CN109765019B - 一种超声共振多轴弯曲疲劳实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声共振多轴弯曲疲劳实验装置，包括辅助固定连接件，辅助固定连接件的一端设有试件，试件为长板和短板垂直相交形成的十字型结构，试件的四个交叉处均设有弧形开口，试件的长板包括加载段和试验段，加载段与辅助固定连接件连接，弧形开口均位于试验段内。本发明用于试验的试件采用非完全对称正交共振型试件设计，使试件能够在悬臂连接形式下实现两个方向的横波振动，在试件因两个方向的超声频率振动弯曲产生快速的多轴疲劳加载状态，保证试件的疲劳断裂发生位置在十字中心相交处；采用多螺孔将试件与辅助固定连接件连接，降低了加载位置的应力集中，最大限度降低了紧固连接对振动模态的影响，防止试件在加载段断裂。

Description

一种超声共振多轴弯曲疲劳实验装置

技术领域

本发明涉及金属材料疲劳试验技术领域，具体涉及一种超声共振多轴弯曲疲劳实验装置。

背景技术

疲劳失效是在交变载荷作用下构件或结构的主要失效形式。如车辆，飞机，齿轮汽轮机叶片，弹簧等的构件和结构的主要失效形式都是疲劳破坏。在实际的工程事故中，疲劳破坏相关的事故比例占到了80％。因此对材料疲劳性质的研究一直是国内外工程界研究和关心的课题。而在航空航天、核工业、机械等领域，一些结构部件需要在工作中承受高频振动载荷。特别是当还有其他的载荷存在时，造成的复合损害会大大的加速结构部件的破坏。所以在研究高速运转结构件的疲劳寿命中，需要特别重视超高频疲劳寿命的研究。

多轴疲劳是指疲劳发生在多轴应力状态下，即两个或三个主应力(主应变)的方向和幅度随时间而变化。无论是在航空航天、核电站、化工和车辆运输等领域的实际工况环境中，许多部件都是在复杂的多轴应力状态下工作。但是目前对于多轴疲劳理论的研究还没有像单轴疲劳理论研究那样全面、深入，特别是对于超高周次长寿命多轴疲劳的研究。主要原因在于缺少一种适合长寿命疲劳测试的多轴疲劳测试方法，因此对于长寿命和多轴两种条件结合下材料疲劳的研究方法和装置则更是有待进一步的补充和完善。

另外，因为机械零部件的结构寿命不能通过解析的理论方法有效预测，现有的数值计算直接仿真模拟结果误差较大，目前比较通行可靠的办法仍然是通过对其疲劳试验结果进行数据分析、计算而间接获得，所以为了推动我国在疲劳领域的进一步发展，应对实际工程材料及构件工作条件，设计一种针对高速多轴疲劳的试验装置实现长寿命多轴循环疲劳测试成为了必然的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中的不足，目的在于提供一种超声共振多轴弯曲疲劳实验装置，能够进行高速多轴疲劳试验，并且保证试件的疲劳发生位置在十字中心相交处，模拟实际工况下受力状态。

本发明通过下述技术方案实现：

一种超声共振多轴弯曲疲劳实验装置，包括辅助固定连接件，所述辅助固定连接件的一端连接有试件，试件与辅助固定连接件可拆式连接，所述试件为长板和短板垂直相交形成的十字型结构，试件的四个交叉处均设有弧形开口，试件的长板包括加载段和试验段，所述加载段与辅助固定连接件连接，弧形开口均位于试验段内；所述试件和辅助固定连接件分别满足20KHz共振频率，并且试件与辅助固定连接件连接固紧后仍满足20KHz共振频率，其中辅助固定连接件为纵波振动模态，试件为横波振动模态，试件长板方向长度的计算公式为：0.0088*(EI/ρ)^1/4，满足20KHz二阶横波振动模态共振频率条件；试件短板方向长度的计算公式为：0.0053*(EI/ρ)^1/4，满足20KHz一阶横波振动模态共振频率条件；辅助固定连接件长度的计算公式为：0.000025*(EI/ρ)^1/2，满足20KHz纵波振动模态共振频率条件，以上三个计算式中E为对应部件的材料动态弹性模量、I为对应部件的截面惯性矩、ρ为对应部件的材料密度。在20KHz实验频率下，长板处于二阶共振状态有两个最大振动位移位置，短板位于一阶共振有一个最大共振位移位置；短板最大共振位移位置与长板共振最大位移位置为十字交叉中心；以上连接方式和尺寸，保证在第一连接孔处为协调位移条件。

