CN110542525B - 一种金属轴向共振状态下的振动疲劳性能测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的金属轴向共振状态下的振动疲劳性能测试方法，包括步骤：选取试验件，贴应变片，测定试验件在共振状态下的响应加速度‑应变/应力关系；结合规划的应力水平，计算出试验件正式试验时的响应加速度；对试验件进行模态测试获取轴向振动的固有频率点和响应幅值比；根据固有频率点，设置激励频率，根据试验所测得的响应幅值比，计算出激振加速度；试验时微调实时的激振加速度值，使目标响应加速度变化在±2％；设置谐振搜索与共振驻留程序，使试验件在试验过程中保持共振状态，当试验件的响应加速度突降或者试验件断裂，试验停止；获取试验停止时的振动系统循环次数。本发明采用振动方式对金属材料进行轴向疲劳试验，能大大缩短试验周期。

Description

一种金属轴向共振状态下的振动疲劳性能测试方法

技术领域

本发明属于共振疲劳技术领域，具体涉及一种金属轴向共振状态下的振动疲劳性能测试方法。

背景技术

在地面操作以及空中飞行中，飞机上的某些部位始终处于气动载荷与噪声环境中，由于噪声与气动载荷的激励，在这些部位产生随机振动应力。有些结构如舵面、平尾、垂尾、腹鳍以及外挂架等，由于扰流作用也会产生振动应力。由于受这种振动应力的作用而产生的疲劳现象为振动疲劳。

解决结构动态疲劳涉及的问题很多，动态疲劳分析是其中的重要问题之一。为了对结构进行动态疲劳分析，需要动态疲劳SN曲线。一般来说，动态疲劳SN曲线必须通过动态疲劳试验来测定。动态疲劳试验可在振动台上进行。

当结构处于共振状态下时的响应程度比未处在共振状态下要剧烈得多，且结构的疲劳破坏往往是在共振状态下产生的。

目前广泛使用的液压伺服疲劳试验机的工作频率在几十到一百赫兹左右。多数零件在工作中会承受较高频率的载荷，而普通疲劳试验机往往达不到这样的高频输出，因此试验结果同实际工作寿命可能存在有一定的差异性，因此需要改变原有的疲劳性能测试方法，提升载荷频率，以便能使材料所测得的疲劳性能能直接使用到实际的工况当中。

此外，假设试验频率为50Hz，要想完成10⁷次循环，总试验时间大概需要两天半；如果进行超高周疲劳试验，则需要更长的时间，由此来看，普通疲劳试验需要的时间成本较高。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种金属轴向共振状态下的振动疲劳性能测试方法，使得试样件在轴向方向处于共振状态成为了可能，进而实现了在轴向测量其疲劳性能。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种金属轴向共振状态下的振动疲劳性能测试方法，包括以下步骤：

(1)选取试验件，贴应变片，测定试验件在共振状态下的响应加速度-应变/应力关系；

(2)根据响应加速度-应变/应力关系，结合规划的应力水平，计算出试验件正式试验时的响应加速度；

(3)对试验件进行模态测试获取试样轴向振动的固有频率点以及响应幅值比；

(4)根据试验件所测得的固有频率点，设置激励频率，根据试验件所测得的响应幅值比，计算出激振加速度；

(5)试验时结合试验件实时的激振加速度值进行微调，以使试验件在试验过程中的目标响应加速度变化在±2％以内；

(6)设置谐振搜索与共振驻留程序，使试验件在试验过程中保持共振状态，当试验件的响应加速度突降或者试验件断裂，试验停止；获取试验停止时的振动系统循环次数。

本发明进一步设置为，在步骤(1)中，选取试验件的方法为：获取试验件的屈曲值以及模态参数，以确定试验件是否可用于轴向共振状态振动疲劳性能测试试验。

本发明进一步设置为，在步骤(3)中，获取试样轴向振动的固有频率点以及响应幅值比的方法包括：

第一步，对所述试验件进行共振探查，获得所述试验件的共振频率点，以及该点的响应加速度值；

第二步，计算第i次(1≤i≤n)所述质量块上的所述加速度传感器的响应加速度差值的极值，差值的极值与多个响应加速度的平均值比值即为x_i，对单次计算的平均值比值进行平方运算，即为x_i ²，再将n次(n≥3)共振探查的平均值比值平方值求和再开根方，即

