具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开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公开一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1为HB-5277金属材料振动疲劳试验原理图。图1采用的控制方式为单点振幅控制，通过标定金属材料叶片叶尖振幅和叶片最大应力的线性比例关系，用固定叶尖振幅来达到固定应力水平激励叶片直至叶片提前失效或者越出。

发明人通过对某型发动机OGV复合材料叶片进行疲劳试验，发现复合材料叶片在高周疲劳试验过程中随着疲劳循环次数增加，出现叶尖振幅和监测点应变呈现非线性比例关系的情况，初始标定的振幅已经不能再继续作为振动控制输入，因此HB-5277《发动机叶平及材料振动疲劳试验方法》中通过监测叶片的叶尖振幅来进行疲劳试验控制的情况不再适用于复合材料叶片的疲劳试验。本公开需要研究出一个适用于精确控制复合材料叶片的振动疲劳试验方法。

本公开提出通过应变闭环控制方法来取代HB5277里的叶尖振幅控制方法，应变闭环控制面临很多困难：一是应力集中区域最大应变难以精确测量，且该处应变大，应变片的寿命短，无法用于长时间的疲劳试验控制；二是应变片不如加速度传感器、激光位移传感器等性能稳定，容易损坏，产生应变数据突变的情况，进而导致试验误控制；三是铺层复合材料叶片容易出现分层但仍然不失效的现象，分层处表面应变会出现逐渐减小的情况；四是应变片通电后，即使试件不受外力，应变也会随着时间的增加逐渐增大的零漂现象。五是在进行复合材料叶片疲劳试验时，发现应变信号包含多个激振频率的高阶谐波分量，导致测量应变比实际应变值高出很多，不管是零漂还是高阶谐波分量都会造成应变信号失真。

鉴于以上技术问题中的至少一项，本公开提供了一种叶片振动疲劳试验方法和系统、控制装置和存储介质，下面通过本公开上述实施例对本公开进行说明。

图2为本公开叶片振动疲劳试验系统一些实施例的示意图。如图2所示，本公开叶片振动疲劳试验系统可以包括试验夹具11、振动台12、功率放大器13、信号发生器14、应变调理前端15、数据采集器16和控制装置17，其中：

在本公开的一些实施例中，振动疲劳试验可以是用于获取试件的疲劳极限、疲劳寿命等振动参数的试验。

目前振动台12配套使用的数据采集器16都不具备直接采集应变的功能，故需要一个信号调理前端15将微弱的应变信号放大成供数据采集器读取的电压信号。

在本公开的一些实施例中，如图2所示，所述应变调理前端15可以包括电桥151、应变放大器152和带通滤波器153，其中：

在本公开的一些实施例中，电桥151可以是一种测量电桥，测量电桥可以采用惠斯通电桥，按需求选择不同的桥路连接(1/4桥、半桥或全桥)。电桥151将应变片的形变转换为电信号，由于应变片的形变很小所产生的电信号很微弱，需要通过应变放大器152将微弱的电信号进行放大。应变放大器152的增益输出电压应满足数据采集器的工作电压(5V～10V)。应变放大器152应具有独立的多路放大电路可以同时测量多个通道应变数据。

在本公开的一些实施例中，带通滤波器153可以为模拟带通滤波器。模拟带通滤波器的作用是为了滤除应变片的零漂低频信号、激振频率的高阶谐波信号、以及电路中的高频噪声干扰，保证应变测量的准确度。

在本公开的一些实施例中，滤波方式建议选择3阶以上的巴特沃斯滤波器，滤波频率上下限以激振频率为基准，上限至少要能滤除激振频率的二阶谐波分量，下限要能滤除零漂低频信号，同时外接显示终端观测应变的频谱曲线来调节滤波带宽消除干扰信号。

如图2所示，待测叶片18可以为复合材料叶片。

如图2所示，本公开在复合材料叶片低应力梯度区域布置多个应变片19，利用有限元谐响应计算得到叶片低应力梯度点与最大应力点的比例关系，将复合材料叶片18通过夹具11刚性固定在振动台12上。

