CN107340190B - 用于高频疲劳试验的多级静动态耦合力学加载装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于高频疲劳试验的多级静动态耦合力学加载装置，属于科学仪器与材料力学性能测试领域。由高频疲劳加载单元、低频疲劳加载单元、拉伸加载与检测单元、同步回转单元组成。本发明通过伺服电机、压电叠堆、超声振子组件实现拉伸疲劳加载，同时通过力学传感器和光纤位移传感器实现载荷与位移的检测。通过电机驱动回转机构，实现同步辐射光源对样品进行实时动态的晶体衍射表征。此外，双V缺口特征缺陷样品，可实现拉伸‑剪切或拉伸‑弯曲等接近材料实际受力形式的复合载荷测试模式。本发明装置结构紧凑，可集成多种测试方法，为材料高频疲劳试验提供有效测试工具。

Description

用于高频疲劳试验的多级静动态耦合力学加载装置
技术领域
本发明涉及科学仪器与材料力学性能测试领域，用于高频疲劳试验的多级静动态耦合力学加载装置。该发明是一种集成高频疲劳服役条件下，具备同步辐射分析功能的多级静动态耦合力学加载装置。可对施加小幅静态拉伸载荷（50N，30μm），低频交变载荷（＜50Hz）或高频交变载荷（20kHz），通过同步辐射分析的实时表征，可研究材料微结构疲劳演化行为，为深入理解材料高频疲劳服役性能提供测试装备。
背景技术
现代工程很多领域（如工程机械、汽车、船舶、飞机等）的主要零件和构件都持续承受循环变化的载荷。据相关文献统计，80%~90%各类零件和构件的破坏是由疲劳断裂引起的，而疲劳断裂过程通常不会产生明显的塑性变形，事先很难察觉，常造成灾难性的事故，给国民经济带来了巨大的经济损失。传统的疲劳断裂研究常按材料所经历的载荷循环周次将疲劳分为低周疲劳（循环周次为104~105）和高周疲劳（循环周次为105以上）。其中，高周疲劳因受限于试验条件和试验设备的载荷频率，实际试验循环次数通常限定在107以下。然而，随着材料研究的发展，相关研究表明很多材料在经历107以上循环周次的超高周疲劳后仍会发生疲劳断裂，特别是在交通运输、航空航天、核工业等领域，结构常经历109以上超高周次循环载荷的作用。现有的常规疲劳试验设备，加载频率 f< 300Hz，这种加载方式费时费力（需要持续进行几个月的试验），很难实现超高周疲劳试验。1950年，Mason基于压电磁致伸缩原理并应用波动谐振技术，建立了超声疲劳试验方法，使振动频率达到了20000Hz。这一技术的诞生使109周次的疲劳试验可在十几个小时内完成。
目前，商业化的超高频疲劳试验设备仅可在定频（15-22kHz）驱动模式下对材料进行单一载荷的疲劳实验，而实际工况下服役的结构材料通常承受静动态耦合载荷的作用，且相同材料在不同静动态载荷模式下表现出迥然不同的力学行为。而小型化原位拉伸测试仪器尽管能够实现载荷的准静态加载，但由于伺服电机、减速机构和传动机构的回转惯性，通常这类仪器仅可应用于加载频率较低的低周疲劳试验。在此基础上，采用电液伺服液压驱动、高频电磁致动或压电驱动式的交变载荷加载方式也无法实现超高频疲劳测试。因此，急需开发具备基于任意初始静应力状态的超声疲劳测试系统，以满足多种静动态应力比加载模式下超高频疲劳试验的需求。