如果得到的值在1％以内，即Y≤1％，表明所述试验件的响应同轴度良好，反之，则表明所述试验件的响应同轴度不好。

本发明进一步设置为，对所述试验件进行共振探查的方法为正弦扫频探查，先进行预探查，后进行正式探查，控制元素包含：控制加速度、扫频范围、扫频速率、扫频循环次数；预探查的控制加速度为0.1-2g，扫频范围为5-2000Hz，扫频速率0.5-2Oct/min，一次扫频循环，包括正向一次和反向一次，获取正、反向扫频的共振频率点和该点的响应加速度值；正式探查的控制参数根据预探查的结果，调整控制加速度大小、频率范围、扫频速率。

本发明进一步设置为，对所述试验件进行共振探查的方法为随机探查方法，先进行预探查，后进行正式探查，控制元素包含：控制功率谱密度值、频率范围、振动持续时间；预探查的控制功率谱密度值0.001-0.05g²/Hz，频率范围为5-2000Hz的白噪声谱，试验件响应稳定后的振动持续时间30-120秒，获得试验件的共振频率点以及相应的响应加速度值；正式探查的控制参数根据预探查的结果，调整控制功率谱密度值大小、频率范围大小，试验件响应稳定后的振动持续时间。

本发明进一步设置为，在步骤(1)中，在试验件的固有频率点上，输入不少于3个不同激振加速度，其不同的响应水平包含材料的高低周疲劳性能，每个激振加速度在试验件稳定后采集多次循环周期的应变数据，然后拟合响应加速度-应变关系；

根据响应加速度-应变关系，根据公式(一)计算出响应加速度-应力关系：

σ＝E·ε (一)

式中：σ为应力，E为材料的弹性模量，ε为试验件实测的应变。

本发明进一步设置为，每个激振加速度在试验件稳定后采集1000-10000次循环周期的应变数据。

本发明进一步设置为，根据响应加速度-应力关系以及规划的应力水平，获取试验时试验件的响应加速度值，然后执行第一步和第二步，获取试样的轴向固有频率点以及响应幅值比，得到正式试验时的激振加速度以及频率值。

本发明进一步设置为，根据所测得的试验件的激振加速度和频率值，设置谐振搜索与共振驻留程序：

a.试验件固有频率点±10Hz；

b.根据相应的应力水平和幅值比计算出激振加速度，恒控制激振加速度值；

c.采用-90°相位跟踪。

本发明进一步设置为，获取试验停止时的振动系统循环次数后，拟合SN曲线或者gN曲线。

本发明具有以下有益效果：本发明采用振动方式对金属材料进行轴向疲劳试验，能大大缩短试验周期。

附图说明

图1为升降图；

图2为疲劳S-N曲线拟合示意图；

图3为应变-响应加速度关系图；

图4为7050轴向共振疲劳SN曲线；

图5为本发明实施例的金属轴向共振状态下的振动疲劳性能测试方法的流程图；

图6为本发明实施例应用中的轴向共振疲劳测试系统的示意图；

图7为本发明实施例应用中的轴向共振疲劳测试装置的结构示意图；

图8为图7的轴向共振疲劳测试装置的剖面图。

其中，1、振动台；2、安装底板；3、试样支撑框架；4、试样件；5、预紧螺栓；6、质量块；7、安装孔；8、限位杆；9、限位孔；10、缓冲环；11、轴用锁紧挡圈；12、第一防松螺母；13、第二防松螺母；14、振动控制仪；15、功率放大器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的一种金属轴向共振状态下的振动疲劳性能测试方法，可参见图5，包括以下步骤：

S1：结合材料所处的振动环境以及材料物理性能参数，设计轴向试样件形式以及尺寸，具体的，在试样加工完成后，可采用光学仪器检查缺口的形状和尺寸，要求试样实际尺寸在图纸公差范围之内，表面粗糙度需满足图纸要求，不存在可检的裂纹或明显缺陷。

再通过有限元软件，获取试验件的屈曲值以及模态参数，以确定试验件是否可用于轴向共振状态振动疲劳性能测试试验。在选取适合的试样件后，选取部分试样件的试验段上粘贴至少2个应变片，需保证应变片的方向与试样轴向方向一致，且对称分布，测定试验件在共振状态下的响应加速度-应变/应力关系；

S2：根据响应加速度-应变/应力关系，结合规划的应力水平，计算出试验件正式试验时的响应加速度；

S3：对试验件进行模态测试获取试样轴向振动的固有频率点以及响应幅值比；

S4：根据试验件所测得的固有频率点，设置激励频率，根据试验件所测得的响应幅值比，计算出激振加速度；

S5：试验时结合试验件实时的激振加速度值进行微调，以使试验件在试验过程中的目标响应加速度变化在±2％以内；

S6：设置谐振搜索与共振驻留程序，使试验件在试验过程中保持共振状态，当试验件的响应加速度突降，如3dB，或者试验件断裂，试验停止；获取试验停止时的振动系统循环次数。获取试验停止时的振动系统循环次数后，拟合SN曲线或者gN曲线。

