本发明属于材料或结构疲劳试验，具体涉及一种基于共振的热机疲劳与振动疲劳耦合加载试验装置及方法。
背景技术：
1、随着现代航空工业的不断发展，对航空器性能的要求也越来越高。航空器发动机的叶片作为发动机的关键限寿部件，在面对越来越高的性能要求时，它要承受更高的温度载荷和更大的离心载荷，工作温度甚至高达2000k，单个叶片的离心载荷可高达数吨。与此同时，由于气流激振产生的高频振动载荷也同时作用在发动机叶片上，在热机械载荷和高频振动载荷的共同作用下，会加速材料或结构的疲劳行为，疲劳裂纹的萌生速度和扩展速度都会急剧增加，所以研究发动机叶片材料或结构的热机疲劳与振动疲劳耦合行为是提高发动机叶片寿命的必要工作，也是发动机叶片的设计工作和后续维修维护工作的一项巨大挑战。
2、面对更苛刻的工作环境以及更优越的性能设计需求，提高发动机叶片的抗疲劳能力，预防发动机叶片的高循环疲劳破坏将成为叶片设计的首要任务。为了后续叶片或材料寿命模型的建立以及通过试验验证设计叶片结构或材料的可行性，需要通过大量的疲劳模拟试验和试验数据做支撑，因此设计一种基于共振的热机疲劳与振动疲劳耦合加载试验装置及方法，以提供准确可靠的疲劳试验数据是叶片设计以及可行性验证的重要工作。
3、根据文献调研可知，现有技术关于发动机叶片的热机疲劳试验和振动疲劳试验大多都是分开独立进行的，然而独立的试验无法实现高温热机械疲劳和高频率振动疲劳的耦合加载。目前，能够进行热机械和高频振动耦合加载的试验设备都是基于受迫振动的，而受迫振动难以实现较高频率的振动载荷加载，并且普适性较低。
4、授权公告号为cn215865760u的实用新型专利公开了一种叶片疲劳试验装置，包括：支撑架，与叶片的根部连接，其上具有两条相对的导向槽；振动载荷加载架，与叶片的尖部连接，其上具有两个相对的导向凸出，每个导向凸出对应插入一个导向槽，能够在对应的导向槽中滚动；离心载荷加载架，其上具有两个相对的连接孔，每个连接孔对应套接在一个导向凸出上，其间能够相对转动；电磁感应加热器，其电磁感应线圈环绕叶片。
5、申请公布号为cn107421984a的发明专利公开了一种空心涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验系统及方法，该试验系统包括高、低周载荷加载子系统、温度载荷加载子系统、冷却子系统、载荷协调控制子系统；高、低周载荷加载子系统对被专用夹具稳定加持的涡轮叶片独立施加高、低周载荷；温度载荷加载子系统对涡轮叶片考核截面进行加热；冷却子系统包括水冷部分和气冷部分，水冷部分用于实验过程中冷却，气冷部分用于协助实现试验中的温度循环及叶片内部冷却情况的模拟；载荷协调控制子系统用于控制各个系统协调工作。
6、上述两项专利技术的试验装置虽然能够同时进行热机载荷加载和振动载荷加载，但振动载荷的加载方式是通过振动试验夹具的一端使叶片试样进行受迫振动，而受迫振动不同于共振，受迫振动施加的力很大，但达到的频率却很低，施力元件与试样不同频，很难实现精准的振幅控制，同时能量损耗较高。
7、综上所述，目前对于发动机叶片或模拟件的疲劳试验，能够完成热机械疲劳和高频振动疲劳耦合加载的试验设备很少，而且都是基于受迫振动的方式进行振动加载，而受迫振动加载很难施加高频率的振动载荷，这将无法实现适用性较强且振动频率较高的热机疲劳与振动疲劳耦合加载试验。
技术实现思路
1、为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于共振的热机疲劳与振动疲劳耦合加载试验装置，包括试验装置台、热机疲劳加载装置、振动疲劳加载装置、试验件夹具、振动与拉伸解耦机构，所述热机疲劳加载装置和所述振动疲劳加载装置分别位于所述试验装置台的上方和下方，所述试验件夹具的两侧和底部通过所述振动与拉伸解耦机构分别与所述热机疲劳加载装置和所述振动疲劳加载装置滑动连接。
