CN109883833B - 拉伸-弯曲复合载荷下材料疲劳力学性能测试装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种拉伸‑弯曲复合载荷下材料疲劳力学性能测试装置与方法，属于精密科学仪器及材料测试领域。包括隔振基座、支撑框架、超声加载模块、液压加载模块、拉伸加载模块、超声探伤模块，支撑框架与隔振基座相连，液压加载模块通过连接法兰与支撑框架相连，超声加载模块通过螺纹与液压加载模块相连，拉伸加载模块、超声探伤模块设置在隔振基座上。优点在于：可实现高频率、高载荷的跨量程加载；可实现超高频弯曲疲劳加载和拉伸‑弯曲静动态复合载荷加载；拉伸加载模块能够保证被测材料试样精确对中。可对不同材料、不同尺寸的被测材料试样进行静动态复合载荷下的高频疲劳试验，为航空航天及众多领域关键材料的服役性能分析提供可靠手段。
Description
技术领域
本发明涉及精密科学仪器及材料测试领域，特别涉及一种拉伸-弯曲复合载荷下材料疲劳力学性能测试装置与方法。该装置可进行传统的静态拉伸加载试验、高频弯曲疲劳加载试验、超高频弯曲疲劳加载试验等几种试验，还能够实现频率、载荷跨量程加载下的拉伸-弯曲复合加载高频疲劳试验，对被测材料在试验过程中的裂纹产生与扩展进行原位监测，为揭示被测材料疲劳力学性能变化与外加载荷间的相关性规律和疲劳损伤机制提供测试方法。
背景技术
近几十年来，国家科学技术飞速进步、国民经济蓬勃发展，人们对机械装备在安全性、可靠性以及经济性等方面提出了更为苛刻的要求。疲劳失效在工程实际中极为常见，并且涉及领域极其广泛，据不完全统计，疲劳失效在材料总的失效中占比高达80％左右。尤其在航空、航天以及核工业等关键材料领域，材料在典型服役工况下承受拉伸、弯曲交变载荷以及复合载荷作用，并且频率可高达上千赫兹，导致航空、航天设备和其他关键机械结构的高频疲劳断裂破坏时有发生，造成严重的经济损失。
目前常规的疲劳试验在商业化的电液伺服疲劳试验机、超声疲劳试验机、旋转弯曲疲劳试验机等上进行，只能实现常规的拉伸/压缩疲劳、弯曲疲劳等单一载荷疲劳加载，难以实现多载荷复合加载下的疲劳试验，无法模拟材料在实际服役工况下的复合载荷状态。因此，对于众多领域，尤其是航空、航天以及核工业等关键材料领域，发展关键结构材料的复合载荷作用下的高频疲劳力学性能测试技术并开发高频疲劳力学性能测试装置，已经成为目前亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种拉伸-弯曲复合载荷下材料疲劳力学性能测试装置与方法，解决现有的测试方法不能实现频率、载荷跨量程加载问题以及拉伸-弯曲复合载荷作用下的超高频疲劳加载问题。该装置可进行传统的静态拉伸加载试验、高频弯曲疲劳加载试验、超高频弯曲疲劳试验等几种试验，还能够实现频率、载荷跨量程加载下的拉伸-弯曲复合加载高频疲劳实验，对被测材料在试验过程中的裂纹产生与扩展进行原位监测，为揭示被测材料疲劳力学性能变化与外加载荷间的相关性规律和疲劳损伤机制提供测试方法，为航空、航天及众多领域的关键结构材料的力学性能分析提供了一个可靠的手段。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
拉伸-弯曲复合载荷下材料疲劳力学性能测试装置，装置整体采用四柱立式对称布置，包括隔振基座1、支撑框架2、超声加载模块3、液压加载模块4、拉伸加载模块5、超声探伤模块6，所述支撑框架2通过螺纹与隔振基座1相连，液压加载模块4通过连接法兰与支撑框架2相连，超声加载模块3通过螺纹与液压加载模块4相连，拉伸加载模块5设置在隔振基座1上，超声探伤模块6设置在隔振基座1上。
所述的隔振基座1是：隔振平台11通过螺钉与大理石基座12相连；所述的支撑框架2采用四柱立式结构，上支撑板9通过螺钉与四个立柱7相连，立柱7通过螺纹与隔振基座1相连，连接块c10固定在立柱7上，通过螺钉与液压连接板8相连，实现对装置的稳定支撑。