具体的，在步骤(1)中，在试验件的固有频率点上，输入不少于3个不同激振加速度，其不同的响应水平包含材料的高低周疲劳性能，每个激振加速度在试验件稳定后采集多次循环周期的应变数据，然后拟合响应加速度-应变关系；

根据响应加速度-应变关系，根据公式(一)计算出响应加速度-应力关系：

σ＝E·ε (一)

式中：σ为应力，E为材料的弹性模量，ε为试验件实测的应变。

每个激振加速度在试验件稳定后采集1000-10000次循环周期的应变数据。

根据响应加速度-应力关系以及规划的应力水平，获取试验时试验件的响应加速度值，然后执行第一步和第二步，获取试样的轴向固有频率点以及响应幅值比，得到正式试验时的激振加速度以及频率值。

根据所测得的试验件的激振加速度和频率值，设置谐振搜索与共振驻留程序：

a.试验件固有频率点±10Hz；

b.根据相应的应力水平和幅值比计算出激振加速度，恒控制激振加速度值；

c.采用-90°相位跟踪。

具体的，在步骤(3)中，获取试样轴向振动的固有频率点以及响应幅值比的方法包括：

第一步，对试验件进行共振探查，获得试验件的共振频率点，以及该点的响应加速度值；

第二步，计算第i次(1≤i≤n)质量块上的加速度传感器的响应加速度差值的极值，差值的极值与多个响应加速度的平均值比值即为x_i，对单次计算的平均值比值进行平方运算，即为x_i ²，再将n次(n≥3)共振探查的平均值比值平方值求和再开根方，即

如果得到的值在1％以内，即Y≤1％，表明试验件的响应同轴度良好，反之，则表明试验件的响应同轴度不好。

对试验件进行共振探查的方法为正弦扫频探查，先进行预探查，后进行正式探查，控制元素包含：控制加速度、扫频范围、扫频速率、扫频循环次数；预探查的控制加速度为0.1-2g，扫频范围为5-2000Hz，扫频速率0.5-2Oct/min，一次扫频循环，包括正向一次和反向一次，获取正、反向扫频的共振频率点和该点的响应加速度值；正式探查的控制参数根据预探查的结果，调整控制加速度大小、频率范围、扫频速率。

对试验件进行共振探查的方法为随机探查方法，先进行预探查，后进行正式探查，控制元素包含：控制功率谱密度值、频率范围、振动持续时间；预探查的控制功率谱密度值0.001-0.05g²/Hz，频率范围为5-2000Hz的白噪声谱，试验件响应稳定后的振动持续时间30-120秒，获得试验件的共振频率点以及相应的响应加速度值；正式探查的控制参数根据预探查的结果，调整控制功率谱密度值大小、频率范围大小，试验件响应稳定后的振动持续时间。

以下内容为结合上述方法进行的具体操作实例，以便对本发明进行更具体的说明。

在本发明中，试验数据处理方法可采用成组法与升降法数据处理。

其中，成组法中值对数疲劳寿命

按式(1)计算：

式中：N_i为每组试验中第i个试样的疲劳寿命；n为每组试样个数；N₅₀为具有50％存活率的疲劳寿命。

疲劳寿命的标准偏差S计算式为：

变异系数C_v为：

升降法测定材料10⁷次的疲劳强度，试验时需画出升降图，如图1所示。升降图中应力水平4级左右，至少5对升降对。将结果列入表格中，如表1所示。

表1升降法结果表(示例)

中值疲劳极限

为：

本发明中，描述疲劳S-N曲线通常用线性模型与非线性模型对S-N曲线进行拟合，两种模型表达式为：

线性模型：

lgN＝A₁+A₂S_max (4)

lgN＝A₁+A₂lgS_max (5)

非线性模型：

lgN＝A₁+A₂(S_max-S₀) (6)

lgN＝A₁+A₂lg(S_max-S₀) (7)

式中，A₁，A₂为材料在一定应力集中系数和应力比(或平均应力)下的S-N曲线形状常数；S₀为材料一定应力集中系数和应力比(或平均应力)下的疲劳极限。

对于非线性模型，令X＝lgN，Y＝S_max-S₀(或Y＝lg(S_max-S₀))，则式(7)可写成

X＝A₁+A₂Y (8)