2、优选的是，所述试验装置台设置在水平地面上，所述试验装置台的台面上水平设置若干条平行的t形槽，所述试验装置台的台面中心部位开设圆形装配孔。
3、在上述任一方案中优选的是，所述热机疲劳加载装置包括固定支座、施力固定支座、活动支架、圆柱形滑轨、c形传力臂、力传感器、液压作动器、电磁加热线圈、直线轴承、滑轨支撑座。
4、所述固定支座和所述施力固定支座垂直固定在所述试验装置台的台面上，且二者之间水平设置两根所述圆柱形滑轨，所述圆柱形滑轨的两端通过所述滑轨支撑座分别与所述固定支座和所述施力固定支座固定连接。
5、所述活动支架设置在所述固定支座与所述施力固定支座之间，且靠近所述施力固定支座一侧，所述活动支架的两端分别通过所述直线轴承与其相应一侧的所述圆柱形滑轨滑动连接。
6、所述活动支架与所述施力固定支座相对的一侧设置所述力传感器，所述液压作动器穿过所述施力固定支座上的通孔与所述力传感器固定连接。
7、在上述任一方案中优选的是，所述固定支座和所述活动支架相互对应的一侧分别设置一个所述c形传力臂，两个所述c形传力臂分别位于所述圆形装配孔的两侧，且c形开口端相互对应；两个所述c形传力臂之间的区域设置所述电磁加热线圈。
8、在上述任一方案中优选的是，所述振动疲劳加载装置包括振动台体、振动连接器、功率放大器、冷却风机；所述振动台体位于所述圆形装配孔的下方，且与所述试验装置台的台面固定连接；所述振动台体的台面上垂直设置所述振动连接器，所述振动连接器的上部垂直穿过所述圆形装配孔，所述振动连接器的两侧和底部的筋板通过螺栓与所述振动台体固定连接；所述功率放大器和所述冷却风机均与所述振动台体连接。
9、在上述任一方案中优选的是，所述试验件夹具包括梯形夹具座、圆台形卡块、拧紧螺栓、试验件；所述梯形夹具座由侧板、梯形板和底板构成，所述侧板上设置螺栓孔，所述梯形板上设置圆台形通孔；所述拧紧螺栓安装在所述侧板的螺栓孔内，所述圆台形卡块安装在所述梯形板的圆台形通孔内；所述圆台形卡块的中心部位设置螺纹孔，所述试验件的夹持端安装在所述圆台形卡块的螺纹孔内。
10、在上述任一方案中优选的是，所述试验件穿过所述电磁加热线圈，使所述电磁加热线圈围绕在所述试验件的外侧。
11、在上述任一方案中优选的是，所述振动与拉伸解耦机构包括一个横向拉伸导轨、两个横向拉伸滑块、四个竖向振动导轨、四个竖向振动滑块。
12、所述横向拉伸导轨通过螺栓固定在所述振动连接器上，两个所述横向拉伸滑块分别设置在所述横向拉伸导轨的两端，且在所述横向拉伸导轨上水平滑动。
13、四个所述竖向振动导轨通过螺栓分别固定在所述c形传力臂的开口端，四个所述竖向振动滑块分别设置在四个所述竖向振动导轨上，且在所述竖向振动导轨上垂直滑动。
14、在上述任一方案中优选的是，两个所述横向拉伸滑块通过螺栓分别与两个所述梯形夹具座的底板固定连接；四个所述竖向振动滑块通过螺栓分别与两个所述梯形夹具座的侧板固定连接，每个所述侧板的两端分别连接一个所述竖向振动滑块。
15、本发明还提供一种基于共振的热机疲劳与振动疲劳耦合加载试验方法，使用上述任一项所述的基于共振的热机疲劳与振动疲劳耦合加载试验装置，按照先后顺序包括以下步骤：
16、步骤一：将试验装置台水平放置在平整的地面上，同时按照设计要求将热机疲劳加载装置、振动疲劳加载装置、试验件夹具、振动与拉伸解耦机构组装在试验装置台上，形成耦合加载试验装置；调试耦合加载试验装置，确保其在耦合加载试验过程中能够正常使用；
17、步骤二：在试验件夹具上安装试验件，首先将梯形夹具座两个侧板上的拧紧螺栓松卸下来；其次将试验件穿过电磁加热线圈，使电磁加热线圈围绕在试验件上需要施加温度载荷的部位；然后将试验件两个夹持端分别安装在圆台形卡块的螺纹孔内；最后将拧紧螺栓安装在梯形夹具座两个侧板上的螺栓孔内，并调节拧紧螺栓，使其与梯形夹具座和圆台形卡块配合，通过挤压力将试验件夹紧并固定在试验件夹具上；
18、步骤三：将冷却风机与振动台体的冷却通道连接，将功率放大器与振动台体的控制电路连接，将电磁加热线圈与温度控制器连接，将热电偶和应变片固定在试验件上需要测试温度载荷和机械载荷的部位，接通电源；
