CN107764673A - 一种双向应力疲劳试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

一种双向应力疲劳试验装置，其技术要点是：包括试验夹件，试验夹件的两端分别连接有夹持装置，夹持装置上连接有周向载荷加载装置，夹持装置包括试验夹件两端分别连接的止动螺钉，止动螺钉的另一端分别连接有转接接头，试验夹件的端部与止动螺钉的连接处设置有密封圈，一端的密封圈的外部连接有上密封块，上密封块的另一端连接有密封顶块，另一端的密封圈的外部连接有下密封块，下密封块的另一端连接也有密封顶块，夹持装置和试验夹件的中央设置有沿试验夹件长轴轴向延伸的降爆杆，一种双向应力疲劳试验装置的试验方法，包括轴向载荷施加方法和周向载荷施加方法；该技术方案实现了加载传力通道和密封传力通道的独立传力，提高了结构的密封性能。

Description

一种双向应力疲劳试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及力学性能测试装置和方法技术领域，具体的说是一种双向应力疲劳试验装置及试验方法。

背景技术

结构设计是产品研制过程中必不可少的环节，其通过选择最佳的拓扑参数实现合理的应力的分布，以避免机械部件在正常工作过程中发生异常破坏。基本思路是通过变换拓扑特征，调整典型载荷条件下应力分布规律，使得结构内部的真实应力低于材料能够抵抗这类应力的能力（以下称之为材料性能），应力主要来源主要有两类：一类是工作过程中由外部环境施加的载荷，如地面起伏不平，外物撞击等；另一类是加工过程中产生的应力，如铆接、焊接、表面强化等，加工完成后部分应力不会消失，常称为残余应力。由于作用在结构上的载荷众多，引起的内部应力多样，这意味着，材料性能测试时的受载状态越接近零部件外场服役状态，材料性能数据能越全，设计出的零部件可靠性越高。

为使得试验室条件下获得的材料性能接近外场服役时的真实状态，要求试验状态下施加在试验件上的载荷尽可能与外场服役过程中的载荷状态相似，因此，需要开展针对性的试验。力学工作者对零件结构内部应力进行分析并进行了分类，从维度角度，结构内部应力可以分为一维应力状态，如桥墩、柱子，连杆等；二维应力状态，如气瓶、油罐等；三维应力状态，如水坝等，从时间角度，可以分为准静止状态，如水坝、油罐、焊接零件的焊缝、表面强化后零部件等；时变应力状态，如汽车车轴、飞机机翼等。针对零部件结构内部不同的应力状态，力学工作者设计出了针对性的测试装置，针对一维、准静态问题，提出了基于外形为棒状或板状标准试验件的轴向拉伸、扭转等静态试验机；针对一维时变问题，提出了基于外形为棒/板状标准试验件液压动态试验机；针对低周疲劳问题，提出了电磁动态试验机；针对高周疲劳问题，目前，针对一维状态的试验技术发展多年，技术最为成熟，形成了体系化的测试标准和测试设备；针对二维动态问题，提出了基于外形为十字形试验件的轴向-轴向二维低周疲劳试验机、基于外形为圆柱形试验件的轴向-扭转二维低周疲劳试验机，总体而言，二维、多维状态下的力学性能测试技术还处于发展阶段，由于测试难度大和费用高等因素制约，现有的试验数据很少。

从上世纪60年代后，因疲劳导致的失效逐渐成为零部件的主要模式，占失效总数的70%以上，近年来，高周疲劳失效逐渐成为学术界研究的热点方向，研究多轴、交变应力条件下材料响应规律，如多轴交变应力，针对复杂结构形式和受载特点、多轴交变应力耦合多轴静应力，针对加工或使役过程中产生的残余应力耦合复杂受载条件。这些领域的研究对材料性能测试提出了新的要求。