所述的液压加载模块4具有静态弯曲加载和高频弯曲疲劳加载功能，实现对被测材料试样的静态弯曲加载或0～100Hz高频弯曲疲劳加载；蓄能器22、液压管道25与液压阀板21相连，液压阀板21与高频伺服液压缸24连接；液压缸保护套23与高频伺服液压缸24末端通过螺栓固定，液压法兰盘26与高频伺服液压缸24活塞杆伸出端通过螺栓连接；胀紧套20一端与高频伺服液压缸24的活塞杆末端相连，另一端与拉压力传感器27相连。
所述的超声加载模块3通过连接板16与液压加载模块4相连，实现对超高频弯曲疲劳试样33的20kHz超高频弯曲疲劳加载；超声连接器18与超声换能器17相连，变幅杆13与超声连接器18相连，超声弯曲压头19与变幅杆13相连；超声连接板14固定在超声连接器18的轴肩处，传力杆15一端与连接板16相连，另一端穿过超声连接板14上的通孔，并通过螺母固定。
所述的拉伸加载模块5包含试样对中机构36和穿销式拉弯复合夹具32两个子模块，分别实现对被测材料试样的精确对中及静态拉伸/压缩加载；试样对中机构36和穿销式拉弯复合夹具32均设置在Y移动平台31上，通过手动移动Y移动平台31完成试样对中机构36和穿销式拉弯复合夹具32两个子模块的快速切换。
所述的拉伸加载模块5是：伺服电机28通过电机固定板固定，经联轴器29与固定在丝杠座a30、丝杠座b34上的丝杠a37相连，丝杠座a30、丝杠座b34通过螺栓固定在底座41上；滑块35与精密直线导轨40装配在一起，并固定在底座41上；Y移动平台31与燕尾型导轨38装配在一起，燕尾型导轨38固定在X移动平台39上，X移动平台39与滑块35相连；拉伸加载模块5工作时，伺服电机28经联轴器29将转矩输出给丝杠a37，带动X移动平台39反向运动，实现对被测材料试样的精确对中及静态拉伸加载。
所述的试样对中机构36是：丝杠b53设置在连接块a47、连接块b57上，支撑座56固定在连接块a47、连接块b57上，丝杠定位套筒52固定在丝杠b53两端，调节旋钮b55固定在丝杠b53末端，试样支撑座49固定在连接块a47上，轴向定位块48与丝杠b53装配在一起，导轨59固定在连接块b57、丝杠支撑座b61上；丝杠d46与丝杠c54分别固定在丝杠支撑座a50、丝杠支撑座b61上，花键套45与丝杠d46和丝杠c54装配在一起；调节旋钮c60与丝杠c54末端相连，定位块58与导轨59、丝杠c54装配在一起，两个调节旋钮a51分别与两个定位块58相连。
所述的超声探伤模块6设置在隔振基座1上，在试验时手持超声探伤模块6的超声探头在超高频弯曲疲劳试样33表面扫描，实现试验过程中对超高频弯曲疲劳试样33表面疲劳裂纹的原位监测。
本发明的另一目的在于提供一种拉伸-弯曲复合载荷下材料疲劳力学性能测试方法，当进行拉伸-弯曲复合加载高频疲劳试验时，具体步骤如下：
步骤一：手动调节Y移动平台31将穿销式拉弯复合夹具32移至超声弯曲压头19下方；
步骤二：拉弯复合载荷疲劳试样42承受的静态拉伸载荷由拉伸加载模块5来实现，伺服电机28经联轴器29将转矩输出给丝杠a37，带动X移动平台39相向运动，从而带动穿销式拉弯复合夹具32相向运动，实现对拉弯复合载荷疲劳试样42的静态拉伸/压缩加载；
步骤三：拉弯复合载荷疲劳试样42承受的静态弯曲载荷由液压加载模块4来实现，工作时，高压油经蓄能器22流入电液伺服阀，同时电控系统给定的电信号与从拉压力传感器27输出的反馈信号进行比较，并将此差值放大后送入电液伺服阀，把电信号转化为高压油的流量，输入到高频伺服液压缸24的上下端，驱动活塞杆运动，实现拉弯复合载荷疲劳试样42的静态弯曲加载；
步骤四：拉弯复合载荷疲劳试样42承受的高频弯曲疲劳载荷由液压加载模块4来实现，工作时，高压油经蓄能器22流入电液伺服阀，同时电控系统给定的电信号与从拉压力传感器27输出的反馈信号进行比较，并将此差值放大后送入电液伺服阀，把电信号转化为高压油的流量，输入到高频伺服液压缸24的上下端，驱动活塞杆运动，实现拉弯复合载荷疲劳试样42的0～100Hz高频弯曲疲劳加载。
当进行超高频弯曲疲劳加载试验时，具体步骤如下：
步骤一：手动调节Y移动平台31将试样对中机构36移至超声弯曲压头19下方；