近些年，同步辐射X射线技术在物质材料结构的表征方面发挥了很大的作用，已较为成熟应用于材料间界面和表面相变的研究。相较于一般的X射线源，同步辐射X射线能在材料的散射、衍射以及吸收实验中提供更为精确和详细的结构信息，可以表征多尺度微结构在服役条件下的演化规律。在同步辐射X射线衍射实际检测中，样品需要绕铅垂轴线旋转一个角度，以覆盖更大的倒易空间。而现有的超高频疲劳试验设备商业化产品一般体积巨大，相对于小型低周疲劳试验机笨重，不易实现绕铅垂轴线旋转运动。另一方面，如今市场上的超高频疲劳试验机根据Mason原型机研制发展而来，为实现超高频超声振动，其设计结构相对固定，也无法实现振动单元的旋转，使被测试件获得以其铅垂轴线为旋转轴的转动自由度。因此，需要设计一种以超高频疲劳试验模块为核心的力学加载装置，使被测试件具备以其铅垂轴线为旋转轴的转动自由度，从而满足同步辐射X射线衍射的检测实验要求。
综上，针对材料实际工况中承受静动态耦合载荷的超高频疲劳问题，结合目前实际工程应用对于结构材料安全性与可靠性提出的更高要求，设计一种用于高频疲劳试验的多级静动态耦合力学加载装置是很有必要的。此外，同步辐射X射线衍射技术，能够实现材料微观力学和相变行为的无损表征，在材料在高频服役环境条件下微观组织结构的演化行为和失效机制研究中具有很高的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于高频疲劳试验的多级静动态耦合力学加载装置，解决了现有技术存在的上述问题。本发明通过伺服电机、压电叠堆、超声振子组件实现拉伸疲劳加载，同时利用力学传感器和光纤位移传感器实现载荷与位移的检测，与此同时，通过自转式同步辐射功能，可构建出样品内部的三维结构。此外，双V缺口特征缺陷样品，可实现拉伸-剪切或拉伸-弯曲等接近材料实际受力形式的复合载荷测试模式。本发明装置结构紧凑，机械主体单元长、宽、高分别为：706mm、528mm、287mm，可集成多种测试方法，为材料高频疲劳试验提供有效测试工具。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
用于高频疲劳试验的多级静动态耦合力学加载装置，包括高频疲劳加载单元、低频疲劳加载单元、拉伸加载与检测单元、同步回转单元，其中，所述高频疲劳加载单元与低频疲劳加载单元分别安装在被测试件4两侧，拉伸加载与检测单元位于低频疲劳加载单元下方，安装在回转平台23上，同步回转单元安装在基座28上，通过回转平台电机24进行驱动；
所述的高频疲劳加载单元是：被测试件4螺纹连接于左右两侧的变幅杆6，右侧的变幅杆6与换能器1螺纹固定连接，固定在支架Ⅰ2上，左侧的变幅杆6串联力学传感器8，固定在支架Ⅱ7上，并通过转接件9与低频疲劳测试单元刚性连接；在变幅杆6的机械振动驱动下，被测试件4进行超高频疲劳振动，光纤位移传感器5的检测部分置于左侧的变幅杆6前端探头，检测被测试件4的位移；套筒3固连于变幅杆6，防护变幅杆6在高温疲劳试验中受到温度场的影响；
所述的低频疲劳加载单元是：压电陶瓷10安装在柔性铰链11的凹槽内，带动柔性铰链11在输出位移方向振动；柔性铰链11右端加工有梯形齿牙，与转接件9安装定位；转接件9与力学传感器8螺纹固定连接；压电陶瓷10、柔性铰链11、转接件9与力学传感器8串联布置以精确检测被测试件4所承受的载荷；柔性铰链11固定端通过螺钉固定在Z形支架12上；
所述的拉伸加载与检测单元由伺服电机21作为驱动源，采用蜗轮蜗杆传动，将蜗杆16横跨于丝杠30之上，两端经由轴承19安装在轴承座Ⅰ18上，轴承座Ⅰ18对称布置在蜗轮17两侧，由回转平台23上凹槽定位。蜗杆16经由蜗轮17将扭矩传递至固定在轴承座Ⅱ29的丝杠30；伺服电机21通过联轴器I 20带动蜗杆16转动，再经由蜗轮17将扭矩传递至丝杠30；这样设计布局一方面减小了结构尺寸，避免伺服电机21布置在回转平台23外侧造成与其他结构部件的的干涉。另一方面，紧凑的布局设计使整体装置更加小巧，易于集成多种材料表征检测设备；