两个主应力相互垂直条件下的双向疲劳性能是先进零部件设计中迫切需要的参数，试验室环境下，要求试验件考核部位处于双向拉伸应力状态，加载关键控制参数为：一是加载频率；二是单个主应力方向上应力大小；三是单个主应力方向上最大应力与最小应力的相对关系；四是两个正交方向应力大小相对关系；五、两个正交方向应力相位的相对关系。目前，现有技术中常用的试验件有两类，分别为外形为十字形的试验件（图1所示）和带缺口的圆柱试验件（图2所示）。对于外形为十字形的试验件，通常在试验件十字交叉区域设计特定的形状以便产生轴向-轴向应力，通过连接于试验件4个点的夹具传递载荷，采用液压试验机施加载荷；对于外形为圆柱形缺口试验件，通常采用单轴轴向加载，通过缺口外形控制两个方向应力大小，现有的试验技术存在如下不足：外形为十字形的疲劳试验件，通常需要设计高阶曲线过渡段，以便保证十字交叉点的考核部位处于轴向-轴向的二维拉伸应力状态，拓扑设计难度大、周期长；外形为十字形的疲劳试验件，考核区域外形复杂，试验件加工难度大，需要高精度的数控机床，以便加工出外形达标的试验段，单件制造成本高；外形为十字形的疲劳试验件，试验件四个点与试验机采用刚性连接，试验件在受载后发生变形，为了让变形后外形与变形前相似，避免产生附加弯矩，只能采用四个作动器，并且作动器需要协调控制，控制精度要求高，测试设备复杂，试验费用高；外形为十字形的疲劳试验件，为了对施加载荷进行精确控制，试验设备中只能采用液压控制器，加载频率受限，通常不高于30Hz，仅能开展低周疲劳试验，设备制造成本高，设备工作过程中噪声大；外形为十字形的疲劳试验件，试验件压缩稳定性差，通常只能施加拉伸载荷，即在试验件上的应力比只能在0.1~1.0之间选择；外形为实心缺口圆柱形试验件，缺口部位产生应力集中，导致考核截面应力分布存在梯度，不便于后期分析；外形为实心缺口圆柱形试验件，考核区域两个方向上的应力相互耦合，即只能开展同相位、同频率轴向应力疲劳试验，试验类型受限。

综上所述，当前现有技术中，虽然低周疲劳试验和双向疲劳试验技术较为完善，可控的加载参数多，但试验件外形复杂，试验件设计难度大，试验设备复杂，试验成本高；高周疲劳试验和双向疲劳试验可控制的加载参数和应力状态较少，考核部位应力分布复杂。此外，当前双向疲劳试验中两个方向上载荷的施加存在相互耦合现象，这是双向疲劳试验难度大的根本原因。

发明内容

本发明的目的就是解决以上技术中存在的问题，并为此提供一种双向应力疲劳试验装置及试验方法。

一种双向应力疲劳试验装置，包括试验夹件，试验夹件的两端分别连接有夹持装置，夹持装置上连接有周向载荷加载装置。

进一步地，所述夹持装置包括试验夹件两端分别连接的止动螺钉，止动螺钉的另一端分别连接有转接接头，试验夹件的端部与止动螺钉的连接处设置有密封圈，一端的密封圈的外部连接有上密封块，上密封块的另一端连接有密封顶块，另一端的密封圈的外部连接有下密封块，下密封块的另一端连接也有密封顶块，夹持装置和试验夹件的中央设置有沿试验夹件长轴轴向延伸的降爆杆。

进一步地，一端的夹持装置连接有周向载荷加载装置。

进一步地，所述周向载荷加载装置包括高压阀门和真空阀门，高压阀门的一端连接有高压室，高压室的另一端连接有压缩机；真空阀门的一端连接有真空室，真空室的另一端连接有真空机。

进一步地，所述夹持装置与周向载施加装置通过管道相连接。

一种双向应力疲劳试验装置的试验方法，包括轴向载荷施加方法和周向载荷施加方法。

进一步地，所述轴向载荷施加方法为将试验装置通过转接接头固定在电磁高周疲劳试验机夹头上，当电磁高周疲劳试验机拉伸转接接头时，拉伸载荷通过转接接头与试验夹件之间的配合螺纹将载荷传递到试验夹件考核部位，当电磁高周疲劳试验机压缩转接接头时，压缩载荷通过转接接头将压缩载荷传递到止动螺钉上，止动螺钉通过与试验夹件之间的配合螺纹将压缩载荷传递上试验夹件的考核部位上，通过控制载荷大小，实现考核部位应力比的条件；