应变放大器152，用于将微弱的多路应变信号放大成数据采集器16可以接收的多路电压信号，采用“多点最小标准差控制方法”，实时筛选最优应变数据作为控制反馈信号，与上一轮控制信号进行比较生成本轮控制信号Ci，控制信号经过信号发生器14和功率放大器13后输入到振动台12，从而实现应变闭环控制。

在本公开的一些实施例中，闭环控制指的是作为被控的输出以一定方式返回到作为控制的输入端，并对输入端施加控制影响的一种控制关系。

基于本公开上述实施例提供的叶片振动疲劳试验系统，针对复合材料叶片疲劳试验中振幅应变关系会随着试验周期的增加呈现的非线性的问题，提出通过应变闭环控制方法来取代HB5277里的叶尖振幅控制方法，并建立了应变闭环控制的振动疲劳试验系统，本公开上述实施例从硬件上实现直接将应变信号用于振动控制，同时消除了应变片的零漂和激振频率的高阶谐波干扰信号。

下面结合本公开叶片振动疲劳试验方法和控制装置的实施例，对图2实施例中本公开叶片振动疲劳试验系统中各组成模块的结构和功能进行说明。

图3为本公开叶片振动疲劳试验方法一些实施例的示意图。优选的，本实施例可由本公开叶片振动疲劳试验系统或本公开控制装置执行。该方法可以包括以下步骤31和步骤32，其中：

步骤31，对安装状态下的发动机叶片进行振动谐响应数值分析，确定低应力梯度区域。

在本公开的一些实施例中，步骤31可以包括：对安装状态下的复合材料叶片进行振动谐响应数值分析，得到叶片的应力分布云图，选定低应力梯度区域，见图4，根据“低梯度点应变等效换算”得到最大应力点与低梯度点的比例关系。

图4为本公开一些实施例中某复合材料叶片一阶应力分布云图的示意。如图4所示，最大应变点在位于前缘叶根处位置(位置1)，此处应力梯度大，如果在此处布置应变片，其测试出来的应力实际为一个平均应力值。为避免以上情况发生，选择在梯度小的次大区域位置2布置应变片，同时区域2的应变值控制在2000με以下，以保证应变片在高周疲劳载荷环境下的使用寿命(＞3×10⁷循环数)。通过有限元数值仿真计算得出位置1与位置2的应变比例系数k和试验实测位置2的应变ε，换算出位置1处的实际最大应力值ε′，见公式(1)。

ε′＝kε (1)

步骤32，在发动机叶片低应力梯度区域布置应变片，将应变片的应变信号用于振动控制，实现应变闭环控制。

在本公开的一些实施例中，步骤32可以包括：步骤321和步骤322，其中：

步骤321，在发动机叶片低应力梯度区域布置多个应变片，采集多路应变信号。

步骤322，采用多点最小标准差控制方式，实时筛选最优应变数据作为控制反馈信号。

图5为本公开一些实施例中多点最小标准差控制方法的原理图。如图5所示，本公开多点最小标准差控制方法(例如步骤322)可以包括：

步骤51，对于每一个应变片，确定预定时间段内多次采集的应变信号的平均应变值和标准差。

在本公开的一些实施例中，步骤51可以包括：在应变梯度小的区域(如图4中区域2)布置若干个应变片，从中选择M个应变片作为监测点；监测点的应变值应基本一致或相对偏差很小，监测点应变测量值记为ε_i，实时计算前Δt时间内各应变信号的平均应变(见公式(2)、(3))和标准差σ_i(见公式(4))。

公式(2)中，N为第i应变通道在预定时间段Δt内采集的点数；为第i个应变通道在Δt时间内的平均应变；ε_ij为第i应变通道在j时间内的实时应变。

N＝f_s×Δt (3)

公式(3)中，f_s为采样频率。

步骤52，判断多个应变片中是否存在坏点。在多个应变片中存在坏点的情况下，执行步骤53；否则，在多个应变片中不存在坏点的情况下，执行步骤54。

在本公开的一些实施例中，所述步骤52可以包括：确定当前时刻每个应变片的应变信号值和所有应变点的应变信号均值；对于每个应变片，判断应变信号值与应变信号均值的差值绝对值是否大于预定阈值；在一个应变片的应变信号值与应变信号均值的差值绝对值大于预定阈值的情况下，判定该应变片为坏点；在每个应变片应变信号值与应变信号均值的差值绝对值均不大于预定阈值的情况下，判定多个应变片中不存在坏点。