所述的同步回转单元是：回转平台电机24通过联轴器Ⅱ25带动锥齿轮26，锥齿轮26通过与回转平台23下方的锥形齿啮合，将扭矩传递至回转平台23从而实现回转，回转平台23通过推力轴承（32）安装在基座28圆形凹槽中。回转平台电机24通过回转平台电机座27固定在基座28上，与回转平台23不发生接触。
采用多级复合驱动技术，串并联相结合的驱动方式，其中，换能器1、被测试件4、变幅杆6、力学传感器8与压电陶瓷10串联式布置，从而高频与低频加载相结合，实现高低周疲劳试验；拉伸加载与检测单元则与上述部件并联式布置，实现了静动态耦合；拉伸加载与检测单元通过伺服电机21结合大减速比的蜗轮17、蜗杆16减速机构实现“减速增矩”和超低速“准静态”加载，以满足较大驱动载荷的要求。此外，采用具有凹槽结构的压电陶瓷10实现低频交变载荷，＜50Hz，采用伺服电机21实现小幅静态拉伸载荷，50N，30μm的精密驱动；在此基础上，基于串联传动拓扑结构，采用具有变幅杆结构的超声振子实现高频加载，20kHz，其中换能器1与变幅杆6刚性固定连接；即通过构建基于伺服电机21、压电驱动器、超声振子协同工作的多级复合驱动系统，实现基于任意初始静应力或应力比的疲劳加载模式。
所述的回转平台23通过推力轴承32安装在基座28圆形凹槽中，为力学加载装置的支撑部件；回转平台伺服电机24为力学加载单元回转运动的驱动动力源，从动盘式齿轮为同部回转单元的传动链末端；在回转平台伺服电机24的驱动下，回转平台23与拉伸加载与检测单元、高频疲劳加载单元、低频疲劳加载单元同步回转，从而可实现同步辐射光源对样品进行实时动态的晶体衍射表征。
所述的被测试件4为端部呈圆柱状，中间变截面过渡，狗骨形板状试样。试样设计成狗骨形能获得较高的应力放大系数，同时使被测试件4中部产生最大应力，板状试样便于光学观测表征，可使该高频疲劳力学加载装置集成光学显微镜后，实现原位材料力学性能测试；光纤位移传感器5的检测部分置于变幅杆6前端探头，从而实现检测试件位移的精确检测；通过预制双V缺口特征缺陷，实现被测试件4疲劳裂纹萌生位置的可控表征并构建拉-弯或拉-剪复合应力状态。
本发明的有益效果在于：本发明结构紧凑，主体尺寸为706 mm ×528mm ×287mm，与现有技术相比，本发明可实现对被测样品的准静态拉伸，高、低频疲劳加载，与此同时，本发明集成了同步辐射表征技术，可实现对被测样品内部三维结构的表征。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的整体外观结构示意图；
图2为本发明的左视示意图；
图3为本发明的拉伸加载与检测单元结构图；
图4为本发明的低频疲劳加载单元部件示意图；
图5为本发明的高频疲劳加载单元部件示意图。
图中：1、换能器；2、支架Ⅰ；3、套筒；4、被测试件；5、光纤位移传感器；6、变幅杆；7、支架Ⅱ； 8、力学传感器；9、转接件；10、压电陶瓷；11、柔性铰链；12、Z形支架；13、导轨滑块；14、导轨；15、支座；16、蜗杆；17、蜗轮；18、轴承座Ⅰ；19、轴承；20、联轴器Ⅰ；21、伺服电机；22、电机座；23、回转平台；24、回转平台电机；25联轴器Ⅱ；26、锥齿轮；27、回转平台电机座；28、基座；29、轴承座Ⅱ；30、丝杠；31、底座；32、推力轴承。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图5所示，本发明的用于高频疲劳试验的多级静动态耦合力学加载装置，由高频疲劳加载单元、低频疲劳加载单元、拉伸加载与检测单元、同步回转单元组成。其中高频疲劳加载单元与低频疲劳加载单元分别安装在被测试件两侧，拉伸加载与检测单元位于低频疲劳加载单元下方，安装在回转平台23上，而同步回转单元安装在基座28上，通过伺服电机进行驱动。