按最小二乘法可得S-N曲线形状参数及其与试验数据的相关系数。

以上各式中

L_YY、L_YX均与S₀有关，是S₀的函数，则A₁、A₂和r也是S₀的函数，且所求S₀必须使相关系数绝对值|r(S₀)|取最大值，因此可有以下条件求得S₀：

或

因为

所以有

令

将式(16)和(17)代入式(15)，则

设

设

为S₀的预估值，则当

时，

而当

时，

又因为S₀必位于区间[0，S′₀)内，S′₀为数据点应力的S_i(i＝1,2,…,n)最小值，所以可以很容易地用二分法求得S₀。求得a、b和S₀后，通过式(9)和(10)可求出A₁和A₂。按上述数据处理方法，处理数据得到S-N曲线。

将试验所得所有数据描在应力-寿命图上，应力纵轴采用线性坐标，疲劳寿命横轴采用对数坐标；寿命越出10⁷次的点需加上小箭头。对每一应力比的每组试验结果绘制一条曲线。将同一温度条件下，不同应力比的S-N曲线绘制在一张图上，并对疲劳强度进行比较。图2给出了一个图形报告的示例。

本发明得到的试验结果：

加速度和应变关系标定：轴向振动响应加速度与应变关系如图3所示，由图可以看出，加速度响应值与应变响应值呈正相关线性关系。

本发明的轴向振动疲劳试验数据结果如表2所示，由表2可知，成组法试验数据均满足95％置信度要求，而且变异系数值较小，说明数据分散性小，试验数据可靠。

表2轴向振动疲劳试验数据

表3轴向振动疲劳试验S-N曲线拟合公式结果

根据试验结果和数据处理方法，获得轴向振动试验S-N曲线如图4所示，S-N曲线拟合方程如表3所示。

本发明的方法是一种通用的方法，可应用于各种测试系统中，例如作为一种与本发明的方法相适应的轴向共振疲劳测试系统，参见图6，包括轴向共振疲劳测试装置、振动控制仪14和加速度传感器，振动控制仪14连接着振动台1并为振动台1提供振动信号，振动控制仪14和振动台1之间连接着功率放大器15。振动台1产生振动并传递给试样件；振动台1上设置有至少一个加速度传感器，在质量块的对称位置设置有多个加速度传感器，质量块上的加速度传感器质量相等、均匀对称分布。

上述的轴向共振疲劳测试装置，可参见图7和图8，包括振动台1、安装底板2、试样支撑框架3、试样件4、预紧螺栓5和质量块6，安装底板2固定在振动台1上，试样支撑框架3为倒U字形，试样支撑框架3的底部固定在安装底板2上，试样支撑框架3的中间开有安装孔7，预紧螺栓5从安装孔7的上部装入，试样件4从安装孔7的下部装入，试样件4的顶部抵在预紧螺栓5的底部，试样件4的底部固定在质量块6上，质量块6位于试样支撑框架3的倒U字形空间内，质量块6固定在安装底板2上。

为了防止试样在振动过程中出现摇摆的现象，使用限位杆8用于限制试样件4的大幅摆动，参见图7和图8。两个限位杆8穿过质量块6，限位杆8对称的位于试样件4的两侧，限位杆8的顶部和底部分别固定在试样支撑框架3和安装底板2上。质量块6上开有两个限位孔9，限位杆8穿过限位孔9。进一步的，质量块6顶部和底部的限位杆8上均装有起缓冲作用的缓冲环10，缓冲环10的外侧装有其防冲撞的轴用锁紧挡圈11。试样件4的上部装有用于锁紧试样支撑框架3的第一防松螺母12，试样件4的下部装有用于锁紧质量块6的第二防松螺母13

限位杆8与限位孔9之间留有缝隙，限位杆8的作用有三个，一是如果振动过于剧烈或者试样件4的同轴性度不好，容易出问题，限位杆8与试样件4不接触，能很好的防止试样件大幅摆动；二是在试样件4断裂后，质量块6容易飞出，限位杆8限制了质量块6飞出；三是能保护振动台1。优选的，限位杆8的直径比限位孔9的直径小至少1mm。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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 (8)

1.一种金属轴向共振状态下的振动疲劳性能测试方法，适用于轴向共振疲劳测试装置，包括振动台、安装底板、试样支撑框架、试样件和质量块，安装底板固定在振动台上，试样支撑框架的底部固定在安装底板上，试样件位于试样支撑框架内，试样件的底部固定在质量块上，质量块位于安装底板上方，其特征在于，振动疲劳性能测试方法包括以下步骤：