步骤二：超高频弯曲疲劳试样33的精确对中由试样对中机构36来实现，Y移动平台31设置在X移动平台39上，伺服电机28经联轴器29将转矩输出给丝杠d46，带动X移动平台39相向运动，转动调节旋钮c60，带动旋向相反的丝杠d46、丝杠c54旋转，从而带动两定位块58相向移动，完成对被测材料试样在长度方向上对中的粗调与微调；转动调节旋钮b55，带动丝杠b53旋转，从而带动两轴向定位块48相向移动，实现对被测材料试样在宽度方向上的准确对中；
步骤三：超高频弯曲疲劳试样33承受的静态弯曲载荷由液压加载模块4来实现，工作时，高压油经蓄能器22流入电液伺服阀，同时电控系统给定的电信号与从拉压力传感器27输出的反馈信号进行比较，并将此差值放大后送入电液伺服阀，把电信号转化为高压油的流量，输入到高频伺服液压缸24的上下端，驱动活塞杆运动，实现超高频弯曲疲劳试样33的静态弯曲加载；
步骤四：超高频弯曲疲劳试样33承受的20kHz超高频弯曲疲劳载荷由超声加载模块3来实现，超声频率发生器将电源提供的50Hz电信号转化为20kHz的电信号，通过超声换能器17转化为同频率机械振动信号，经过超声连接器18、变幅杆13的两级放大，最终通过超声弯曲压头19实现对超高频弯曲疲劳试样33的20kHz超高频弯曲疲劳加载；
步骤五：超高频弯曲疲劳试样33的原位监测由超声探伤模块6实现，在试验时手持超声探伤模块6的超声探头在超高频弯曲疲劳试样33表面扫描，实现试验过程中对超高频弯曲疲劳试样33表面疲劳裂纹的原位监测。
本发明的有益效果在于：
1、结构新颖，布局紧凑。本发明复合载荷的加载主要是由液压加载模块4、超声加载模块3以及拉伸加载模块5来实现，真实模拟了航空、航天等众多领域关键结构材料服役条件下的典型受力状态，结合超声探伤模块6的超声探伤测试技术，实现对被测材料试样在测试过程中的裂纹产生和扩展现象的原位监测。整机采用模块化设计。依次包括隔振基座1、支撑框架2、超声加载模块3、液压加载模块4、拉伸加载模块5和超声探伤模块6。使设备标准化，利于维护保养。
2、将液压加载和超声加载功能同时集成在材料疲劳性能测试装置上，可进行传统的静态拉伸加载试验、高频弯曲疲劳加载试验、超高频弯曲疲劳试验等几种试验，还能够实现频率、载荷跨量程加载下的拉伸-弯曲复合加载高频疲劳试验。
3、整机的拉伸加载模块包含三个正反牙丝杠，分别由电机驱动以及手动调节来实现对被测材料试样在长度方向上对中的粗调及微调和在宽度方向上的准确对中，可对不同材料、不同尺寸的被测材料试样进行弯曲疲劳试验。
4、整机的拉伸加载模块包含穿销式拉弯复合夹具32和试样对中机构34两个子模块，通过手动调节Y移动平台31即可实现上述两个子模块的切换，从而可实现超高频弯曲疲劳载荷加载和拉伸-弯曲复合载荷下高频疲劳载荷加载两种载荷模式的切换，操作简便，增加了本装置的功能。
5、本发明的拉伸-弯曲复合载荷下材料疲劳力学性能测试方法，能够实现频率、载荷跨量程加载下的拉伸-弯曲复合加载高频疲劳试验，并且能够实时监测被测材料试样裂纹的扩展，弥补了常规材料试验机载荷耦合加载及原位监测上的不足，能够较真实的模拟航空、航天以及核工业等关键材料领域材料的服役状态。
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为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的支撑框架和隔振基座示意图；
图3为本发明的超声加载模块各部分示意图；
图4为本发明的液压加载模块各部分示意图；
图5至图7为本发明的拉伸加载模块各部分示意图；
图8为本发明超声加载模块加载与检测控制系统原理图；
图9为本发明整体检测控制系统架构图；
图10为本发明超声加载模块振动位移与应力的分布图；
图11为本发明拉伸-弯曲高频疲劳复合加载示意图；
图12为本发明超高频弯曲疲劳加载示意图；
图13为本发明单一载荷/复合载荷耦合加载图。