所述的高频疲劳加载单元，功率放大器将50Hz电压转化为20kHz的高频电能，电磁振子将20kHz的电压信号转化成20kHz的机械振动，被测试件4螺纹连接于左右两侧的变幅杆6，右侧的变幅杆6与换能器1螺纹固定连接，固定在支架Ⅰ2上，左侧的变幅杆6串联力学传感器8，固定在支架Ⅱ 7上，并通过转接件9与低频疲劳测试单元刚性连接；在变幅杆6的机械振动驱动下，被测试件4进行超高频疲劳振动，光纤位移传感器5的检测部分置于左侧的变幅杆6前端探头，检测被测试件4的位移；套筒3固连于变幅杆6，防护变幅杆6在高温疲劳试验中受到温度场的影响；
所述的低频疲劳加载单元，核心部件为压电陶瓷10和柔性铰链11，信号发生器发射实验所需波形电信号，经由功率放大器调整为合适电压驱动压电陶瓷10发生机械振动。压电陶瓷10置于柔性铰链11的凹槽中，带动柔性铰链11在输出位移方向振动。柔性铰链11右端加工有梯形齿牙，用于转接件9的安装定位。转接件9与力学传感器8螺纹连接固定。压电陶瓷10、柔性铰链11、转接件9与力学传感器8串联布局以精确检测被测试件所承受的载荷。柔性铰链11固定端通过螺钉固定在Z形支架12上。
所述的拉伸加载与检测单元包括蜗杆16、蜗轮17、轴承座Ⅰ18、轴承19、联轴器Ⅰ20、伺服电机21、电机座22、轴承座Ⅱ29、丝杠30等。其中伺服电机21通过联轴器Ⅰ20带动蜗杆16转动，再经由蜗轮17将扭矩传递至丝杠30。拉伸加载与检测单元由伺服电机21作为驱动源，采用蜗轮蜗杆传动，将蜗杆16横跨于丝杠30之上，两端经由轴承19安装在轴承座Ⅰ18上，轴承座Ⅰ18对称布置在蜗轮17两侧，由回转平台23上凹槽定位。蜗杆16经由蜗轮17将扭矩传递至固定在轴承座Ⅱ29的丝杠30；伺服电机21通过联轴器Ⅰ20带动蜗杆16转动，再经由蜗轮17将扭矩传递至丝杠30；这样设计布局一方面减小了结构尺寸，避免伺服电机21布置在回转平台23外侧造成与其他结构部件的的干涉。另一方面，紧凑的布局设计使整体装置更加小巧，易于集成多种材料表征检测设备。
所述的同步回转单元包括回转平台23、回转平台电机24、联轴器Ⅱ25、锥齿轮26、回转平台电机座27、基座28等。其中回转平台伺服电机24通过联轴器Ⅱ25带动锥齿轮26，锥齿轮26通过与回转平台23下方的锥形齿啮合，将扭矩传递至回转平台23从而使其实现回转。回转平台23通过推力轴承32安装在基座28圆形凹槽中，为整套力学加载装置的支撑部件。回转平台伺服电机24为力学加载单元回转运动的驱动动力源，从动盘式齿轮为底部回转单元的传动链末端。在回转平台伺服电机24的驱动下，回转平台23与拉伸加载与检测单元、高频疲劳加载单元、低频疲劳加载单元同步回转，使被测试件4获得以其铅垂轴线为旋转轴的转动自由度，从而可实现同步辐射光源对样品进行实时动态的晶体衍射表征。
预制双V缺口（V-notched）特征缺陷的板状狗骨形试样，实现被测试件4疲劳裂纹萌生位置的可控表征并构建拉-弯或拉-剪复合应力状态。由于超声疲劳实验的试样需满足谐振条件，本发明采用端部圆柱状，中间变截面过渡，狗骨形板状试样。试样设计成狗骨形能获得较高的应力放大系数，同时使被测试件4中部产生最大应力。板状试样便于光学观测表征，可使该高频疲劳力学加载装置集成光学显微镜后，实现原位材料力学性能测试。被测试件4通过螺纹连接至变幅杆6前端探头。光纤位移传感器5的检测部分置于变幅杆6前端探头，从而实现检测被测试件位移的精确检测。
