(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210837409.3 (22)申请日 2022.07.15 (71)申请人 中国航发北京航空材 料研究院 地址 100095 北京市海淀区温泉镇环山村 (72)发明人 李敬轩　肖纳敏　 (74)专利代理 机构 北京知汇林知识产权代理事 务所(普通 合伙) 11794 专利代理师 杨华 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G01N 3/08(2006.01) G01N 3/34(2006.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于有限元模态分析的钛合金振动疲劳试 样的设计方法 (57)摘要 本发明具体是涉及一种基于有限元模态分 析的钛合金振动疲劳试样的设计方法， 包括以下 步骤： 获取振动疲劳试样材料的固有属性数据， 振动疲劳试样材料采用钛合金材料。 选择振动疲 劳试样的在模拟工况下的受力状态和振动阶次 并确定振动疲劳试样的初始尺寸。 基于受力状 态、 振动阶次初始尺寸， 通过有限元软件根据固 有属性数据模拟计算得到振动疲劳试样的固有 频率、 振型和相对应力。 通过振动疲劳试验机对 振动疲劳试样的频率和应力进行测试， 得到真实 频率和真实应力。 通过比较固有频率与真实频 率、 相对应力与真实应力， 确定振动疲劳试样是 否满足需求。 该方法根据公式理论和有限元模态 分析试样的参数， 判定试样是否满足需求， 对不 满足需求的试样进行修 正。 权利要求书1页 说明书6页 附图3页 CN 115169188 A 2022.10.11 CN 115169188 A 1.一种基于有限元模态分析的钛合金振动疲劳试样的设计方法， 其特征在于， 所述方 法包括： 获取振动疲劳试样材 料的固有属性数据， 所述振动疲劳试样材 料采用钛 合金材料； 选择振动疲劳试样的在模拟工况下的受力状态和振动阶次并确定所述振动疲劳试样 的初始尺寸； 基于所述受力状态、 振动阶次初始尺寸， 通过有限元软件根据所述固有属性数据模拟 计算得到所述振动疲劳试样的固有频率、 振型和相对应力； 通过振动 疲劳试验机对所述振动 疲劳试样的频率和应力进行测试， 得到真实频率和真 实应力； 通过比较所述固有频率与所述真实频率、 所述相对应力与所述真实应力， 确定所述振 动疲劳试样是否满足需求。 2.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述确定所述振动疲劳试样是否满足需 求， 包括： 当所述真实频率、 真实应力分别与所述固有频率、 相对应力 接近时， 则所述振动 疲劳试 样满足需求， 否则所述振动疲劳试样不满足需求； 对不满足需求的振动疲劳试样的尺寸进行修 正直到所述振动疲劳试样满足需求。 3.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述固有属性数据包括材料密度、 弹性模 量和泊松比参数。 4.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述根据理论基础确定振动 疲劳试样的在 模拟工况 下的受力状态和振动阶次并确定所述振动疲劳试样的初始 尺寸， 包括： 根据所述振动疲劳试样在模拟工况下各阶次的节线图选择初始的理论阶次和 理论尺 寸； 根据所述理论阶次确定所述振动疲劳试样在模拟工况 下的受力状态和振动阶次； 根据所述理论尺寸确定所述初始 尺寸。 5.根据权利要求4所述的方法， 其特征在于， 所述振动 疲劳试样包括一体化设计的夹持 段、 过渡段和工作段， 所述过渡段设置为 斜面， 由所述夹持段向所述工作段倾 斜。 6.根据权利要求5所述的方法， 其特征在于， 所述理论阶次包括一阶、 二阶、 三阶、 四阶 和五阶， 所述通过有限元软件根据所述固有属性数据模拟计算得到所述振动疲劳试样的固 有频率、 振型和相对应力， 包括； 通过公式 计算所述振动疲劳试样在所述理论阶次上的固有频率； 其中， ω表示所述固有频率， a为所述工作段的边长， D0为所述振动疲劳试样的弯曲刚 度， ρ 为所述振动疲劳试样材 料的密度， h为所述夹持段的厚度。 7.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述确定所述振动疲劳试样是否满足需 求， 还包括： 当所述振动 疲劳试样满足需求 时， 通过打磨和抛光提高所述振动 疲劳试样与 所述模拟 工况下的振动疲劳试样之间粗 糙度的相似度。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115169188 A 2基于有限元模 态分析的钛合金 振动疲劳试样的设计方 法 技术领域 [0001]本发明涉及金属材料弯曲疲劳性能、 耐久性测试的技术领域， 特别是涉及一种基 于有限元模态分析的钛 合金振动疲劳试样的设计方法。 背景技术 [0002]材料的疲劳是一种结构在循环载荷作用下出现失效的现象。 即使材料受到的应力 远低于材料 的静态强度， 也可能会发生这种类型 的结构损伤， 疲劳是造成机械结构失效最 常见的原因。 学术界与工程界对疲劳展开了大量的研究， 进展飞速， 但在研究结构疲劳时， 往往忽略了结构动态特性(如： 固有频率、 结构阻尼等)的影响。 由于现代工业的蓬勃发展， 工程结构所处的振动环境日趋复杂， 仍然采用常规的疲劳破坏理论已难以精确地估算结构 的疲劳寿命， 或者无法解释工程上某些 结构疲劳破坏问题。 [0003]一般的疲劳测 试设备的测 试频率通常在100Hz左右， 控制精度不够高且难以达到 结构自由振动时的固有频率， 以发动机叶盘叶片尖端振动测试为例， 若要模拟真实的试验 环境， 需要以完整的叶盘结构高速旋转来 实现， 不仅试验难度及 对试验设备要求极高， 而且 不能实时监测叶片尖端的位移及应力情况， 同时完整叶盘高额造价也与试验的初衷不符。 然而利用振动疲劳测试试验模拟使得相关试验数据获取成为可能， 国内外针对整体结构已 开展了多种尺度工件的振动疲劳测试 试验研究。 [0004]因此， 一般的疲劳测试设备需要通过完整的叶盘结构来实现， 完整叶盘造价高昂， 成本较高。 另外， 现有的利用振动疲劳测试试验模拟采用多种尺度的工件进行测试试验研 究， 无法根据试验需求对 振动疲劳试验的试验进行修 正。 发明内容 [0005]基于此， 有必要针对上述技术问题， 提供一种成本较低且能根据需求修正试样尺 寸的基于有限元模态分析的钛 合金振动疲劳试样的设计方法。 [0006]一种基于有限元模态分析的钛 合金振动疲劳试样的设计方法， 所述方法包括： [0007]获取振动疲劳试样材料的固有属性数据， 所述振动疲劳试样材料采用钛合金材 料； [0008]选择振动疲劳试样的在模拟工况下的受力状态和振动阶次并确定所述振动疲劳 试样的初始 尺寸； [0009]基于所述受力状态、 振动阶次初始尺寸， 通过有限元软件根据所述固有属性数据 模拟计算得到所述振动疲劳试样的固有频率、 振型和相对应力； [0010]通过振动疲劳试验机对所述振动疲劳试样的频率和应力进行测试， 得到真实频率 和真实应力； [0011]通过比较所述固有频率与所述真实频率、 所述相对应力与所述真实应力， 确定所 述振动疲劳试样是否满足需求。 [0012]进一步的， 所述确定所述振动疲劳试样是否满足需求， 包括：说　明　书 1/6 页 3 CN 115169188 A 3