19、步骤四：按照设计要求在控制系统中输入所需要的指标，包括加热温度、机械载荷、振动加载的频率、振动加载的出力大小、振动循环次数；加热温度和机械载荷分别按照各自的设计图谱进行加载，振动加载的频率和振动加载的出力大小分别按照模拟试验的最佳结果进行加载；
20、步骤五：启动控制系统，进入基于共振的热机疲劳与振动疲劳耦合加载试验过程，直至完成振动循环次数或试验件断裂；在整个加载试验过程中，横向拉伸导轨和横向拉伸滑块提供水平的横向自由度并传递由振动台体施加的振动载荷，竖向振动导轨和竖向振动滑块提供垂直的竖向自由度并传递由液压作动器施加的水平横向拉力，二者配合实现振动载荷和水平离心力的解耦。
21、本发明中，所使用的冷却风机、功率放大器、温度控制器、控制系统、热电偶、应变片等均为传统技术，对设备型号不做特殊要求。试验装置台由铸铁材料制成，台面上的t形槽用于固定各个组件以及其他试验装置，台面中间部位设置圆形装配孔，振动台体从该圆形装配孔中实现振动载荷的施加。
22、热机疲劳加载装置通过液压作动器和电磁加热线圈模拟离心力和热机环境。施力固定支座的中间开设通孔，用于固定液压作动器并传递拉伸力来模拟离心力；固定支座上开设t形槽，用于固定一个c形传力臂，另一个c形传力臂固定在活动支架上，c形传力臂开口的两侧分别连接竖向振动导轨和竖向振动滑块，进而与试验件夹具座相连，传递拉伸力来模拟离心力；活动支架通过直线轴承在圆柱形滑轨上移动，以适应不同试验件的加持长度。
23、圆柱形滑轨通过滑轨支撑座固定在两侧的固定支座上，若两根圆柱形滑轨无法满足试验要求，可进一步增加圆柱形滑轨的数量以加强结构的刚度。活动支架与力传感器相连，力传感器又与液压作动器相连，由液压作动器传递的力通过力传感器读出，以调整离心力的大小。
24、振动台体作为振动加载的施力元件，其台面与振动连接器通过螺栓连接，振动连接器通过横向拉伸导轨和横向拉伸滑块与试验件夹具固定连接，以确保离心力的加载方向与横向拉伸导轨平行。冷却风机作为振动台体的冷却装置，其与振动台体的底部连接；功率放大器作为振动载荷施加的控制装置，其控制垂直振动载荷的施加大小。
25、圆台形卡块安装在梯形夹具座中间开设的圆台形通孔内，再与拧紧螺栓和梯形夹具座共同配合，利用挤压力夹紧并固定试验件。
26、振动与拉伸解耦机构通过横向拉伸导轨、横向拉伸滑块、竖向振动导轨、竖向振动滑块实现振动载荷和水平离心力的解耦，以确保试验的准确性和可控性。
27、在试验过程中，温度控制器可放置在试验装置台上或地面上，通过热电偶反馈信号控制电磁加热线圈对试验件施加温度载荷；通过振动频率和振幅的监测信号调整振动台体的振动载荷，以控制疲劳试验的频率和振幅。
28、本发明中，通过改变试验件的长度或形状，可以创造不同的振型以及模拟不同的试验件，便于研究发动机叶片、发动机旋转件等结构或材料的疲劳性质；通过施加不同的振动载荷谱、离心力峰值谱和施加时间，可以研究不同环境下结构或材料的疲劳性质。还可以在试验件上添加其他监视仪器，比如在试验件上粘结电子应变片以监控试验中试验件的应变，同时在试验件上添加激光测振系统，以监测试验中试验件的振动频率和振幅，通过这些信号来控制振动台体的振动载荷，以达到控制疲劳试验频率和振幅的目的。
29、本发明为了实现基于共振的热机疲劳与振动疲劳耦合加载的目的，必须设计专门的振动与拉伸解耦机构，使两个施力元件互不干扰，即对试验件进行水平加载时，水平加载行为不能对垂直加载的施力元件(振动台体)产生影响，对试验件进行垂直加载时，垂直加载行为也不能对水平加载的施力元件(液压作动器)产生影响。
30、本发明基于共振的热机疲劳与振动疲劳耦合加载试验装置及方法，具有如下有益效果：
31、(1)利用本发明设计的试验装置，能够实现高温热机械疲劳与高频率振动疲劳耦合加载试验，在试验过程中，能够模拟试验件(旋转叶片)的真实工作环境，研究试验件在二者耦合作用下的疲劳性能。