周向载荷施加方法为利用管道连接周向载荷加载装置，开启压缩机，对高压室施加气体压力，开启真空机，排除真空室中的空气，打开高压阀门，高压空气进入试验夹件内部，产生环向拉伸载荷，关闭高压阀门；开启真空阀门，试验夹件内部空气排除，产生环向压缩载荷，通过交替打开高压阀门和真空阀门施加环向周期载荷。

进一步地，所述考核部位应力比的轴向应力比为-1.0~1.0，环向应力比为-1.0~1.0。

本发明的优点：

1，实现对现有刚性加载装置中两个传力通道的解耦，能够在一个加载方向开展高周和低周疲劳试验，在另一方向开展低周疲劳试验，两个方向上应力大小和相位任意可控；

2，降低了对试验加载设备功能的需求，从原来的4个独立液压加载通道改变为2~3个成本较低的加载设备，降低了硬件采购成本，也降低了试验成本；

3，实现了加载传力通道和密封传力通道的独立传力，提高了结构的密封性能；

4，实现了简化试验件外形的目标，降低了试验夹件的制造成本；

5，可以开展材料在不同气体介质或真空条件下的疲劳性能考核试验。

附图说明

图1是现有技术中常用的试验件外形为十字形的试验件结构示意简图；

图2是现有技术中常用的带缺口的圆柱试验件结构示意简图；

图3是本发明的双向高周疲劳试验件原理简图；

图4是本发明的剖视结构示意简图；

图5是本发明的结构示意简图。

具体实施例

为了使本发明更容易被清楚理解，以下结合附图以及实施例对本发明的技术方案作以详细说明。

实施例1

如图3-5所示，一种双向应力疲劳试验装置，包括试验夹件1，试验夹件1的两端分别连接有夹持装置，夹持装置包括试验夹件1两端分别连接的止动螺钉2，止动螺钉2的另一端分别连接有转接接头4，试验夹件1的端部与止动螺钉2的连接处设置有密封圈13，一端的密封圈13的外部连接有上密封块15，上密封块15的另一端连接有密封顶块14，另一端的密封圈13的外部连接有下密封块3，下密封块3的另一端连接也有密封顶块14，夹持装置和试验夹件1的中央设置有沿试验夹件1长轴轴向延伸的降爆杆12，夹持装置上连接有周向载荷加载装置，周向载荷加载装置包括高压阀门10和真空阀门5，高压阀门10的一端连接有高压室8，高压室8的另一端连接有压缩机9；真空阀门5的一端连接有真空室7，真空室7的另一端连接有真空机6，所述夹持装置与周向载施加装置通过管道11相连接。

实施例2

如图3-5所示，一种双向应力疲劳试验装置的试验方法，包括轴向载荷施加方法和周向载荷施加方法，所述轴向载荷施加方法为将试验装置通过转接接头4固定在电磁高周疲劳试验机夹头上，当电磁高周疲劳试验机拉伸转接接头4时，拉伸载荷通过转接接头4与试验夹件1之间的配合螺纹将载荷传递到试验夹件1考核部位，当电磁高周疲劳试验机压缩转接接头4时，压缩载荷通过转接接头4将压缩载荷传递到止动螺钉2上，止动螺钉2通过与试验夹件1之间的配合螺纹将压缩载荷传递上试验夹件1的考核部位上，通过控制载荷大小，实现考核部位应力比的条件，该考核部位应力比的轴向应力比为-1.0~1.0，环向应力比为-1.0~1.0；周向载荷施加方法为利用管道连接周向载荷加载装置，开启压缩机9，对高压室8施加气体压力，开启真空机6，排除真空室7中的空气，打开高压阀门10，高压空气进入试验夹件1内部，产生环向拉伸载荷，关闭高压阀门10；开启真空阀门5，试验夹件1内部空气排除，产生环向压缩载荷，通过交替打开高压阀门10和真空阀门5施加环向周期载荷。