(1)选取试验件，贴应变片，测定试验件在共振状态下的响应加速度-应变/应力关系；

(2)根据响应加速度-应变/应力关系，结合规划的应力水平，计算出试验件正式试验时的响应加速度；

(3)对试验件进行模态测试获取试样轴向振动的固有频率点以及响应幅值比；

获取试样轴向振动的固有频率点以及响应幅值比的方法包括：

第一步，对所述试验件进行共振探查，获得所述试验件的共振频率点，以及该点的响应加速度值；

第二步，计算第i次(1≤i≤n)所述质量块上的加速度传感器的响应加速度差值的极值，差值的极值与多个响应加速度的平均值比值即为x_i，对单次计算的平均值比值进行平方运算，即为x_i ²，再将n次(n≥3)共振探查的平均值比值平方值求和再开根方，即

如果得到的值在1％以内，即Y≤1％，表明所述试验件的响应同轴度良好，反之，则表明所述试验件的响应同轴度不好；

根据响应加速度-应力关系以及规划的应力水平，获取试验时试验件的响应加速度值，然后执行第一步和第二步，获取试样的轴向固有频率点以及响应幅值比，得到正式试验时的激振加速度以及频率值；

(4)根据试验件所测得的固有频率点，设置激励频率，根据试验件所测得的响应幅值比，计算出激振加速度；

(5)试验时结合试验件实时的激振加速度值进行微调，以使试验件在试验过程中的目标响应加速度变化在±2％以内；

(6)设置谐振搜索与共振驻留程序，使试验件在试验过程中保持共振状态，当试验件的响应加速度突降或者试验件断裂，试验停止；获取试验停止时的振动系统循环次数。

2.根据权利要求1所述的振动疲劳性能测试方法，其特征在于，在步骤(1)中，选取试验件的方法为：获取试验件的屈曲值以及模态参数，以确定试验件是否可用于轴向共振状态振动疲劳性能测试试验。

3.根据权利要求1所述的振动疲劳性能测试方法，其特征在于：对所述试验件进行共振探查的方法为正弦扫频探查，先进行预探查，后进行正式探查，控制元素包含：控制加速度、扫频范围、扫频速率、扫频循环次数；预探查的控制加速度为0.1-2g，扫频范围为5-2000Hz，扫频速率0.5-2Oct/min，一次扫频循环，包括正向一次和反向一次，获取正、反向扫频的共振频率点和该点的响应加速度值；正式探查的控制参数根据预探查的结果，调整控制加速度大小、频率范围、扫频速率。

4.根据权利要求1所述的振动疲劳性能测试方法，其特征在于：对所述试验件进行共振探查的方法为随机探查方法，先进行预探查，后进行正式探查，控制元素包含：控制功率谱密度值、频率范围、振动持续时间；预探查的控制功率谱密度值0.001-0.05g²/Hz，频率范围为5-2000Hz的白噪声谱，试验件响应稳定后的振动持续时间30-120秒，获得试验件的共振频率点以及相应的响应加速度值；正式探查的控制参数根据预探查的结果，调整控制功率谱密度值大小、频率范围大小，试验件响应稳定后的振动持续时间。

5.根据权利要求2所述的振动疲劳性能测试方法，其特征在于，在步骤(1)中，在试验件的固有频率点上，输入不少于3个不同激振加速度，其不同的响应水平包含材料的高低周疲劳性能，每个激振加速度在试验件稳定后采集多次循环周期的应变数据，然后拟合响应加速度-应变关系；

根据响应加速度-应变关系，根据公式(一)计算出响应加速度-应力关系：

σ＝E·ε (一)

式中：σ为应力，E为材料的弹性模量，ε为试验件实测的应变。

6.根据权利要求5所述的振动疲劳性能测试方法，其特征在于，每个激振加速度在试验件稳定后采集1000-10000次循环周期的应变数据。

7.根据权利要求1所述的振动疲劳性能测试方法，其特征在于，根据所测得的试验件的激振加速度和频率值，设置谐振搜索与共振驻留程序：

a.试验件固有频率点±10Hz；

b.根据相应的应力水平和幅值比计算出激振加速度，恒控制激振加速度值；

c.采用-90°相位跟踪。

8.根据权利要求1所述的振动疲劳性能测试方法，其特征在于，获取试验停止时的振动系统循环次数后，拟合SN曲线或者gN曲线。

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