图中：1、隔振基座；2、支撑框架；3、超声加载模块；4、液压加载模块；5、拉伸加载模块；6、超声探伤模块；7、立柱；8、液压缸连接板；9、上支撑板；10、连接块；11、隔振平台；12、大理石基座；13、变幅杆；14、超声连接板；15、传力杆；16、连接板；17、超声换能器；18、超声连接器；19、超声弯曲压头；20、胀紧套；21、液压阀板；22、蓄能器；23、液压缸保护套；24、高频伺服液压缸；25、液压管道；26、液压法兰盘；27、拉压力传感器；28、伺服电机；29、联轴器；30、丝杠座a；31、Y移动平台；32、穿销式拉弯复合夹具；33、超高频弯曲疲劳试样；34、丝杠座b；35、滑块；36、试样对中机构；37、丝杠a；38、燕尾型导轨；39、X移动平台；40、精密直线导轨；41、底座；42、拉弯复合载荷疲劳试样；43、销；44、夹具体；45、花键套；46、丝杠d；47、连接块a；48、轴向定位块；49、试样支撑座；50、丝杠支撑座a；51、调节旋钮a；52、丝杠定位套筒；53、丝杠b；54、丝杠c；55、调节旋钮b；56、支撑座；57、连接块b；58、定位块；59、导轨；60、调节旋钮c；61、丝杠支撑座b。
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7所示，本发明的拉伸-弯曲复合载荷下材料疲劳力学性能测试装置及方法，可实现频率(高频：0～100Hz、超高频：20kHz)、载荷(0～20kN)的跨量程加载；可实现超高频弯曲疲劳加载和拉伸-弯曲静动态复合载荷加载；所设计的拉伸加载模块能够保证被测材料试样精确对中，基于装置提供的一种拉伸-弯曲复合载荷下材料疲劳力学性能测试方法，可对不同材料、不同尺寸的被测材料试样进行静动态复合载荷下的高频疲劳试验，为航空航天及众多领域关键材料的服役性能分析提供可靠手段。装置包括隔振基座1、支撑框架2、超声加载模块3、液压加载模块4、拉伸加载模块5、超声探伤模块6。所述支撑框架2通过螺纹与隔振基座1相连；液压加载模块4通过连接法兰与支撑框架2相连，实现对被测材料试样的高频弯曲疲劳加载；超声加载模块3通过螺纹与液压加载模块4相连，实现对被测材料试样的超高频弯曲疲劳加载；拉伸加载模块5设置在隔振基座1上，实现对被测材料试样的精确对中及静态拉伸加载；超声探伤模块6设置在隔振基座1上，实现对超高频弯曲疲劳试样33的原位监测。该装置可进行传统的静态拉伸加载试验、高频弯曲疲劳加载试验、超高频弯曲疲劳试验等几种传统试验，还能够实现频率、载荷跨量程加载下的拉伸-弯曲复合加载高频疲劳实验。
参见图2所示，本发明的隔振基座1和支撑框架2主要由立柱7、液压缸连接板8、上支撑板9、连接块c10、隔振平台11、大理石基座12组成。其中，隔振平台11通过螺纹与大理石基座12连接，立柱7通过末端螺纹与大理石基座12相连，上支撑板9通过螺钉与立柱相连，连接块c10固定在立柱7上，液压缸连接板8与连接块c10通过螺钉连接。主要用来实现对装置的稳定支撑，以及在试验中提供有效隔振。
参见图3所示，本发明的超声加载模块3主要由变幅杆13、超声连接板14、传力杆15、连接板16、超声换能器17、超声连接器18、超声弯曲压头19组成。其中，超声连接器18通过螺柱与超声换能器17相连，变幅杆13通过螺柱与超声连接器18相连，超声弯曲压头19通过螺柱与变幅杆13相连。超声连接板14固定在超声连接器18的轴肩处，传力杆15一端通过其末端的螺纹与连接板16相连，另一端穿过超声连接板14上的通孔，并通过螺母固定。超声加载模块工作时，超声频率发生器将电源提供的50Hz电信号转化为20kHz的电信号，通过超声换能器17转化为同频率机械振动信号，经过超声连接器18、变幅杆13的两级放大，最终通过超声弯曲压头19实现对超高频弯曲疲劳试样33的超高频(20kHz)弯曲疲劳加载。
