计算相位误差步长与方向后进入步骤4-2；
36.步骤4-2，根据步骤4-1中所计算的结果，判断是否处于最大允许误差步长内，如满足条件则进入步骤4-3，不满足条件则进入步骤4-4；
37.步骤4-3，判断误差方向是否为正，如为正则修正一个最大误差内负方向变步长误差，如为负则修正一个最大误差内正方向变步长误差，进入步骤4-5；
38.步骤4-4，判断误差方向是否为正，如为正则修正一个计算误差负方向变步长误差，如为负则修正一个计算误差正方向变步长误差，进入步骤4-5；
39.步骤4-5，根据先前步骤得出温控器拟修正相位指令。
40.进一步地，所述步骤5具体包括：
41.步骤5-1，控制器将伺服阀拟修正相位与温控器拟修正相位进行合并计算，判断其误差是否为正，如为正进入步骤5-2，如为负进入步骤5-3；
42.步骤5-2，输出温控器拟修正相位指令，并判断伺服阀拟修正相位-温控器拟修正相位是否大于最大允许误差，如是则输出伺服阀原有相位指令，如否则输出伺服阀拟修正相位指令，后合并两指令得到伺服阀修正相位指令；
43.步骤5-3，输出伺服阀拟修正相位指令，并判断伺服阀拟修正相位-温控器拟修正相位是否大于最大允许误差，如是则输出温控器原有相位指令，如否则输出温控器拟修正相位指令，后合并两指令得到温度调节器修正相位指令。
44.进一步地，所述步骤1、3中，通过判断力/位移/变形波形幅值与温度波形幅值是否处于幅值误差范围内并计算误差步长和方向，再与最大误差允许步长比较，最终得到修正幅值指令。
45.进一步地，所述步骤2、4中，通过判断力/位移/变形波形相位与温度波形相位是否处于相位误差范围内并计算误差步长和方向，再与最大误差允许步长比较，最终得到拟修正相位指令。
46.进一步地，所述步骤5中所述合成修正相位通过判断其误差正负，并与最大允许误差比较，以结果得到伺服阀修正相位指令与温度调节器修正相位指令。
47.与现有发明相比，本发明的有益效果如下：
48.本发明通过控制器fpga对力/位移/变形以及温度波形幅值相位进行计算，并通过
与预设误差范围和最大误差允许步长进行对比，自动校正幅值与相位，使得涡轮叶片温度-应力任意相位角加载热机械疲劳试验得以开展，并极大降低了试验人员在前期所需要的准备工作。同时，由于对试验过程的实时监控，使得误差被及时修正，不产生误差积累，使得长时间试验结果更加真实可靠。
附图说明
49.图1为本发明的一种涡轮叶片温度-应力任意相位角加载自动修正算法流程图。
50.图2为一种涡轮叶片示意图。
51.图3为实际试验时的夹持状态示意图。
具体实施方式
52.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
53.如图1所示，本发明的一种涡轮叶片温度-应力任意相位角加载自动修正算法，具体实施中如图2所示，通过试验机的夹具分别夹住涡轮叶片的榫槽和叶尖部分，同时高频感应加热炉的加热线圈绕过涡轮叶片的叶身部位。在试验过程中，通过液压系统控制下夹头上下移动来对涡轮叶片施加载荷，通过高频感应加热炉的电压控制来对叶片施加温度载荷，借此模拟涡轮叶片在真实工作环境下所受到的离心应力与热应力载荷，实际试验时状态如图3所示。现在结合一次试验实例进行详细描述，具体步骤如下：
54.步骤1，在试验开始加载时，通过加速度传感器收集力波形幅值为19.46kn，由控制器将其与预设的19.60kn幅值做比较计算，计算发现其相较预设幅值低0.14kn，于是控制器给出一个伺服阀修正幅值指令，包含伺服阀所需要修正的波形幅值误差0.14kn及正增长方向。具体包括：
55.步骤1-1，控制器对加速度传感器收集到的力波形幅值与预设幅值进行比较计算，计算得到幅值误差为0.14kn，远大于允许误差0.01kn；
