CN110376062A - 一种共振式疲劳试验裂纹预置方法 - Google Patents

一种共振式疲劳试验裂纹预置方法 Download PDF

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Abstract

本申请属于航空发动机试验技术领域，涉及一种共振式疲劳试验裂纹预置方法，所述方法包括首先通过标准紧凑拉伸试验，确定标准试验件的柔度与共振频率之间的关系；之后建立待预制裂纹试验件模型，并采用有限元法计算待预制裂纹试验件柔度与裂纹扩展长度之间的关系，根据上述两个关系式确定所述待预制裂纹试验件的裂纹扩展长度与共振频率之间的关系；最后根据预定裂纹长度所对应的共振频率，对待预制裂纹试验件进行裂纹预制。本申请解决了现有裂纹预置方法对于叶片等结构复杂的试验件以及高温和环境模拟试验气氛试验中裂纹长度测量精度差的问题，无需其他测量仪器和设备，适用于各种复杂试验环境。

Description

一种共振式疲劳试验裂纹预置方法
技术领域
本申请属于航空发动机试验技术领域，特别涉及一种共振式疲劳试验裂纹预置方法。
背景技术
航空发动机研制中为了研究零部件的断裂特性以及分析裂纹故障扩展模式，需要在零部件上预置一定长度的裂纹。现有裂纹预置方法一般利用COD规、电位法以及光学显微镜目视测量的办法在裂纹扩展过程中监测裂纹长度。但以上方法只能用于标准试验件或具有规则形状的零部件，不适用于具有结构复杂的试验件；并且以上方法不能用于存在高温、腐蚀气氛等环境模拟实验条件的情况。对于航空发动机叶片等特殊结构的试验件的环境模拟实验中的预置定量裂纹尚没有有效方法。
此外，以上方法都需要专门的测试装置或设备。
发明内容
为解决上述问题，本申请提供了一种共振式疲劳试验裂纹预置方法，利用共振式疲劳试验机裂纹扩展程度与共振频率存在相关性的特点，建立了一种用频率作为表征参量的裂纹长度表征及定量预置方法，该方法适用于在电磁谐振式高周疲劳试验机上开展的疲劳试验。
本申请共振式疲劳试验裂纹预置方法，包括：
步骤S1、通过标准紧凑拉伸试验，确定标准试验件的柔度与共振频率之间的关系；
步骤S2、建立待预制裂纹试验件模型，并采用有限元法计算待预制裂纹试验件柔度与裂纹扩展长度之间的关系；
步骤S3、确定所述待预制裂纹试验件的裂纹扩展长度与共振频率之间的关系；
步骤S4、获取预定裂纹长度，并根据步骤S3确定的关系计算对应的共振频率，并按该共振频率对待预制裂纹试验件进行裂纹预制。
优选的是，所述步骤S1包括：
步骤S11、获取裂纹长度与共振频率之间的关系；
步骤S12、根据标准试验件裂纹长度与柔度关系，确定所述标准试验件的柔度与共振频率之间的关系，所述柔度为相对于载荷加载轴向方向的柔度。
优选的是，步骤S11进一步包括：
根据裂纹扩展试验监测裂纹长度与共振频率；
拟合裂纹长度与共振频率的数学关系式。
优选的是，所述裂纹扩展试验在恒ΔF加载模式下进行。
优选的是，所述步骤S2中建立待预制裂纹试验件模型时，其参数包括裂纹的起始位置、待预制裂纹试验件的材料及环境参数。
优选的是，所述环境参数包括温度。
优选的是，所述步骤S4中，对待预制裂纹试验件进行试验包括：
使所述试验件处于高频状态，此时共振频率为f0；
计算预定裂纹扩展长度对应的共振频率f1；
使共振频率自f0降至f1时试验自动停止。
本申请解决了现有裂纹预置方法对于叶片等结构复杂的试验件以及高温和环境模拟试验气氛试验中裂纹长度测量精度差的问题。
基于常规共振式疲劳试验机，无需其他测量仪器和设备，相对现有方法经济性好，且适用于各种复杂试验环境。
附图说明
图1是本申请共振式疲劳试验裂纹预置方法的流程图。
图2是本申请裂纹长度以及共振频率测试结果示例示意图。
图3是根据图2确定的裂纹长度与共振频率之间的关系示意图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。
本申请提供了一种共振式疲劳试验裂纹预置方法，如图1所示，包括：
步骤S1、通过标准紧凑拉伸试验，确定标准试验件的柔度与共振频率之间的关系；
步骤S2、建立待预制裂纹试验件模型，并采用有限元法计算待预制裂纹试验件柔度与裂纹扩展长度之间的关系；
步骤S3、确定所述待预制裂纹试验件的裂纹扩展长度与共振频率之间的关系；
步骤S4、获取预定裂纹长度，并根据步骤S3确定的关系计算对应的共振频率，并按该共振频率对待预制裂纹试验件进行裂纹预制。
在一些可选实施方式中，所述步骤S1包括：
步骤S11、获取裂纹长度与共振频率之间的关系；