32、(2)通过垂直方向振动与水平方向拉伸解耦机构(也即利用横向拉伸导轨与横向拉伸滑块、竖向振动导轨与竖向振动滑块)，实现了热机械载荷与振动载荷的定量耦合，既实现了共振激励又确保了试验载荷的准确性和可控性，在减轻试验件夹具重量的同时也减少了装配难度。
33、(3)本发明设计的试验装置及试验方法是基于共振的热机疲劳与振动疲劳耦合加载，共振方式不同于受迫振动，共振方式能够用较小的出力实现较高的频率，所以本发明易于实现高频率振动疲劳加载。
34、(4)本发明具有较高的普适性，可以通过更换不同的试验件对叶片的不同结构进行模拟试验，同时在试验装置台的台面上预留了较大空间，用于安装更多的监测设备，具有良好的可扩展性，可广泛用于工程材料的热机疲劳与振动疲劳耦合加载试验及疲劳性能评估。
1.一种基于共振的热机疲劳与振动疲劳耦合加载试验装置，其特征在于：包括试验装置台、热机疲劳加载装置、振动疲劳加载装置、试验件夹具、振动与拉伸解耦机构，所述热机疲劳加载装置和所述振动疲劳加载装置分别位于所述试验装置台的上方和下方，所述试验件夹具的两侧和底部通过所述振动与拉伸解耦机构分别与所述热机疲劳加载装置和所述振动疲劳加载装置滑动连接。
2.根据权利要求1所述的基于共振的热机疲劳与振动疲劳耦合加载试验装置，其特征在于：所述试验装置台设置在水平地面上，所述试验装置台的台面上水平设置若干条平行的t形槽，所述试验装置台的台面中心部位开设圆形装配孔。
3.根据权利要求2所述的基于共振的热机疲劳与振动疲劳耦合加载试验装置，其特征在于：所述热机疲劳加载装置包括固定支座、施力固定支座、活动支架、圆柱形滑轨、c形传力臂、力传感器、液压作动器、电磁加热线圈、直线轴承、滑轨支撑座；
4.根据权利要求3所述的基于共振的热机疲劳与振动疲劳耦合加载试验装置，其特征在于：所述固定支座和所述活动支架相互对应的一侧分别设置一个所述c形传力臂，两个所述c形传力臂分别位于所述圆形装配孔的两侧，且c形开口端相互对应；两个所述c形传力臂之间的区域设置所述电磁加热线圈。
5.根据权利要求4所述的基于共振的热机疲劳与振动疲劳耦合加载试验装置，其特征在于：所述振动疲劳加载装置包括振动台体、振动连接器、功率放大器、冷却风机；所述振动台体位于所述圆形装配孔的下方，且与所述试验装置台的台面固定连接；所述振动台体的台面上垂直设置所述振动连接器，所述振动连接器的上部垂直穿过所述圆形装配孔，所述振动连接器的两侧和底部的筋板通过螺栓与所述振动台体固定连接；所述功率放大器和所述冷却风机均与所述振动台体连接。
6.根据权利要求5所述的基于共振的热机疲劳与振动疲劳耦合加载试验装置，其特征在于：所述试验件夹具包括梯形夹具座、圆台形卡块、拧紧螺栓、试验件；所述梯形夹具座由侧板、梯形板和底板构成，所述侧板上设置螺栓孔，所述梯形板上设置圆台形通孔；所述拧紧螺栓安装在所述侧板的螺栓孔内，所述圆台形卡块安装在所述梯形板的圆台形通孔内；所述圆台形卡块的中心部位设置螺纹孔，所述试验件的夹持端安装在所述圆台形卡块的螺纹孔内。
7.根据权利要求6所述的基于共振的热机疲劳与振动疲劳耦合加载试验装置，其特征在于：所述试验件穿过所述电磁加热线圈，使所述电磁加热线圈围绕在所述试验件的外侧。
8.根据权利要求7所述的基于共振的热机疲劳与振动疲劳耦合加载试验装置，其特征在于：所述振动与拉伸解耦机构包括一个横向拉伸导轨、两个横向拉伸滑块、四个竖向振动导轨、四个竖向振动滑块；
9.根据权利要求8所述的基于共振的热机疲劳与振动疲劳耦合加载试验装置，其特征在于：两个所述横向拉伸滑块通过螺栓分别与两个所述梯形夹具座的底板固定连接；四个所述竖向振动滑块通过螺栓分别与两个所述梯形夹具座的侧板固定连接，每个所述侧板的两端分别连接一个所述竖向振动滑块。
10.一种基于共振的热机疲劳与振动疲劳耦合加载试验方法，其特征在于：使用权利要求1-9中任一项所述的基于共振的热机疲劳与振动疲劳耦合加载试验装置，按照先后顺序包括以下步骤，
