CN103076247A - 材料弯曲疲劳试验系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了材料弯曲疲劳试验系统及试验方法，属于材料疲劳试验的技术领域。所述系统包括夹具、应变片、控制电路。试验件上贴有应变片，夹具夹持试验件，控制电路与试验件相连接。控制电路包括激振器、采集器，信号发生器、功率放大器、装有疲劳测试软件的计算机。所述试验方法首先在试验件应力薄弱处贴应变片，通过疲劳测试软件采处理集器输出的应力信号以及试验件断裂信息，统计出当前应力状态下的应力循环次数，得到应力大小与应力循环次数的关系式并绘出材料S-N曲线。本发明系统结构简单，方法增加了疲劳保护的内容，改善了现有疲劳试验在试验件出现一段裂纹仍然受力而最终断裂的缺陷。

Description

材料弯曲疲劳试验系统及试验方法

技术领域

本发明公开了材料弯曲疲劳试验系统及试验方法，属于材料疲劳试验的技术领域。

背景技术

在现代工业及航空领域中，许多零件和构件都是承受着交变载荷作用的。例如飞机的动力装置产生的振动与噪声激励、飞机滑行及某些地面机动产生的振动。根据国外的统计，机械零件的损坏50%-90%为疲劳破坏。过去的研究表明，军用飞机喷气发动机构件的主要失效原因是高周疲劳，疲劳失效占喷气发动机全部构件损伤的49%，而高周疲劳又几乎占所有疲劳失效的一半。研究疲劳所造成的失效规律、提高材料的疲劳强度以避免或延缓疲劳破坏发生的措施，是材料强度的一个重要课题。长期以来，材料弯曲疲劳试验一直采用振动台激振或者购入疲劳试验机进行， 虽然能完成材料性能的测定，但是一般成本昂贵，例如某型号振动台尺寸：633mm×943mm×770mm,价格在20万以上。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了材料弯曲疲劳试验系统及试验方法。

 本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

       材料弯曲疲劳试验系统，包括夹具、应变片、控制电路，所述试验件上贴有应变片，所述夹具夹持试验件，控制电路与试验件相连接；所述控制电路包括激振器、采集器，信号发生器、功率放大器、装有疲劳测试软件的计算机；

       所述信号发生器根据装有疲劳测试软件的计算机输出信号产生频率、幅值固定的正弦波电流信号；

       所述功率放大器在保持信号发生器输出正弦波频率不变的情况下放大正弦波电流信号幅值；

所述激振器受到功率放大器输出信号的激励后在试验件上加载应力；

所述采集器采集试验件上应变片的应力数据以及功率放大器输出信号，将应变片应力数据转换为电压信号后传输至装有疲劳测试软件的计算机，并在采集的功率放大器输出电压小于预设值时发出试验件断裂的信息至装有疲劳测试软件的计算机；

所述装有疲劳测试软件的计算机根据采集器输出的应力信号以及试验件断裂信息，统计出当前应力状态下的应力循环次数，得到应力大小与应力循环次数的关系式并绘出材料S-N曲线。 

材料弯曲疲劳试验方法，包括如下步骤：

       步骤1，将夹具固定在基础平台上，构建所述材料弯曲疲劳试验系统，所述夹具第一阶固有频率至少要高于试件一阶固有频率的M倍，所述M为大于2的正整数；

       步骤2，先用一个试验件进行应力实验至断裂，找出试验件的应力薄弱处，将应变片贴在应力薄弱处；

步骤3，夹具上重新夹持试验件，调试疲劳测试软件，利用装有疲劳测试软件的计算机发出触发信号，调节功率放大器开始疲劳试验；

步骤4，试验件出现一段裂纹时，装有疲劳测试软件发送减小正弦波电流信号幅值的信息给信号发生器，信号发生器输出信号幅值骤降为0，停止激振器工作，同时软件统计出试验件断裂信息；