进一步地，所述试件的加载段设有两个第一连接孔，第一连接孔位于加载段中部，第一连接孔内均设有连接件，所述辅助固定连接件朝向试件方向的端面上设有两个第二连接孔，并且连接件均通过螺纹与第二连接孔连接。

进一步地，所述辅助固定连接件的另一端上还设有第三连接孔，第三连接孔内设有连接杆，连接杆一端通过螺纹与第三连接孔连接，另一端上设有用于与疲劳加载机连接的连接块。

进一步地，所述第三连接孔位于辅助固定连接件的轴线上。

进一步地，所述试验段的两个面板上均还设有截面为圆形的凹槽，并且凹槽位于弧形开口的中央位置处。

进一步地，所述弧形开口的内壁上均设有冲压成型的倒角。以引入残余应力，避免疲劳裂纹从倒角处产生。

进一步地，所述连接块能够与以20KHz超声振动的疲劳加载机连接。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种超声共振多轴弯曲疲劳实验装置，各主要部件均可在20KHz频率下共振，实现了各部件的协同振动，达到快速完成超高周次循环载荷的多轴加载；

2、本发明一种超声共振多轴弯曲疲劳实验装置，用于实验的试件采用非完全对称正交共振试件设计，使试件能够在悬臂连接形式下实现两个方向的横波振动，在试件因两个方向的超声频率振动弯曲产生快速的多轴疲劳加载状态，保证试件的疲劳断裂发生位置在多轴受力状态的十字中心相交处；

3、本发明一种超声共振多轴弯曲疲劳实验装置，超声振动疲劳试验时，采用多螺孔将试件与辅助固定连接件连接，降低了加载位置的应力集中，最大限度降低了紧固连接对振动模态的影响，防止试件在加载段(即非试验段)断裂；

4、本发明一种超声共振多轴弯曲疲劳实验装置，试件与辅助固定连接件的配合位置，实现了基于往复弯曲变形的单一接触的固定连接自由振动状态疲劳加载。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明试件的结构示意图；

图3为本发明辅助固定连接件的结构示意图；

图4为本发明辅助固定连接件的另一种状态时的结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-试件，2-辅助固定连接件，3-连接块，4-连接件，5-第一连接孔，6-弧形开口，7-凹槽，8-第二连接孔，9-第三连接孔，10-加载段，11-倒角，12-试验段。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1至图4所示，本发明一种超声共振多轴弯曲疲劳实验装置，包括辅助固定连接件2，所述辅助固定连接件2的一端设有第三连接孔9，第三连接孔9位于辅助固定连接件2的轴线上，所述第三连接孔9内设有连接杆，连接杆通过螺纹与第三连接孔9连接，所述连接杆一端通过螺纹与第三连接孔9连接，另一端上设有连接块3，连接块与连接杆为一体结构，通过设置的连接杆能够使得连接块3能够快速与辅助固定连接件2进行装卸，所述连接块3能够与疲劳加载机的连接处连接，保证辅助固定连接件2能够安装在疲劳加载机上，连接块3为圆锥结构，通过修改辅助固定件上的第三连接孔9，使得连接块3能够与现有的多种疲劳相匹配，无需购买专门的实验驱动设备，具有较广泛的适用性。

所述辅助固定连接件2的另一端上还设有试件1，所述试件1为长板和短板垂直相交形成的十字型板状结构，试件1以薄片的钢材为例，所述试件1长板的长度为38.6mm，宽度为15mm，厚度为2mm，所述试件短板的长度为22mm，宽度为15mm，厚度为2mm，所述长板满足二阶横波共振模态，短板满足一阶横波共振模态，在规定的20KHz实验频率下，长板处于二阶共振状态有两个最大振动位置，短板处于一阶共振有一个最大共振位移位置，短板最大共振位移位置与长板共振最大位移位置为十字交叉中心；所述试件1的长板按功能的不同可以被划分为加载段10和试验段12，加载段10用于试件通过辅助固定连接件2与加载装置连接，连接位置为长板的其中一个最大振动位移产生位置，原因在于此位置在共振实验时，侧向看切线始终与水平方向平行，与辅助固定连接件2自然贴合的最后，最大程度减小了紧固连接对振动模态的影响，所述加载段10上设有两个第一连接孔5，所述第一连接孔5内均设有连接杆4，所述连接杆4为螺钉，所述辅助固定连接件2朝向试件1方向的末端上还设有两个与第一连接孔5匹配的第二连接孔8，并且连接杆4能够通过螺纹与第二连接孔8连接，实现快速将试件1装配在辅助固定连接件2上，试件1与辅助固定连接件为采用双螺孔设计，不仅保证了试件在加载过程中的全固定，还减小了试件加载处的应力集中，防止试件1在加载处断裂。