在本公开的一些实施例中，所述步骤52可以包括：在生成下一时刻的控制信号前，需要对可能出现的应变坏点(接触不良、连接线断开、粘贴不牢等)进行剔除，剔除后应变通道不再进入到后续应变控制信号筛选范围。坏点判断原则可以为PauTa准则，见公式(5)。

由于叶片低梯度区域的应变变化程度很小，可以近似认为各路应变处于相同应力水平，监测应变会受控制、干扰等因素影响有小幅度的变化，属于随机变量。根据PauTa准则，当样本的残余误差服从正态分布，误差大于3σ的样本出现的概率小于0.003，可以认为该样本是数据中的坏点。由此可将超出3σ判据的应变通道x_i剔除，该通道不再作为监测应变。其判断准则如公式(5)所示，：

若满足公式(5)则x_i为坏点，应予剔除。

公式(5)中：为M个通道应变x_i的均值；σ为M个通道应变x_i的标准差。

步骤53，剔除坏点，之后执行步骤51。

步骤54，对于每一个应变片，判断所述应变片的应变信号标准差σ_i是否为最小标准差。在所述应变片的应变信号标准差σ_i为最小标准差的情况下，执行步骤55；否则，在所述应变片的应变信号标准差σ_i不是最小标准差的情况下，执行步骤56。

步骤55，参与控制，即，选择标准差最小的应变片对应的应变数据作为应变控制反馈信号。

步骤56，参与监控。即，对该应变片的应变信号继续进行监控。

本公开上述实施例可以动态选择应变监测点标准差最小的应变数据作为应变控制信号。本公开上述实施例可以通过最小标准差应变控制的方法就能保证每次选择的控制应变始终是应变波动最小的通道，如果当前控制应变性能不稳定或者损坏，本公开上述实施例会实时动态选择最稳定的应变通道做替代，不会影响到系统的整体控制，大大提高了试验控制的稳定性。而如果采用传统方法单点控制应变，应变片一旦发生损坏，振动控制器可能会以错误的应变值作为控制继续进行试验，会极大的影响到试验的准确性。

针对应变片寿命短容易损坏、性能不稳定的特点，以及铺层复合材料容易出现的分层问题，本公开上述实施例提出“多点最小标准差控制方法”、“低梯度点应变等效换算”的方法，通过最小应变标准差控制、低梯度应变监测、剔除坏点三个方面从而可以实现对应变信号长期稳定的控制，极大提高了试验的测试精度和稳定性，本公开上述实施例的应变闭环控制疲劳试验方法更适用于复合材料叶片的疲劳试验。

图6为本公开叶片振动疲劳试验方法另一些实施例的示意图。优选的，本实施例可由本公开叶片振动疲劳试验系统或本公开控制装置执行。该方法可以包括以下步骤61-步骤67，其中：

步骤61，对安装状态下的发动机叶片进行振动谐响应数值分析，确定低应力梯度区域。

在本公开的一些实施例中，步骤61可以包括：对安装状态下的复合材料叶片进行振动谐响应数值分析，得到叶片的应力分布云图，选定低应力梯度区域，如图4所示，根据“低梯度点应变等效换算”得到最大应力点与低梯度点的比例关系。

步骤62，在发动机叶片低应力梯度区域布置应变片。

在本公开的一些实施例中，步骤62可以包括：在选定的叶片低应力梯度区域粘贴多个应变片，如图4所示，将叶片通过夹具刚性固定在振动台12上，将应变片导线连接到应变调理前端15，应变放大器152将微弱的多路应变信号放大成振动控制仪可以接收的电压信号。

步骤63，控制振动台12对叶片进行低量级的正弦扫频试验。

在本公开的一些实施例中，步骤63可以包括：控制装置控制振动台12对叶片进行低量级的正弦扫频试验，台面加速度控制，测量叶片的固有频率，设置带通滤波器153的频带范围，建议为激振固有频率的±20％；同时振动台12施加低量级定频振动试验观测滤波后信号质量。