参见图1至图5所示，本发明所涉及的用于高频疲劳试验的多级静动态耦合力学加载装置，该加载装置的主体尺寸为706 mm ×528mm ×287 mm，适用于被测高温样品的特征尺寸为厘米级。本发明的直接作用是为高频疲劳测试提供力学加载装置。该力学加载装置由高频疲劳加载单元、低频疲劳加载单元、拉伸加载与检测单元、同步回转单元组成。本发明通过伺服电机、压电叠堆、超声振子组件实现拉伸疲劳加载，同时通过力学传感器和光纤位移传感器实现载荷与位移的检测。通过电机驱动回转机构，实现同步辐射光源对样品进行实时动态的晶体衍射表征。此外，双V缺口特征缺陷样品，可实现拉伸-剪切或拉伸-弯曲等接近材料实际受力形式的复合载荷测试模式。本发明装置结构紧凑，可集成多种测试方法，为材料高频疲劳试验提供有效测试工具。
本发明采用由下至上、由内至外的安装方式。推力轴承32安装在基座28的凹槽内，回转平台23通过推力轴承32与基座28连接，为力学加载装置的支撑部件。回转平台电机24为机械单元回转运动的驱动动力源，通过联轴器Ⅱ25与锥齿轮26相连，并螺纹连接固定于基座28。回转平台23下部加工有从动盘式齿轮，为力学加载装置底部回转单元的传动链末端，与锥齿轮26相啮合。回转平台电机24经由锥齿轮26向回转平台23传递扭矩，使回转平台23按指定速度旋转。
回转平台23上表面设置定位凹槽，用于支架Ⅰ2、轴承座Ⅰ18、电机座22、底座31的定位。伺服电机21为拉伸加载单元运动的驱动动力源，经由联轴器Ⅰ20将扭矩传递至蜗杆16。蜗杆16将扭矩传递至与之啮合的蜗轮17，进而带动丝杠30转动。上方低频疲劳加载单元在丝杠30的带动下，对被测试件4进行拉伸。
Z形支架12下部位于两根导轨14中间，螺纹连接于支座15，其厚度低于导轨滑块13安装在导轨14上的高度。这使得变幅杆6的支撑架安装与导轨滑块13上而不与下方Z形支架12接触。柔性铰链11螺纹连接于下方Z形支架12，前侧中部加工有凸起梯形齿牙，与转接件9上凹入齿牙相啮合，两者同样由螺纹连接固定。转接件9右侧螺纹连接力学传感器8，用于检测拉伸载荷。
光纤位移传感器5穿过内部开有小孔的变幅杆6，延伸至变幅杆6前端探头处，精确实时检测超声振子的位移。板状的被测试件4两端加工有螺纹，连接至变幅杆6前端螺纹孔，板状狗骨形的被测试件4中部预制V形缺陷，以构成拉伸-弯曲或拉伸-剪切复合应力状态。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于高频疲劳试验的多级静动态耦合力学加载装置，其特征在于：包括高频疲劳加载单元、低频疲劳加载单元、拉伸加载与检测单元、同步回转单元，其中，所述高频疲劳加载单元与低频疲劳加载单元分别安装在被测试件（4）两侧，拉伸加载与检测单元位于低频疲劳加载单元下方，安装在回转平台（23）上，同步回转单元安装在基座（28）上，通过回转平台电机（24）进行驱动；
所述的高频疲劳加载单元是：被测试件（4）螺纹连接于左右两侧的变幅杆（6），右侧的变幅杆与换能器（1）螺纹固定连接，固定在支架Ⅰ（2）上，左侧的变幅杆（6）串联力学传感器（8），固定在支架Ⅱ（7）上，并通过转接件（9）与低频疲劳测试单元刚性连接；在变幅杆（6）的机械振动驱动下，被测试件（4）进行超高频疲劳振动，光纤位移传感器（5）的检测部分置于左侧的变幅杆（6）前端探头，检测被测试件（4）的位移；套筒（3）固连于变幅杆（6），防护变幅杆（6）在高温疲劳试验中受到温度场的影响；