步骤S12、根据标准试验件裂纹长度与柔度关系，确定所述标准试验件的柔度与共振频率之间的关系，所述柔度为相对于载荷加载轴向方向的柔度。
在一些可选实施方式中，步骤S11进一步包括：
根据裂纹扩展试验监测裂纹长度与共振频率；
拟合裂纹长度与共振频率的数学关系式。
本申请中，利用COD规及系统自带的频率监测系统在标准紧凑拉伸试验件(CT试样)的裂纹扩展试验过程几种监测裂纹长度以及共振频率(举例见图2)，据此可以获取两者的对应关系(举例见图3)并拟合出数学关系式。
之后在步骤S12中推导出该实验系统的试验件柔度—共振频率关系，并拟合出柔度—共振频率函数：
f＝F(ct) (1)
其中f为共振频率，c为被测件柔度。
在一些可选实施方式中，所述裂纹扩展试验在恒ΔF加载模式下进行，以避免载荷对频率的影响干扰计算，具体载荷参数的选取可以与步骤S4中正式裂纹预置试验时的载荷一致。
在一些可选实施方式中，所述步骤S2中建立待预制裂纹试验件模型时，其参数包括裂纹的起始位置、待预制裂纹试验件的材料及环境参数。
对试验件裂纹起始位置及扩展形状进行分析和预判，需要说明的是，实际试验时一般采取手段制作初始缺陷以保证裂纹从所要求位置起始；详细扩展特征必要时可采用一件试验件进行初步摸底试验来确定。
综合试验件材料及环境参数，建立试验件模型并采用有限元法计算试验件柔度(相对于载荷加载轴线的柔度)与裂纹扩展长度的关系：
ct＝G(a) (2)
步骤S3中，由以上获得的式(1)、式(2)，即可得出共振频率与裂纹长度关系函数，即以共振频率为参数的裂纹长度预测函数。
f＝T(a) (3)
在一些可选实施方式中，所述环境参数包括温度。
优选的是，所述步骤S4中，对待预制裂纹试验件进行试验包括：
使所述试验件处于高频状态，此时共振频率为f0；
计算预定裂纹扩展长度对应的共振频率f1；
使共振频率自f0降至f1时试验自动停止。
需要说明的是，试验件安装完成后按照规定试验参数开始试验，待频率示数稳定(且此时裂纹未开始明显扩展)时记录共振频率f0，将f0、a0以及预定裂纹扩展长度a1代入式(3)，得到对应的共振频率f1。继续疲劳试验，并设置试验保护条件使共振频率降至f1时试验自动停止。试验停止后对裂纹走向及扩展深度进行确认。
本申请解决了现有裂纹预置方法对于叶片等结构复杂的试验件以及高温和环境模拟试验气氛试验中裂纹长度测量精度差的问题。
基于常规共振式疲劳试验机，无需其他测量仪器和设备，相对现有方法经济性好，且适用于各种复杂试验环境。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种共振式疲劳试验裂纹预置方法，其特征在于，包括：
步骤S1、通过标准紧凑拉伸试验，确定标准试验件的柔度与共振频率之间的关系；
步骤S2、建立待预制裂纹试验件模型，并采用有限元法计算待预制裂纹试验件柔度与裂纹扩展长度之间的关系；
步骤S3、确定所述待预制裂纹试验件的裂纹扩展长度与共振频率之间的关系；
步骤S4、获取预定裂纹长度，并根据步骤S3确定的关系计算对应的共振频率，并按该共振频率对待预制裂纹试验件进行裂纹预制。
2.如权利要求1所述的共振式疲劳试验裂纹预置方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
步骤S11、获取裂纹长度与共振频率之间的关系；
步骤S12、根据标准试验件裂纹长度与柔度关系，确定所述标准试验件的柔度与共振频率之间的关系，所述柔度为相对于载荷加载轴向方向的柔度。
3.如权利要求2所述的共振式疲劳试验裂纹预置方法，其特征在于，步骤S11进一步包括：
根据裂纹扩展试验监测裂纹长度与共振频率；
拟合裂纹长度与共振频率的数学关系式。
4.如权利要求3所述的共振式疲劳试验裂纹预置方法，其特征在于，所述裂纹扩展试验在恒ΔF加载模式下进行。
5.如权利要求1所述的共振式疲劳试验裂纹预置方法，其特征在于，所述步骤S2中建立待预制裂纹试验件模型时，其参数包括裂纹的起始位置、待预制裂纹试验件的材料及环境参数。
6.如权利要求5所述的共振式疲劳试验裂纹预置方法，其特征在于，所述环境参数包括温度。
7.如权利要求1所述的共振式疲劳试验裂纹预置方法，其特征在于，所述步骤S4中，对待预制裂纹试验件进行试验包括：
使所述试验件处于高频状态，此时共振频率为f0；
计算预定裂纹扩展长度对应的共振频率f1；
使共振频率自f0降至f1时试验自动停止。
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