步骤64，将应变片的应变信号用于振动控制，实现应变闭环控制。

在本公开的一些实施例中，步骤64可以包括：控制装置控制振动台12在复合材料叶片的固有频率进行正弦激励，控制点为叶片的低梯度区域应变，对多路应变信号同时进行监测；采用“多点最小标准差控制方法”，见图5，实时筛选最优应变数据作为控制反馈信号，与上一轮控制信号进行比较生成本轮控制信号Ci，控制装置将控制信号传输给信号发生器，经过功率放大器13后输入到振动台12，实现应变闭环控制；振动台12逐步加载激振力，当叶片的控制点应变达到给定应变值时，进行共振驻留试验，开始循环计数。

步骤65，监测叶片共振频率的变化。

在本公开的一些实施例中，步骤65可以包括：监测叶片共振频率的变化，当叶片结构发生破坏时，其固有频率会降低，控制装置实时调整振动台12的激振频率与叶片的共振频率一致；并通过调整振动台12激励能量使得控制应变保持在给定应变值状态。

步骤66，记录当前的振动循环次数。

在本公开的一些实施例中，步骤66可以包括：当振动台12激振频率下降至设定的复合材料叶片出现裂纹和叶片失效的判据时，控制装置记录当前的振动循环次数，并使振动台12停止工作；当达到给定目标循环数，但共振频率未降至失效判据频率时，则自动停机。

步骤67，确定最大应力点的应变。

在本公开的一些实施例中，步骤67可以包括：通过最大应力点与低梯度点的比例关系，将给定应变值折算出最大应力点的应变，记录疲劳试验结果以及循环次数，重复步骤62-步骤66进行下一件叶片的疲劳试验。

本公开上述实施例提出适用于复合材料叶片的应变闭环控制疲劳试验及方法，可更加精确地开展复合材料叶片振动疲劳测试。

本公开上述实施例可以实现全程应变闭环控制，可做到试验无人值守，提高试验效。

本公开上述实施例提出了“最小标准差控制方法”、“低梯度点应变等效换算”方法，从而极大地提高了试验的测试精度。

本公开上述实施例的应变闭环控制疲劳试验方法具有普适性，同样适用于金属材料叶片。

本公开上述实施例的应变闭环控制疲劳试验方法，可以适用于发动机叶片(例如航空发动机叶片)的振动疲劳试验。

图7为本公开控制装置一些实施例的示意图。如图7所示，本公开控制装置(例如图2实施例的控制装置17)可以包括低应力梯度区域确定模块171和闭环控制模块172，其中：

低应力梯度区域确定模块171，用于对安装状态下的发动机叶片进行振动谐响应数值分析，确定低应力梯度区域。

闭环控制模块172，用于在发动机叶片低应力梯度区域布置应变片，将应变片的应变信号用于振动控制，实现应变闭环控制。

在本公开的一些实施例中，闭环控制模块172可以用于在发动机叶片低应力梯度区域布置多个应变片，采集多路应变信号；采用多点最小标准差控制方式，实时筛选最优应变数据作为控制反馈信号；将控制反馈信号与上一轮控制信号进行比较，生成本轮控制信号，以实现应变闭环控制。

在本公开的一些实施例中，闭环控制模块172在采用多点最小标准差控制方式、实时筛选最优应变数据作为控制反馈信号的情况下，可以用于对于每一个应变片，确定预定时间段内多次采集的应变信号的平均应变值和标准差；判断多个应变片中是否存在坏点；在多个应变片中存在坏点的情况下，剔除坏点，之后执行对于每一个应变片，确定预定时间段内多次采集的应变信号的平均应变值和标准差的操作；在多个应变片中不存在坏点的情况下，选择标准差最小的应变片对应的应变数据作为应变控制反馈信号。

在本公开的一些实施例中，闭环控制模块172在判断多个应变片中是否存在坏点的情况下，可以用于确定每个应变片的应变信号值和所有应变点的应变信号均值；对于每个应变片，判断应变信号值与应变信号均值的差值绝对值是否大于预定阈值；在一个应变片的应变信号值与应变信号均值的差值绝对值大于预定阈值的情况下，判定该应变片为坏点；在每个应变片应变信号值与应变信号均值的差值绝对值均不大于预定阈值的情况下，判定多个应变片中不存在坏点。