56.步骤1-2，根据步骤1-1中所计算的结果，控制器判断其处于设定的最大误差允许步长0.2kn内；
57.步骤1-3，控制器判断误差方向为负方向，即小于实际给定的数值，于是修正一个最大误差内正方向变步长误差0.14kn；
58.步骤1-4，根据先前步骤得出伺服阀修正幅值指令为一个正方向的0.14kn修正指令。
59.步骤2，控制器将加速度传感器收集到的力波形相位与输入的波形相位进行比较，计算得到相位差为滞后2
°
，属于允许误差范围内，所以输出一个空的伺服阀拟修正相位指令。具体包括：
60.步骤2-1，控制器对加速度传感器收集到的力波形相位进行计算，得到相位误差为2
°
，低于最大允许误差5
°
；
61.步骤2-2，由于满足误差要求，所以控制器输出一个空的伺服阀拟修正相位指令。
62.步骤3，热传感器收集到的温度波形幅值为783℃，输入的指令为幅值为800℃的交变热载荷，通过控制器计算，得出温度差为17℃，于是控制器给出一个温控器修正幅值指令，包含所需要修正的波形幅值误差17℃及正增长方向。具体包括：
63.步骤3-1，控制器对热传感器收集到的温度波形幅值与输入的指令进行比较计算，得到误差为17℃，大于允许误差5℃；
64.步骤3-2，根据步骤3-1中所计算的结果，控制器判断其误差不处于最大误差允许步长10℃内；
65.步骤3-3，根据步骤3-2的判断结果，控制器先后输出10℃正方向的修正指令与7℃的正方向修正指令；
66.步骤3-4，根据先前步骤得到了一个包含有10℃正方向和7℃正方向两条指令的温控器修正幅值指令。
67.步骤4，控制器将热传感器收集到的温度波形相位与输入的波形相位进行比较，计算得到相位差为提前7
°
，于是控制器给出一个温控器拟修正相位指令，包含所需要修正的波形相位误差7
°
及负滞后方向。具体包括：
68.步骤4-1，控制器对热传感器收集到的温度波形相位与输入的指令进行比较计算，得到误差为7
°
，大于允许误差5
°
；
69.步骤4-2，根据步骤4-1所得结果，控制器判断其误差处于最大误差允许步长20
°
内；
70.步骤4-3，控制器判断误差方向为正方向，即提前于实际给定的相位角，于是修正一个最大误差内负方向相位误差7
°
；
71.步骤4-4，根据先前步骤得出温控器拟修正相位指令为一个大小为7
°
，方向为负方向即滞后方向的指令。
72.步骤5，通过将步骤2与步骤4中所得的伺服阀拟修正相位指令与温控器拟修正相位指令进行结合计算为温控器相位角领先7
°
，误差方向为负即伺服阀较温控器有着一个滞后的相位角误差。得到伺服阀修正相位指令(空指令)与温控器修正相位指令(正方向7
°
)合成得到伺服阀修正相位指令与温控器修正相位指令，具体包括：
73.步骤5-1，控制器将伺服阀拟修正相位与温控器拟修正相位结合，判断其结合误差为伺服阀滞后方向即负方向的7
°
误差；
74.步骤5-2，控制器输出伺服阀拟修正相位指令(空指令)作为伺服阀修正相位指令，同时判断伺服阀拟修正相位-温控器拟修正相位小于最大允许误差20
°
，输出温控器拟修正相位指令7
°
，并作为调节器修正相位指令进行输出。
75.步骤6，控制器将步骤1中输出的伺服阀修正幅值指令与步骤5中输出的伺服阀修正相位指令合成得到一个包含有正方向0.14kn与0
°
的伺服阀修正合成指令，并输出至伺服阀完成修正。将步骤3中输出的温控器修正幅值指令与步骤5中输出的温度调节器修正相位指令合成得到一个包含有正方向17℃与负方向7
°
的温控器修正合成指令，并输出至温控器完成修正。
76.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。