参见图4所示，本发明的液压加载模块4主要由胀紧套20、液压阀板21、蓄能器22、液压缸保护套23、高频伺服液压缸24、液压管道25、液压法兰盘26、拉压力传感器27组成。其中，蓄能器22、液压管道25与液压阀板21相连，液压阀板21通过螺栓与高频伺服液压缸24连接。液压缸保护套23与高频伺服液压缸24末端通过螺栓固定，液压法兰盘26与高频伺服液压缸24活塞杆伸出端通过螺栓连接。胀紧套20一端与高频伺服液压缸24的活塞杆末端相连，另一端与拉压力传感器27相连。液压加载模块工作时，从油源输出的高压油经过过滤器，蓄能器22进入电液伺服阀，同时，电控系统给定的电信号与从拉压力传感器27输出的反馈信号进行比较，并将此差值放大后送入电液伺服阀，把电信号转化为高压油的流量，高压油输入到高频伺服液压缸24的上下端，驱动活塞进行运动，经传力杆，再依次传递给超声弯曲压头19，实现被测材料试样的静态弯曲加载或高频弯曲疲劳加载(0～100Hz)。
参见图5所示，本发明的拉伸加载模块5主要用来实现对被测材料试样的精确对中及拉伸加载。其构成包括：伺服电机(含减速器)28、联轴器29、丝杠座30、Y移动平台31、穿销式拉弯复合夹具32、丝杠座30、滑块35、试样对中机构36、丝杠a37、燕尾型导轨38、X移动平台39、精密直线导轨40、底座41。其中，伺服电机28通过电机固定板固定，经联轴器29与固定在丝杠座a30、丝杠座b34上的丝杠a37相连，丝杠座a30、丝杠座b34通过螺栓固定在底座41上。滑块35与精密直线导轨40装配在一起，并通过内六角螺栓固定在底座41上。Y移动平台31与燕尾型导轨38装配在一起，燕尾型导轨38通过螺栓固定在X移动平台39上，X移动平台39通过螺钉与滑块35相连。穿销式拉弯复合夹具32、试样对中机构36通过螺栓与Y移动平台31相连，通过手动调节Y移动平台31可以实现两个模块的切换。拉伸加载模块工作时，伺服电机28经联轴器29将转矩输出给丝杠37，带动X移动平台39反向运动，可实现对被测材料试样的精确对中及静态拉伸加载。
参见图6所示，本发明的穿销式拉弯复合夹具32主要由拉弯复合载荷疲劳试样42、销43、夹具体44组成。销43穿过拉弯复合载荷疲劳试样42、夹具体44上的通孔，并通过螺母固定，主要用于为拉弯复合载荷疲劳试样42提供夹持、支撑作用。
参见图7所示，本发明的试样对中机构36主要用于超高频弯曲疲劳试样33的精确对中。其构成包括：花键套45、丝杠d46、连接块a47、轴向定位块48、试样支撑座49、丝杠支撑座50、调节旋钮a51、丝杠定位套筒52、丝杠b53、丝杠c54、调节旋钮b55、支撑座56、连接块b57、定位块58、导轨59、调节旋钮c60、丝杠支撑座b61。其中，丝杠c54设置在连接块a47、连接块b57上，支撑座56通过螺钉固定在连接块a47、连接块b57上，丝杠定位套筒52固定在丝杠c54两端，调节旋钮b55固定在丝杠c54末端，试样支撑座49通过螺钉固定在连接块a47，轴向定位块48与丝杠c54装配在一起，导轨59固定在连接块b57、丝杠支撑座61上。丝杠d46与丝杠c54分别固定在丝杠支撑座a50、丝杠支撑座b61上，花键套45与丝杠d46和丝杠c54装配在一起。调节旋钮c60与丝杠c54末端相连，定位块58与导轨59、丝杠c54装配在一起，两个调节旋钮a51分别与两个定位块58相连。试样对中机构子模块工作时，伺服电机28经联轴器29将转矩输出给丝杠d46，带动X移动平台39相向运动，转动调节旋钮a51，带动丝杠b53、丝杠c54(二者旋向相反)旋转，带动两定位块58相向移动，完成对被测材料试样在长度方向上对中的粗调与微调；转动调节旋钮b55，带动丝杠b53旋转，带动两轴向定位块48相向移动，实现对超高频弯曲疲劳试样33在宽度方向上的准确对中。
参见图1至图12所示，本发明的拉伸-弯曲复合载荷下材料疲劳力学性能测试方法，用于实现对被测材料静动态复合载荷作用下的高频疲劳力学性能测试，并可实现对被测材料裂纹产生与扩展的原位监测。当进行拉伸-弯曲复合加载高频疲劳试验时，具体步骤如下：
步骤一：手动调节Y移动平台31将穿销式拉弯复合夹具32移至超声弯曲压头19下方。
步骤二：拉弯复合载荷疲劳试样42承受的静态拉伸载荷由拉伸加载模块(5)来实现，伺服电机(含减速器)28经联轴器29将转矩输出给丝杠d46，带动X移动平台39相向运动，从而带动穿销式拉弯复合夹具32相向运动，实现对拉弯复合载荷疲劳试样42的静态拉伸加载。