在本公开的一些实施例中，本公开控制装置还可以用于控制振动台对叶片进行低量级的正弦扫频试验，台面加速度控制，测量叶片的固有频率，设置带通滤波器的频带范围；控制振动台对叶片施加低量级定频振动试验观测滤波后信号质量。

在本公开的一些实施例中，本公开控制装置还可以用于控制振动台逐步加载激振力，在叶片的控制点应变达到给定应变值的情况下，进行共振驻留试验，开始循环计数。

在本公开的一些实施例中，本公开控制装置还可以用于监测叶片共振频率的变化，在叶片结构发生破坏的情况下，实时调整振动台的激振频率与叶片的共振频率一致，并通过调整振动台激励能量使得控制应变保持在给定应变值状态。

在本公开的一些实施例中，本公开控制装置还可以用于在振动台激振频率下降至设定的叶片出现裂纹和叶片失效的失效判据频率的情况下，记录当前振动循环次数，并控制振动台停止工作；在当前振动循环次数达到给定目标循环数、但共振频率未降至失效判据频率的情况下，控制振动台自动停机。

在本公开的一些实施例中，所述控制装置可以用于执行实现如上述任一实施例(例如图3-图6任一实施例)所述的叶片振动疲劳试验方法的操作。

本公开上述实施例可以动态选择应变监测点标准差最小的应变数据作为应变控制信号。本公开上述实施例可以通过最小标准差应变控制的方法就能保证每次选择的控制应变始终是应变波动最小的通道，如果当前控制应变性能不稳定或者损坏，本公开上述实施例会实时动态选择最稳定的应变通道做替代，不会影响到系统的整体控制，大大提高了试验控制的稳定性。而如果采用传统方法单点控制应变，应变片一旦发生损坏，振动控制器可能会以错误的应变值作为控制继续进行试验，会极大的影响到试验的准确性。

本公开上述实施例可以在复合材料叶片低应力梯度区域布置多个应变片，通过低梯度点应变等效换算、最小应变标准差控制和坏点剔除的方式，实时筛选最优应变数据作为控制反馈信号，从而实现了应变闭环控制。

图8为本公开控制装置另一些实施例的示意图。如图8所示，本公开控制装置(例如图2实施例的控制装置17)可以包括存储器178和处理器179，其中：

存储器178，用于存储指令。

处理器179，用于执行所述指令，使得所述控制装置17执行实现如上述任一实施例(例如图3-图6任一实施例)所述的叶片振动疲劳试验方法的操作。

针对应变片寿命短容易损坏、性能不稳定的特点，以及铺层复合材料容易出现的分层问题，本公开上述实施例提出“多点最小标准差控制方法”、“低梯度点应变等效换算”的方法，通过最小应变标准差控制、低梯度应变监测、剔除坏点三个方面从而可以实现对应变信号长期稳定的控制，极大提高了试验的测试精度和稳定性，本公开上述实施例的应变闭环控制疲劳试验方法更适用于复合材料叶片的疲劳试验。

根据本公开的另一方面，提供一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述指令被处理器执行时实现如上述任一实施例(例如图3-图6任一实施例)所述的叶片振动疲劳试验方法。

本公开上述实施例提出适用于复合材料叶片的应变闭环控制疲劳试验方式，可更加精确地开展复合材料叶片振动疲劳测试。

本公开上述实施例可以实现全程应变闭环控制，可做到试验无人值守，提高试验效。

本公开上述实施例可以利用“最小标准差控制方法”、“低梯度点应变等效换算”方法，从而极大地提高了试验的测试精度。

本公开上述实施例的应变闭环控制疲劳试验方法具有普适性，同样适用于金属材料叶片。

本公开上述实施例可以适用于发动机叶片(例如航空发动机叶片)的振动疲劳试验。

在上面所描述的控制装置可以实现为用于执行本申请所描述功能的通用处理器、可编程逻辑控制器(PLC)、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件或者其任意适当组合。

至此，已经详细描述了本公开。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指示相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

本公开的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本公开限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本公开的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本公开从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。