步骤,5，夹具上重新夹持试验件，在不同应力值下重复进行疲劳试验：当试验件在当前应力下振动次数超过10⁷没有断裂时，疲劳试验终止；

步骤6，全部试验完成后,统计出不同应力值下的试验件振动次数，绘出材料S-N曲线。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：系统结构简单，方法增加了疲劳保护的内容，改善了现有疲劳试验在试验件出现一段裂纹仍然受力而最终断裂的缺陷。

附图说明

图1为材料弯曲疲劳试验系统的示意图。

图2为控制电路的框图。

图3为试验件的示意图。

图4为夹具的示意图。

图5为垫块的示意图。

图6为LF2M防锈铝S-N曲线图。

图中标号说明：1为试验件。2为应变片，3为夹具，4为控制电路。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示是材料弯曲疲劳试验系统，包括夹具3、应变片2、控制电路4。

试验件1上贴有应变片2，夹具3夹持试验件1，控制电路4与试验件1相连接。

控制电路4如图2所示包括激振器、采集器，信号发生器、功率放大器、装

有疲劳测试软件的计算机。

信号发生器根据装有疲劳测试软件的计算机输出信号产生频率、幅值固定的正弦波电流信号。功率放大器在保持信号发生器输出正弦波频率不变的情况下放大正弦波电流信号幅值。激振器受到功率放大器输出信号的激励后在试验件上加载应力。采集器采集试验件上应变片的应力数据以及功率放大器输出信号，将应变片应力数据转换为电压信号后传输至装有疲劳测试软件的计算机，并在采集的功率放大器输出电压小于预设值时发出试验件断裂的信息至装有疲劳测试软件的计算机。装有疲劳测试软件的计算机根据采集器输出的应力信号以及试验件断裂信息，统计出当前应力状态下的应力循环次数，得到应力大小与应力循环次数的关系式并绘出材料S-N曲线。功率放大器为HEA-500G型号的功率放大器，信号发生器为F05A型号的信号发生器。采集器为NI公司的USB9237采集卡。

疲劳测试软件：控制信号发生器，使激振器工作，利用VC6.0串口通信实现；统计试验件振动次数；功率放大器信号监控，进行疲劳保护：试验件出现一段裂纹时，触发疲劳保护，信号发生器输出信号幅值骤降为0,停止激振器工作；采集试验件薄弱处应力值。

材料弯曲疲劳试验方法，包括如下步骤：

步骤1，将夹具固定在基础平台上，构建如图1、图2所示的材料弯曲疲劳试验系统，所述夹具第一阶固有频率至少要高于试件一阶固有频率的3-5倍，以避免试件和夹具的耦合振动，即要求激振器对试验件激励时，仅仅试验件振动，而夹具系统固定不动。夹具对试验件加紧固定时，需要消除因激励点的紧固和试验件固定而产生的初始安装应力。

根据激振器的大小、固定位置和激振器提供的力的大小，在设计夹具时考虑尽量减小夹具的重量，夹具如图4所示，夹具上两个螺栓孔的直径均为12mm，夹具长度为300mm，宽是60mm，厚度是15mm。螺栓孔到夹具边的距离是50mm。夹具中间有一个凹槽，起到夹住实验件的作用。凹槽的长度是100mm，宽度是2mm。

为了配合激振器和试验件之间的距离，在夹具与底座支撑之间设置一个垫块，与夹具对应的设置两个螺栓孔，尺寸与夹具的相同，在垫块中间有两个圆孔，用于固定垫块和支撑，圆孔直径是10mm，如图5所示。

步骤2，先用一个试验件进行应力实验至断裂，找出试验件的应力薄弱处，将应变片贴在应力薄弱处。本系统采用大R应力集中板，如图3所示，调整板宽可以调整R边附近的应变分布。试验件的设计考虑了激振器的激励点，见附图1 中的R6的圆孔。为了使试验件在激励力作用下产生较大的应力，设计了圆弧R，人为制造了应力薄弱点，在圆弧最小截面处将产生很大的应力，该处是疲劳裂纹的产生处，也是疲劳断裂处，因此该处也应是电阻应变片的粘贴处。