步骤三：拉弯复合载荷疲劳试样42承受的静态弯曲载荷由液压加载模块4来实现，工作时，高压油经蓄能器22流入电液伺服阀，同时电控系统给定的电信号与从拉压力传感器27输出的反馈信号进行比较，并将此差值放大后送入电液伺服阀，把电信号转化为高压油的流量，输入到高频伺服液压缸24的上下端，驱动活塞杆运动，实现拉弯复合载荷疲劳试样42的静态弯曲加载。
步骤四：拉弯复合载荷疲劳试样42承受的高频弯曲疲劳载荷由液压加载模块4来实现，工作时，高压油经蓄能器22流入电液伺服阀，同时电控系统给定的电信号与从拉压力传感器27输出的反馈信号进行比较，并将此差值放大后送入电液伺服阀，把电信号转化为高压油的流量，输入到高频伺服液压缸24的上下端，驱动活塞杆运动，实现拉弯复合载荷疲劳试样42高频弯曲疲劳加载(0～100Hz)。
当进行超高频弯曲疲劳加载试验时，具体步骤如下：
步骤一：手动调节Y移动平台31将试样对中机构36移至超声弯曲压头19下方。
步骤二：超高频弯曲疲劳试样33的精确对中由试样对中机构36来实现，Y移动平台31设置在X移动平台39上，伺服电机(含减速器)28经联轴器29将转矩输出给丝杠d46，带动X移动平台39相向运动，转动调节旋钮a51，带动丝杠b53、丝杠c54(二者旋向相反)旋转，带动两定位块58相向移动，完成对被测材料试样在长度方向上对中的粗调与微调；转动调节旋钮b55，带动丝杠b53旋转，带动两轴向定位块48相向移动，实现对被测材料试样在宽度方向上的准确对中。
步骤三：超高频弯曲疲劳试样33承受的静态弯曲载荷由液压加载模块4来实现，工作时，高压油经蓄能器22流入电液伺服阀，同时电控系统给定的电信号与从拉压力传感器27输出的反馈信号进行比较，并将此差值放大后送入电液伺服阀，把电信号转化为高压油的流量，输入到高频伺服液压缸24的上下端，驱动活塞杆运动，实现超高频弯曲疲劳试样33的静态弯曲加载。
步骤四：超高频弯曲疲劳试样33承受的超高频(20kHz)弯曲疲劳载荷由超声加载模块3来实现，超声频率发生器将电源提供的50Hz电信号转化为20kHz的电信号，通过超声换能器17转化为同频率机械振动信号，经过超声连接器18、变幅杆13的两级放大，最终通过超声弯曲压头19实现对超高频弯曲疲劳试样33的超高频(20kHz)弯曲疲劳加载。
步骤五：超高频弯曲疲劳试样33的原位监测由超声探伤模块6来实现，在试验时手持超声探伤模块6的超声探头在超高频弯曲疲劳试样33表面扫描，实现试验过程中对超高频弯曲疲劳试样33表面疲劳裂纹的原位监测。
参见图9图10所示，本发明单一载荷/复杂载荷耦合加载的相关公式如下：
1、Y向拉伸条件下
应力σ计算公式：
式中，F1为Y向拉力，A为试件的横截面积，
应变ε计算公式：
式中，Δl为材料样品伸长量，l为被测材料试样原长；
2、Y向压缩条件下
应力σ计算公式：
式中，F2为Y向拉力，A为试件的横截面积，
应变ε计算公式：
式中，Δl为材料样品伸长量，l为被测材料试样原长；
3、Z向三点弯曲条件下
在弹性范围内弯曲时，受拉侧表面的最大弯曲应力计算公式：
式中，M为最大弯矩，W为被测材料试样抗弯截面系数
三点弯曲时：
式中，F3为Z向弯曲力，LS为被测材料试样跨距
圆柱被测材料试样：
矩形被测材料试样：
4、拉伸/压缩-弯曲复合载荷下
被测材料试样的标距中间截面的受拉侧为危险点，根据第三强度理论，危险点相当应力σr3的计算公式为：
式中，Mz为弯矩，Mz为抗弯截面系数，F1为轴向拉伸力，A为被测材料试样的横截面积，M为扭矩，WP为抗扭截面系数；
5、高频疲劳下
低周循环条件下被测材料试样的疲劳寿命公式：
式中，Δε是总应变，Δεe是弹性应变，Δεp是塑性应变，σf ′为疲劳强度系数，b为疲劳强度指数，εf ′为疲劳塑性系数，c疲劳塑性指数，E为被测材料试样的弹性模量；
超高频疲劳条件下被测材料试样的疲劳寿命公式：
σa＝σf ′(2Nf)b
6、超高频疲劳下
超高频弯曲疲劳试样设计公式：
超声弯曲试样的谐振长度L
超声弯曲试样的谐振长度L0
超高频三点弯曲疲劳试样的应力位移系数(单位：MPa/μm)：
式中，h为被测材料试样的厚度，E、ρ分别为被测材料试样的弹性模量和密度，f为谐振频率(20kHz)。
