CN110543666B - 一种带孔结构元件低周疲劳性能的试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种带孔结构元件低周疲劳性能的试验方法，首先通过有限元仿真，初步给定带孔元件结构形状与尺寸，输入材料特征曲线进行带圆孔结构板状试样设计，创建CAE几何模型，而计算辅助设计中的边界条件设置则对应元件试验条件的转换，提取计算结果中的应力、应变与变形特征反馈给元件尺寸进行设计优化，形成闭环，通过多轮次修正，确定元件的优化结构与尺寸设计结果。低周疲劳测试通过控制带孔结构元件的最小面积截面应变量以及孔径尺寸进行试验，试样设计中的最小截面尺寸与圆孔直径是试验控制的两个关键因素。本发明提供的带孔结构元件试样及低周疲劳试验方法，能够实现不同材料应用于开孔结构的元件低周疲劳性能评估。

Description

一种带孔结构元件低周疲劳性能的试验方法
技术领域
本发明涉及金属材料非标准试样疲劳性能测试方法研究领域，具体涉及一种带孔结构元件低周疲劳性能的试验方法。
背景技术
目前，对于金属材料本身的疲劳性能测试多采用标准的试样设计与标准的疲劳测试试验方法。然而，对于航空发动机机匣结构，在实际服役过程中，其结构上有很多开孔结构承受不同幅值的低周疲劳载荷，运用基础的材料标准低周疲劳测试数据难以准确评估机匣的带孔结构在不同疲劳载荷下的服役寿命。为了表征材料在带孔结构件不同服役条件下的应用性能，迫切需要在材料与结构设计之间通过元件设计与测试搭建桥梁，从而大幅度提升材料的应用成熟度及带孔结构件设计的疲劳性能准确评估，实现结构材料元件的性能考核验证。
带孔结构元件的低周疲劳试验目前尚无统一参考标准，国内在航空发动机设计与研制过程中针对结构元件的设计与测试方法方面研究几乎空白，很大的原因是受原有从材料试验直接到部件试验的设计思想所限制。国外在结构元件设计及非标准测试方面已经开展大量的研究，罗一罗公司对发动机结构件疲劳寿命的处理方式，是通过对大量的结构实验元件做疲劳试验，将试验结果与结构件关键部位计算得到的应力或应变以数据库的形式存储，建立两者之间的关系，根据结构件实际结构尺寸，计算关键部位的应力或应变，通过插值的方法确定寿命。因真实发动机结构件的造价很昂贵，只能是通过制造便宜的模拟元件来进行疲劳寿命试验，以获得发动机结构件的疲劳寿命数据。国内在这一方面的研究几乎空白。
一般常规的金属材料疲劳试验均采用光滑的等截面试样，难以对带有开孔结构的部件进行有效准确评估，也无法评价开孔结构在不同低周疲劳载荷下的组织损伤及疲劳寿命。
发明内容
本发明的目的是：针对现有技术的不足，提出一种带孔结构元件低周疲劳性能的试验方法。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
一种带孔结构元件低周疲劳性能的试验方法，所述的试验方法将带孔结构元件放入疲劳测试系统，采用应变控制模式，通过控制带孔结构元件最小截面积尺寸及带孔元件的孔径，测得元件不同应变幅值的疲劳寿命。
所述的带孔结构元件通过以下方法确定：
步骤一、参照实际所应用的结构件确定带孔结构元件的厚度与孔径值；
步骤二、建立带孔结构元件低周疲劳过程数值分析模型；
步骤三、应用有限元法进行试样等效应力应变关系计算，得到带孔试样孔径周围应力应变分布特征，结合标准试样的标距并满足以下条件：
确保应力集中发生在标距范围内的孔径周围最小截面处以及在压应力疲劳载荷作用情况下不能失稳，从而确定标距与标距内的宽度；
步骤四、根据所述带孔结构元件的尺寸值计算获得最小截面积尺寸。
优选地，步骤一中带孔结构元件的厚度与所应用的结构件厚度一致；
优选地，步骤一中带孔结构元件的孔径为5-8mm；
步骤三中还包括运用有限元分析计算带孔结构元件在不同应变幅值的低周疲劳试验条件下所需要施加的载荷值。
优选地，步骤二中建模软件为AutoCAD、Catia、UG、ProE中的任一种。
优选地，步骤三中有限元软件为Abaqus或者MSC.Fatigue。
在测得元件不同应变幅值的疲劳寿命之后，还包括建立带孔元件低周疲劳寿命预测模型的过程，具体为：
通过测试获得的所述带孔结构元件低周疲劳S-N曲线，拟合带孔元件孔径与低周疲劳寿命的关系曲线，建立带孔元件低周疲劳寿命预测模型；所述的预测模型可用于带孔结构件的低周疲劳性能的设计优化，进而预测带孔结构件的低周疲劳寿命。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的带孔结构元件低周疲劳性能的试验方法，能够实现对实际工况中部件带孔结构的低周疲劳性能与组织损伤评估。
2、本发明提供的带孔结构元件低周疲劳性能的试验方法，带孔结构元件形状简单，易于加工；通过有限元计算获得带孔结构元件在不同应变幅值所需施加的载荷值，计算方法简单易行，应变控制模式进行低周疲劳试验，试验数据全面，结果真实可信。