针对需要测试构件的材料，试验件需满足一下条件：

a.试验件与测试构件材料及性能一致。试验件的材料牌号、冷热工艺与构件一致，以保证疲劳性能的一致。

b.设计温度与构件温度相等。试验件的应力分析寿命计算的温度值与构件试验温度相等，以保证在此温度下进行试验的试验件的寿命有较好的可参考性。

c.最大应力点应变范围和应变分布影响系数与构件相等。这是应变分布影响系数寿命模型的等寿命条件，是试验件与构件寿命一致性的基本保证。

d.应力集中部位的几何形状与构件相似或相近。目前应变分布影响系数寿命模型，仅考虑了虚拟裂纹主方向（一般是梯度方向最大的方向）上的应变分布影响，而没有考虑其他方向上的应变分布影响。为了减少这种影响，试验件应力集中部位的几何形状最好与构件相近或相似，以保证双向应力分布的相似性。

步骤3，夹具上重新夹持试验件，调试疲劳测试软件，利用装有疲劳测试软件的计算机发出触发信号，调节功率放大器开始疲劳试验；

步骤4，试验件出现一段裂纹时，装有疲劳测试软件发送减小正弦波电流信号幅值的信息给信号发生器，信号发生器输出信号幅值骤降为0，停止激振器工作，同时软件统计出试验件断裂信息

步骤,5，夹具上重新夹持试验件，在不同应力值下重复进行疲劳试验：当试验件在当前应力下振动次数超过10⁷没有断裂时，疲劳试验终止。

步骤6，全部试验完成后,统计出不同应力值下的试验件振动次数，绘出材料S-N曲线。图6为LF2M防锈铝S-N曲线图。

综上所述，系统结构简单，方法增加了疲劳保护的内容，改善了现有疲劳试验在试验件出现一段裂纹仍然受力而最终断裂的缺陷。

Claims (2)

1.材料弯曲疲劳试验系统，包括夹具、应变片、控制电路，所述试验件上贴有应变片，所述夹具夹持试验件，所述控制电路与试验件相连接；其特征在于所述控制电路包括激振器、采集器，信号发生器、功率放大器、装有疲劳测试软件的计算机；

所述信号发生器根据装有疲劳测试软件的计算机输出信号产生频率、幅值固定的正弦波电流信号；

所述功率放大器在保持信号发生器输出正弦波频率不变的情况下放大正弦波电流信号幅值；

所述激振器受到功率放大器输出信号的激励后在试验件上加载应力；

所述采集器采集试验件上应变片的应力数据以及功率放大器输出信号，将应

变片应力数据转换为电压信号后传输至装有疲劳测试软件的计算机，并在采集的功率放大器输出电压小于预设值时发出试验件断裂的信息至装有疲劳测试软件的计算机；

所述装有疲劳测试软件的计算机根据采集器输出的应力信号以及试验件断裂信息，统计出当前应力状态下的应力循环次数，得到应力大小与应力循环次数的关系式并绘出材料S-N曲线。

2.材料弯曲疲劳试验方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，将夹具固定在基础平台上，构建如权利要求1所述的材料弯曲疲劳试验系统，所述夹具第一阶固有频率至少要高于试件一阶固有频率的M倍，所述M为大于2的正整数；

步骤2，先用一个试验件进行应力实验至断裂，找出试验件的应力薄弱处，将应变片贴在应力薄弱处；

步骤3，夹具上重新夹持试验件，调试疲劳测试软件，利用装有疲劳测试软件的计算机发出触发信号，调节功率放大器开始疲劳试验；

步骤4，试验件出现一段裂纹时，装有疲劳测试软件发送减小正弦波电流信号幅值的信息给信号发生器，信号发生器输出信号幅值骤降为0，停止激振器工作，同时软件统计出试验件断裂信息；

步骤,5，夹具上重新夹持试验件，在不同应力值下重复进行疲劳试验：当试验件在当前应力下振动次数超过10⁷没有断裂时，疲劳试验终止；

步骤6，全部试验完成后,统计出不同应力值下的试验件振动次数，绘出材料S-N曲线。

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