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 (5)
1.一种拉伸-弯曲复合载荷下材料疲劳力学性能测试装置，其特征在于：装置整体采用四柱立式对称布置，包括隔振基座(1)、支撑框架(2)、超声加载模块(3)、液压加载模块(4)、拉伸加载模块(5)、超声探伤模块(6)，所述支撑框架(2)通过螺纹与隔振基座(1)相连，液压加载模块(4)通过连接法兰与支撑框架(2)相连，超声加载模块(3)通过螺纹与液压加载模块(4)相连，拉伸加载模块(5)设置在隔振基座(1)上，超声探伤模块(6)设置在隔振基座(1)上；
所述的液压加载模块(4)具有静态弯曲加载和高频弯曲疲劳加载功能，实现对被测材料试样的静态弯曲加载或0~100 Hz高频弯曲疲劳加载；蓄能器（22）、液压管道（25）与液压阀板（21）相连，液压阀板（21）与高频伺服液压缸（24）连接；液压缸保护套（23）与高频伺服液压缸（24）末端通过螺栓固定，液压法兰盘（26）与高频伺服液压缸（24）活塞杆伸出端通过螺栓连接；胀紧套（20）一端与高频伺服液压缸（24）的活塞杆末端相连，另一端与拉压力传感器（27）相连；
所述的超声加载模块(3)通过连接板(16)与液压加载模块(4)相连，实现对超高频弯曲疲劳试样(33)的20 kHz超高频弯曲疲劳加载；超声连接器（18）与超声换能器17相连，变幅杆（13）与超声连接器（18）相连，超声弯曲压头（19）与变幅杆（13）相连；超声连接板（14）固定在超声连接器（18）的轴肩处，传力杆（15）一端与连接板（16）相连，另一端穿过超声连接板（14）上的通孔，并通过螺母固定；
所述的拉伸加载模块(5)包含试样对中机构(36)和穿销式拉弯复合夹具(32)两个子模块，分别实现对被测材料试样的精确对中及静态拉伸/压缩加载；试样对中机构(36)和穿销式拉弯复合夹具(32)均设置在Y移动平台(31)上，通过手动移动Y移动平台(31)完成试样对中机构(36)和穿销式拉弯复合夹具(32)两个子模块的快速切换；
所述的拉伸加载模块(5)是：伺服电机（28）通过电机固定板固定，经联轴器（29）与固定在丝杠座a（30）、丝杠座b（34）上的丝杠a（37）相连，丝杠座a（30）、丝杠座b（34）通过螺栓固定在底座（41）上；滑块（35）与精密直线导轨（40）装配在一起，并固定在底座（41）上；Y移动平台（31）与燕尾型导轨（38）装配在一起，燕尾型导轨（38）固定在X移动平台（39）上，X移动平台（39）与滑块（35）相连；拉伸加载模块（5）工作时，伺服电机（28）经联轴器（29）将转矩输出给丝杠a（37），带动X移动平台（39）反向运动，实现对被测材料试样的精确对中及静态拉伸加载；
所述的试样对中机构（36）是：丝杠b（53）设置在连接块a（47）、连接块b（57）上，支撑座（56）固定在连接块a（47）、连接块b（57）上，丝杠定位套筒（52）固定在丝杠b（53）两端，调节旋钮b（55）固定在丝杠b（53）末端，试样支撑座（49）固定在连接块a（47）上，轴向定位块（48）与丝杠b（53）装配在一起，导轨（59）固定在连接块b（57）、丝杠支撑座b（61）上；丝杠d（46）与丝杠c（54）分别固定在丝杠支撑座a（50）、丝杠支撑座b（61）上，花键套（45）与丝杠d（46）和丝杠c（54）装配在一起；调节旋钮c（60）与丝杠c（54）末端相连，定位块（58）与导轨（59）、丝杠c（54）装配在一起，两个调节旋钮a（51）分别与两个定位块（58）相连。
2.根据权利要求1所述的拉伸-弯曲复合载荷下材料疲劳力学性能测试装置，其特征在于：所述的隔振基座(1)是：隔振平台(11)通过螺钉与大理石基座(12)相连；所述的支撑框架(2)采用四柱立式结构，上支撑板(9)通过螺钉与四个立柱(7)相连，立柱(7)通过螺纹与隔振基座(1)相连，连接块c(10)固定在立柱(7)上，通过螺钉与液压连接板(8)相连，实现对装置的稳定支撑。