3、本发明提供的带孔结构元件低周疲劳性能的试验方法，通过带孔结构元件的低周疲劳性能测试，可获得带孔结构元件的结构特征、组织损伤与低周疲劳寿命的关联关系，为带孔部件的结构设计优化以及低周疲劳寿命评估提供真实准确的测试数据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施的技术方案，下面将对本发明的实例中需要使用的附图作简单的解释。显而易见，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为“积木式”设计验证思想示意图；
图2为本发明的室温低周疲劳的非标元件试样俯视图；
图3为本发明的室温低周疲劳的非标元件试样侧视图；
图4为本发明的室温低周疲劳的非标元件试样最小截面示意图；
图5为本发明的高温低周疲劳的非标元件试样俯视图；
图6为本发明计算机辅助试验设计方法示意图；
图7为本发明计算机辅助试验设计有限元计算结果之一；
图8为本发明提供的测试带孔结构元件低周疲劳性能的试验方法的带孔元件低周疲劳测试结果和拟合结果，其中Δεe为弹性应变，Δεp为塑性应变，Δεt为总应变，Nf为疲劳断裂循环周次，2Nf为反向次数。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征。在下面的详细描述中，提出了许多具体的细节，以便对本发明的全面理解。但是，对于本领域的普通技术人员来说，很明显的是，本发明也可以在不需要这些具体细节的情况下就可以实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例对本发明更好的理解。本发明不限于下面所提供的任何具体设置和方法，而是覆盖了不脱离本发明精神的前提下所覆盖的所有的产品结构、方法的任何改进、替换等。
在各个附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。
如附图1所示，本发明的带孔结构元件设计与低周疲劳性能测试是基于“积木式”的设计验证思想，积木式方法是将典型材料结构(一般指部件级以上的结构)发展研制过程中最重要的试验验证环节分成5级：材料试样试验、元件试验、模拟件(次组合件)试验、零件(组合件)试验、部件试验。从试样试验到部件试验，试验由下至上逐次进行，下一级试验以上一级试验的结果为基础，形成金字塔形。试样试验目的是材料筛选和确定结构设计所需材料性能数据，数量最大，元件试验则通常是指能代表结构的通用元件，是复杂整体结构的一些组成单元，目的在于验证各种元件的承载能力、断裂损伤等，结构的设计值在依据材料许用值的基础上主要在该级试验中产生。本发明主要就是针对该级试验中的带孔类非标结构元件开展设计与低周疲劳性能测试。
设计室温带孔结构元件的低周疲劳试样如图2，图3和图4所示。参考标准的板状材料低周疲劳试样与试验夹具尺寸，首先确定带孔试样元件的孔径为5-8mm，以及元件夹持端的宽度和长度，其中，夹持端长为27mm，宽为24mm，标距端长度为12mm，宽度为12mm，试样总长度为90mm，标距端与夹持端采用光滑圆角过渡，元件最小截面积尺寸为(7*4)mm2。根据实际应用结构件的厚度尺寸，优选结构元件的厚度尺寸与结构件厚度值一致，本实施例中厚度为4mm，元件表面粗糙度为0.6，中心开孔部位的表面粗糙度为0.4，特别指出，中心开孔部位粗糙度设定的目的是保证元件在低周疲劳试验过程中测试数据不受表面粗糙度的显著影响，在可加工范围内粗糙度优选最小值。
设计高温带孔结构元件的低周疲劳试样如图5所示。同室温低周疲劳试样设计一样，参考标准的板状材料高温低周疲劳试样与试验夹具尺寸，首先确定带孔试样元件的孔径为5-8mm，以及元件夹持端的宽度和长度，其中，夹持端长为33mm，宽为24mm，设计标距端长度为12mm，宽度为12mm，试样总长度为100mm，标距端与夹持端采用光滑圆角过渡，元件最小截面积尺寸为(7*4)mm2，厚度为4mm，表面粗糙度为0.6，中心开孔部位的表面粗糙度为0.4，同时在试样加工中要保证中心孔与夹持端两个孔的中心点在一条直线上，元件沿中心孔轴向及径向均对称，从而避免元件在疲劳动载作用下产生试验偏差。
将上述设计的室温和高温低周疲劳设计试样进行三维建模，运用Catia、UG、ProE中的任一种建立结构元件模型，可转化为*.iges格式导入有限元软件进行疲劳试验的计算机辅助设计，具体方法如图6所示。将元件三维模型导入有限元软件后进行网格划分，材料特征定义部分输入材料的基本参数试验数据，边界条件设置部分对应的是元件试验的条件转换，例如要进行应变比为-1，应力为300MPa情况下的低周疲劳性能测试，则在有限元模型中输入对应的应力应变控制边界条件，根据计算静载应力分布或者动载塑性变形等的求解目的，选择求解器提交运算。之后对计算结果进行分析和参量提取，其中应力应变分布特征以及载荷值的计算结果，都可以作为实验测试之前的数值选择依据。