所述试验段12为试件1疲劳断裂的产生和观察实验结果的位置，通过设计使得短板与长板的最大振动位移在垂直相连处重合，使得试件在此处的振动位移和应力有明显的集中；十字型结构的试件1的四个交叉处均设有弧形开口6，四个弧形开口6的形状一致，并且弧形开口均位于试验段12，所述试件1的弧形开口6的内壁上均设有冲压形成的倒角11，即将四个弧形开口6的弧形侧边均通过打磨倒角处理并引入残余压应力，通过冲压倒角尽量减小试件1除了试验段十字交叉中心之外位置的应力集中，所述试件1的试验段12的两个面板上均设有凹槽7，凹槽7为圆形结构，并且凹槽7位于四个弧形开口6的中央位置处，凹槽7为打磨形成的凹陷，即对四个弧形开口6中央位置处的试验段12进行打薄处理，进一步深度试验段12的应力，保证试件试验段12的中心相交处为疲劳断裂的产生位置，通过观察实验段以达到对超高频多轴疲劳领域进行研究的目的。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种超声共振多轴弯曲疲劳实验装置，其特征在于，包括辅助固定连接件(2)，所述辅助固定连接件(2)的一端连接有试件(1)，试件(1)与辅助固定连接件(2)可拆式连接，所述试件(1)为长板和短板垂直相交形成的十字型结构，试件(1)的四个交叉处均设有弧形开口(6)，试件(1)包括加载段(10)和试验段(12)，加载段(10)位于长板上，并且加载段(10)与辅助固定连接件(2)连接，弧形开口(6)均位于试验段(12)内；所述试件(1)和辅助固定连接件(2)分别满足20KHz共振频率，并且试件(1)与辅助固定连接件(2)连接固紧后仍满足20KHz共振频率，其中辅助固定连接件(2)为纵波振动模态，试件(1)为横波振动模态，试件(1)长板方向为二阶横波振动模态，短板方向为一阶横波振动模态；在20KHz实验频率下，长板处于二阶共振状态有两个最大振动位移位置，短板位于一阶共振有一个最大共振位移位置；短板最大共振位移位置与长板共振最大位移位置为十字交叉中心；

所述试件(1)的加载段(10)设有两个第一连接孔(5)，第一连接孔(5)位于加载段(10)的中间位置，第一连接孔(5)内均设有连接件(4)，所述辅助固定连接件(2)朝向试件(1)方向的端面上设有两个第二连接孔(8)，并且连接件(4)均通过螺纹与第二连接孔(8)连接；

所述辅助固定连接件(2)的另一端上还设有第三连接孔(9)，第三连接孔(9)内设有连接杆，连接杆一端通过螺纹与第三连接孔(9)连接，另一端上设有用于与疲劳加载机连接的连接块(3)。

2.根据权利要求1所述的一种超声共振多轴弯曲疲劳实验装置，其特征在于，所述第三连接孔(9)位于辅助固定连接件(2)的轴线上。

3.根据权利要求1所述的一种超声共振多轴弯曲疲劳实验装置，其特征在于，所述试验段的两个面板上均还设有截面为圆形的凹槽(7)，并且凹槽(7)位于弧形开口(6)的中央位置处。

4.根据权利要求1所述的一种超声共振多轴弯曲疲劳实验装置，其特征在于，所述弧形开口(6)的内壁上均设有冲压成型的倒角(11)。

5.根据权利要求1所述的一种超声共振多轴弯曲疲劳实验装置，其特征在于，所述连接块(3)能够与以20KHz超声振动的疲劳加载机连接。