双向应力分别为轴向应力和环向应力，两个应力之间夹角为90度。轴向应力和轴向载荷之间的关系的公式为，其中A为试验夹件的试验段的横截面积，即垂直于轴向的界面，根据试验条件和轴向应力和轴向载荷之间的关系的公式确定所需的应力并计算所需的轴向力，在此基础上选择吨位相适应的试验机，轴向应力和轴向载荷之间的关系的公式中，A可以通过公式计算获得，该公式中和分别为试验段的外径和内径，环向应力和内部压力之间关系的公式为，根据试验室空气压缩机能力以及试验要求的环向应力水平确定试验件的内径和外径尺寸。

试验件轴向与试验机采用刚性连接，通过消除轴向连接间隙，实现对试验夹件的考核部位施加拉伸和压缩载荷，通过单轴电磁疲劳试验机提供轴向载荷；试验件周向载荷的施加采用柔性连接方式，通过在试验件内孔施加气压载荷的方式实现施加垂直于轴向方向的载荷；

在轴向载荷和气压载荷作用下，试验件考核部位存在两种应力，分别为轴向应力和环向应力，两种应力相互垂直，且为正应力，使得试验件考核部位处于双向向应力的考核。

Claims (8)

1.一种双向应力疲劳试验装置，包括试验夹件，其特征在于：试验夹件的两端分别连接有夹持装置，夹持装置上连接有周向载荷加载装置。

2.根据权利要求1所述的一种双向应力疲劳试验装置，其特征在于：所述夹持装置包括试验夹件两端分别连接的止动螺钉，止动螺钉的另一端分别连接有转接接头，试验夹件的端部与止动螺钉的连接处设置有密封圈，一端的密封圈的外部连接有上密封块，上密封块的另一端连接有密封顶块，另一端的密封圈的外部连接有下密封块，下密封块的另一端连接也有密封顶块，夹持装置和试验夹件的中央设置有沿试验夹件长轴轴向延伸的降爆杆。

3.根据权利要求1所述的一种双向应力疲劳试验装置，其特征在于：一端的夹持装置连接有周向载荷加载装置。

4.根据权利要求3所述的一种双向应力疲劳试验装置，其特征在于：所述周向载荷加载装置包括高压阀门和真空阀门，高压阀门的一端连接有高压室，高压室的另一端连接有压缩机；真空阀门的一端连接有真空室，真空室的另一端连接有真空机。

5.根据权利要求3所述的一种双向应力疲劳试验装置，其特征在于：所述夹持装置与周向载施加装置通过管道相连接。

6.一种双向应力疲劳试验装置的试验方法，其特征在于：包括轴向载荷施加方法和周向载荷施加方法。

7.根据权利要求6所述的一种双向应力疲劳试验装置的试验方法，其特征在于：所述轴向载荷施加法为将试验装置通过转接接头固定在电磁高周疲劳试验机夹头上，当电磁高周疲劳试验机拉伸转接接头时，拉伸载荷通过转接接头与试验夹件之间的配合螺纹将载荷传递到试验夹件考核部位，当电磁高周疲劳试验机压缩转接接头时，压缩载荷通过转接接头将压缩载荷传递到止动螺钉上，止动螺钉通过与试验夹件之间的配合螺纹将压缩载荷传递上试验夹件的考核部位上，通过控制载荷大小，实现考核部位应力比的条件；

周向载荷施加方法为利用管道连接周向载荷加载装置，开启压缩机，对高压室施加气体压力，开启真空机，排除真空室中的空气，打开高压阀门，高压空气进入试验夹件内部，产生环向拉伸载荷，关闭高压阀门；开启真空阀门，试验夹件内部空气排除，产生环向压缩载荷，通过交替打开高压阀门和真空阀门施加环向周期载荷。

8.根据权利要求7所述的一种双向应力疲劳试验装置的试验方法，其特征在于：所述考核部位应力比的轴向应力比为-1.0~1.0，环向应力比为-1.0~1.0。