特别指出，本发明中对于带孔结构元件的尺寸和结构设计有限元计算中，要确保施加疲劳载荷值以后，应力集中产生在试样开孔部位，尤其在高温低周疲劳测试中，考虑夹具问题，试样夹持端需要开孔，且孔径往往超过结构元件的中心开孔直径，计算中要确保在施加疲劳载荷的过程中应力集中一直产生在中心孔径周围，不能产生在夹持端，从而确保测试有效，计算结果如图7所示。其中，图7(a)为高温低周疲劳试样的网格划分，图7(b)为应力分布计算结果，图7(c)为夹持端的应力分布放大图，图7(d)为中心孔部位的应力分布放大云图。从计算结果可知，夹持端开孔部位以及中心孔部位均存在应力的集中分布，但元件的应力最大值分布于中心孔部位的最小截面处，试样断裂将在该部位发生，试验测试有效。
运用计算机辅助设计，还可获得带孔结构元件在不同应变比及应变幅值下的低周疲劳载荷范围。将设计的带孔结构元件放入疲劳测试系统(疲劳测试系统为针对材料原件试样进行疲劳性能测试的通用的实验装备)，采用应变控制模式(即在材料元件疲劳性能测试中以应变为控制模式)，通过控制带孔结构元件最小截面积尺寸及带孔元件的开孔直径，测得元件试样不同应变比及应变幅值的疲劳寿命，可以设计试验中测试应变比分别为-1,0.5,3等以及不同温度情况下的结构元件疲劳寿命。其中应变比为-1时的测试结果如图8所示。其中Δεe为弹性应变，Δεp为塑性应变，Δεt为总应变，Nf为疲劳断裂循环周次，2Nf为反向次数。可见，通过本发明方法，可以获得图8所示的总应变与低周循环周数的关系曲线，同样的，通过开展不同孔径的结构元件低周疲劳性能测试，可以获得每一种特定孔径下的疲劳寿命，由此，可以获得不同孔径值与低周疲劳寿命的关系规律，从而拟合孔径值与疲劳寿命的关系曲线，建立带孔结构元件的疲劳寿命预测模型。
采用本发明的方法，还可以通过对疲劳试样断口进行组织观测分析，并综合孔径值与疲劳寿命的关系规律，获得带孔结构元件的结构特征、组织损伤与低周疲劳寿命的关联关系，从而为带孔部件的结构设计优化以及低周疲劳寿命评估提供测试数据。本发明提供的带孔结构元件低周疲劳性能的试验方法，带孔结构元件形状简单，易于加工；通过有限元计算获得带孔结构元件在不同应变幅值所需施加的载荷值，计算方法简单易行，应变控制模式进行低周疲劳试验，试验数据全面，结果真实可信。
最后应该说明的是：本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法实现所述功能，但是这种实现不应超出本发明的范围。
对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本发明中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本发明所示的实施例，而是要符合与本发明所公开的原理和新颖特点相一致的最宽权利范围。

Claims (6)

1.一种带孔结构元件低周疲劳性能的试验方法，其特征在于：所述的试验方法将带孔结构元件放入疲劳测试系统，采用应变控制模式，通过控制带孔结构元件最小截面积尺寸及孔径，测得带孔结构元件不同应变幅值的疲劳寿命；
所述的带孔结构元件通过以下方法确定：
步骤一、参照实际所应用的结构件确定带孔结构元件的厚度与孔径值；带孔结构元件的孔径为5-8mm；
步骤二、建立带孔结构元件低周疲劳过程数值分析模型；
步骤三、应用有限元法进行试样等效应力应变关系计算，得到带孔试样孔径周围应力应变分布特征，结合标准试样的标距并满足以下条件：
确保应力集中发生在标距范围内的孔径周围最小截面处以及在压应力疲劳载荷作用情况下不能失稳，从而确定标距与标距内的宽度；
步骤四、根据所述带孔结构元件的尺寸值计算获得最小截面积尺寸。
2.根据权利要求1所述的带孔结构元件低周疲劳性能的试验方法，其特征在于：步骤一中带孔结构元件的厚度与所应用的结构件厚度一致。
3.根据权利要求1所述的带孔结构元件低周疲劳性能的试验方法，其特征在于：步骤三中还包括运用有限元分析计算带孔结构元件在不同应变幅值的低周疲劳试验条件下所需要施加的载荷值。
4.根据权利要求1所述的带孔结构元件低周疲劳性能的试验方法，其特征在于：步骤二中建模软件为AutoCAD、Catia、UG、ProE中的任一种。
5.根据权利要求1所述的带孔结构元件低周疲劳性能的试验方法，其特征在于：步骤三中有限元软件为Abaqus或者MSC.Fatigue。
6.根据权利要求1所述的带孔结构元件低周疲劳性能的试验方法，其特征在于：在测得元件不同应变幅值的疲劳寿命之后，还包括建立带孔元件低周疲劳寿命预测模型的过程，具体为：
通过测试获得的所述带孔结构元件低周疲劳S-N曲线，拟合带孔元件孔径与低周疲劳寿命的关系曲线，建立带孔元件低周疲劳寿命预测模型。
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