3.根据权利要求1所述的拉伸-弯曲复合载荷下材料疲劳力学性能测试装置，其特征在于：所述的超声探伤模块(6)设置在隔振基座(1)上，在试验时手持超声探伤模块(6)的超声探头在超高频弯曲疲劳试样(33)表面扫描，实现试验过程中对超高频弯曲疲劳试样（33）表面疲劳裂纹的原位监测。
4.一种利用权利要求1所述的拉伸-弯曲复合载荷下材料疲劳力学性能测试装置实现的拉伸-弯曲复合载荷下材料疲劳力学性能测试方法，其特征在于：进行拉伸-弯曲复合加载高频疲劳试验时，具体步骤如下：
步骤一：手动调节Y移动平台(31)将穿销式拉弯复合夹具(32) 移至超声弯曲压头(19)下方；
步骤二：拉弯复合载荷疲劳试样(42)承受的静态拉伸载荷由拉伸加载模块(5)来实现，伺服电机(28)经联轴器(29)将转矩输出给丝杠a(37)，带动X移动平台(39)相向运动，从而带动穿销式拉弯复合夹具(32)相向运动，实现对拉弯复合载荷疲劳试样(42)的静态拉伸/压缩加载；
步骤三：拉弯复合载荷疲劳试样(42)承受的静态弯曲载荷由液压加载模块(4)来实现，工作时，高压油经蓄能器(22)流入电液伺服阀，同时电控系统给定的电信号与从拉压力传感器(27)输出的反馈信号进行比较，并将此差值放大后送入电液伺服阀，把电信号转化为高压油的流量，输入到高频伺服液压缸(24)的上下端，驱动活塞杆运动，实现拉弯复合载荷疲劳试样(42)的静态弯曲加载；
步骤四：拉弯复合载荷疲劳试样(42)承受的高频弯曲疲劳载荷由液压加载模块(4)来实现，工作时，高压油经蓄能器(22)流入电液伺服阀，同时电控系统给定的电信号与从拉压力传感器(27)输出的反馈信号进行比较，并将此差值放大后送入电液伺服阀，把电信号转化为高压油的流量，输入到高频伺服液压缸(24)的上下端，驱动活塞杆运动，实现拉弯复合载荷疲劳试样(42)的0~100 Hz高频弯曲疲劳加载。
5.根据权利要求4所述的拉伸-弯曲复合载荷下材料疲劳力学性能测试方法，其特征在于：进行超高频弯曲疲劳加载试验时，具体步骤如下：
步骤一：手动调节Y移动平台(31)将试样对中机构(36)移至超声弯曲压头(19)下方；
步骤二：超高频弯曲疲劳试样（33）的精确对中由试样对中机构(36)来实现，Y移动平台(31)设置在X移动平台(39)上，伺服电机(28)经联轴器(29)将转矩输出给丝杠d(46)，带动X移动平台(39)相向运动，转动调节旋钮c(60)，带动旋向相反的丝杠d(46)、丝杠c(54)旋转，从而带动两定位块(58)相向移动，完成对被测材料试样在长度方向上对中的粗调与微调；转动调节旋钮b(55)，带动丝杠b(53)旋转，从而带动两轴向定位块(48)相向移动，实现对被测材料试样在宽度方向上的准确对中；
步骤三：超高频弯曲疲劳试样（33）承受的静态弯曲载荷由液压加载模块(4)来实现，工作时，高压油经蓄能器(22)流入电液伺服阀，同时电控系统给定的电信号与从拉压力传感器(27)输出的反馈信号进行比较，并将此差值放大后送入电液伺服阀，把电信号转化为高压油的流量，输入到高频伺服液压缸(24)的上下端，驱动活塞杆运动，实现超高频弯曲疲劳试样（33）的静态弯曲加载；
步骤四：超高频弯曲疲劳试样（33）承受的20 kHz超高频弯曲疲劳载荷由超声加载模块(3)来实现，超声频率发生器将电源提供的50 Hz电信号转化为20 kHz的电信号，通过超声换能器(17)转化为同频率机械振动信号，经过超声连接器(18)、变幅杆(13)的两级放大，最终通过超声弯曲压头(19)实现对超高频弯曲疲劳试样(33)的20 kHz超高频弯曲疲劳加载；
步骤五：超高频弯曲疲劳试样（33）的原位监测由超声探伤模块(6)实现，在试验时手持超声探伤模块(6)的超声探头在超高频弯曲疲劳试样(33)表面扫描，实现试验过程中对超高频弯曲疲劳试样（33）表面疲劳裂纹的原位监测。
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- 2019-03-12 CN CN201910183312.3A patent/CN109883833B/zh active Active
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