所述的低频疲劳加载单元是：压电陶瓷（10）安装在柔性铰链（11）的凹槽内，带动柔性铰链（11）在输出位移方向振动；柔性铰链（11）右端加工有梯形齿牙，与转接件（9）安装定位；转接件（9）与力学传感器（8）螺纹固定连接；压电陶瓷（10）、柔性铰链（11）、转接件（9）与力学传感器（8）串联布置以精确检测被测试件（4）所承受的载荷；柔性铰链（11）固定端通过螺钉固定在Z形支架（12）上；
所述的拉伸加载与检测单元由伺服电机（21）作为驱动源，采用蜗轮蜗杆传动，将蜗杆（16）横跨于丝杠（30）之上，两端经由轴承（19）安装在轴承座Ⅰ（18）上，轴承座Ⅰ（18）对称布置在蜗轮（17）两侧，由回转平台（23）上凹槽定位；蜗杆（16）经由蜗轮（17）将扭矩传递至固定在轴承座Ⅱ（29）的丝杠（30）；伺服电机（21）通过联轴器I（20）带动蜗杆（16）转动，再经由蜗轮（17）将扭矩传递至丝杠（30）；
所述的同步回转单元是：回转平台电机（24）通过联轴器Ⅱ（25）带动锥齿轮（26），锥齿轮（26）通过与回转平台（23）下方的锥形齿啮合，将扭矩传递至回转平台（23）从而实现回转，回转平台（23）通过推力轴承（32）安装在基座（28）圆形凹槽中，回转平台电机（24）通过回转平台电机座（27）固定在基座（28）上，与回转平台（23）不发生接触。
2.根据权利要求1所述的用于高频疲劳试验的多级静动态耦合力学加载装置，其特征在于：采用多级复合驱动技术，串并联相结合的驱动方式，其中，换能器（1）、被测试件（4）、变幅杆（6）、力学传感器（8）与压电陶瓷（10）串联式布置，从而高频与低频加载相结合，实现高低周疲劳试验；拉伸加载与检测单元则与上述部件并联式布置，实现了静动态耦合；拉伸加载与检测单元通过伺服电机（21）结合大减速比的蜗轮（17）、蜗杆（16）减速机构实现“减速增矩”和超低速“准静态”加载；采用具有凹槽结构的压电陶瓷（10）实现低频交变载荷，＜50Hz；采用伺服电机（21）实现小幅静态拉伸载荷，50N，30μm的精密驱动；在此基础上，基于串联传动拓扑结构，采用具有变幅杆结构的超声振子实现高频加载，20kHz，其中换能器（1）与变幅杆（6）刚性固定连接；即通过构建基于伺服电机（21）、压电驱动器、超声振子协同工作的多级复合驱动系统，实现基于任意初始静应力或应力比的疲劳加载模式。
3.根据权利要求1所述的用于高频疲劳试验的多级静动态耦合力学加载装置，其特征在于：所述的回转平台（23）通过推力轴承（32）安装在基座（28）的圆柱形凹槽中，为整套力学加载装置的支撑部件；回转平台伺服电机（24）为力学加载单元回转运动的驱动动力源，从动盘式齿轮为同部回转单元的传动链末端；回转平台伺服电机（24）通过由联轴器Ⅱ（25）连接的锥齿轮（26）与回转平台（23）上的从动盘齿轮相啮合，驱动回转平台（23）在水平面上进行转动；在回转平台伺服电机（24）的驱动下，回转平台（23）与拉伸加载与检测单元、高频疲劳加载单元、低频疲劳加载单元同步回转，从而可实现同步辐射光源对样品进行实时动态的晶体衍射表征。
4.根据权利要求1所述的用于高频疲劳试验的多级静动态耦合力学加载装置，其特征在于：所述的被测试件（4）为端部呈圆柱状，中间变截面过渡，狗骨形板状试样；试样设计成狗骨形能获得较高的应力放大系数，同时使被测试件（4）中部产生最大应力，板状试样便于光学观测表征，可使该高频疲劳力学加载装置集成光学显微镜后，实现原位材料力学性能测试；光纤位移传感器（5）的检测部分置于变幅杆(6)前端探头，从而实现检测试件位移的精确检测；通过预制双V缺口特征缺陷，实现被测试件（4）疲劳裂纹萌生位置的可控表征并构建拉-弯或拉-剪复合应力状态。
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