CN110927249A - 轻量化高强度复合材料应力共振疲劳试验方法及试验系统 - Google Patents

轻量化高强度复合材料应力共振疲劳试验方法及试验系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及轻量化高强度复合材料应力共振疲劳试验方法及试验系统，属于复合材料共振疲劳试验技术领域，解决了现有技术中基于静力学的响应分析对结构在动态激励下产生响应造成的疲劳损伤难以得到较为准确的结论，并且没有针对轻量化高强度复合材料及结构的共振疲劳试验方法及试验系统的问题。试验方法包括如下步骤：施加配重，调整共振频率；设置随机振动频率范围以及需要记录的参数；设置加速度均方根值，按照振动应力量级逐步增加的方式进行试验，拟合疲劳寿命曲线。试验系统包括振动试验台、数据采集和显示记录系统、共振疲劳试验控制系统和感应部件。本发明对进一步拓展到C/SiC以及其他复合材料结构共振疲劳试验具有重要的指导意义。

Description

轻量化高强度复合材料应力共振疲劳试验方法及试验系统
技术领域
本发明涉及复合材料共振疲劳试验技术领域，尤其涉及一种轻量化高强度复合材料应力共振疲劳试验方法及试验系统。
背景技术
一直以来，振动带来的疲劳损伤是导致航空、航天、交通等设备结构、机械失效的重要原因之一。产品结构在使用过程中不可避免会受到各种振动载荷，但是很多情况下振动载荷对结构疲劳的影响容易被忽略，由此造成了很多故障和事故，损失巨大；尤其当外部激励频率分布在工程结构的固有频率附近时，因结构共振引发的巨大响应更容易引起结构失效。
以往评估计算疲劳损伤值、寿命值主要是从静力学角度出发，分析结构受到外部激励产生的响应。然而，结构在使用过程中，会受到各种动态激励，此时结构响应需从动力学出发展开分析，尤其是当激励频率与结构固有频率接近或重合时，结构发生共振造成响应幅值激增，基于静力学的响应分析不再适用，使用以往的S-N曲线分析结构在动态激励下产生响应造成的疲劳损伤难以得到较为准确的结论。
同时，在实际工程中共振疲劳试验、分析技术研究的主要对象是金属材料和结构，方法相对成熟。但是对于复合材料及结构的共振疲劳试验及分析方法研究非常少，特别是对于目前在军用装备及民用产品结构中应用日益广泛的新型轻量化、高强度、高刚度复合材料(比如C/SiC)，更是鲜有涉及。而复合材料由于材料特性、加工工艺方式等与金属差异较大，导致材料均匀性、对于所受应力的响应特性、破坏机理和形式等与金属完全不同，用于金属的试验方法(主要是恒定应力)不能满足复合材料共振疲劳试验的需求。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种轻量化高强度复合材料应力共振疲劳试验方法及试验系统，至少能够解决以下技术问题之一：(1)基于静力学的响应分析对结构在动态激励下产生响应造成的疲劳损伤难以得到较为准确的结论；(2)没有针对轻量化高强度复合材料及结构的共振疲劳试验方法及试验系统。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一方面，本发明提供了一种轻量化高强度复合材料应力共振疲劳试验方法，包括以下步骤：
步骤S101：在试验件上施加配重，调整试验件共振频率；
步骤S102：在共振疲劳试验控制系统中设置共振疲劳试验随机振动频率范围以及需要记录的参数；
步骤S103：在共振疲劳试验控制系统中设置加速度均方根值，按照振动应力量级逐步增加的方式，进行步进振动应力共振疲劳试验，通过感应部件获得试验过程中不同振动应力对应的试验数据；
步骤S104：根据试验数据，拟合材料共振疲劳寿命曲线。
在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：
进一步，所述步骤S103中，应力量级逐步增加的方式是指试验过程中，施加的加速度均方根值逐渐增加。
进一步，施加的加速度均方根值规定初始量级为10％-20％，之后每增加一个量级，均方根值增加5％-15％。
进一步，步骤S103具体包括如下步骤：
步骤a：设置加速度均方根值为初始量级，开始随机振动，持续振动一定时间；
步骤b：振动试验台不停机；提高加速度均方根值到下一量级，将未失效的试验件继续投入试验，持续振动一定时间；
步骤c：重复步骤b，直至所有试验件失效。
进一步，所述步骤S102中，需要记录的试验参数包括响应加速度功率谱密度、均方根值、时域信号、响应应变时域信号和传递函数。
进一步，所述步骤S101具体包括如下步骤：
通过在试验件上施加配重，将试验件固有频率f0调整到fa±0.5Hz，fa为此次试验所关注的共振频率值，计算得到本组试验件固有频率均值
Figure BDA0002294389570000031
进一步，所述步骤S102中，设置随机振动频率范围为
Figure BDA0002294389570000032
另一方面，本发明还提供了一种轻量化高强度复合材料应力共振疲劳试验系统，该共振疲劳试验系统包括振动试验台、数据采集和显示记录系统、共振疲劳试验控制系统和感应部件；
所述感应部件设于待测试验件上，用于感应试验过程中不同振动应力对应的试验参数；所述振动试验台设有夹具，用于夹持试验件；
所述振动试验台与所述共振疲劳试验控制系统连接，所述感应部件与所述数据采集和显示记录系统连接。
进一步，所述感应部件包括加速度传感器和应变片；所述加速度传感器用于感应试验件所受的应力，所述应变片用于感应试验件的振幅。
进一步，所述应变片和所述加速度传感器粘贴于试验件上。
本发明至少可实现如下有益效果之一：
(1)本发明提供的适用于C/SiC材料的步进应力共振疲劳试验方法，通过将振动疲劳试验激励谱频率范围限定在共振频段内，能够准确得出C/SiC材料共振疲劳失效数据，分析共振疲劳特性。
(2)通过步进应力施加方式，使得试验件的受力情况更接近实际工程中使用时的受力情况，使得该试验方法测得的试验结果更接近实际使用的情况，增加了试验结果的准确性，数据结果的参考意义大。
(3)通过步进应力施加方式，有效缩短试验时间，提高试验效率。
(4)本发明提供的适用于C/SiC材料的步进应力共振疲劳试验方法，能够获得C/SiC材料在共振试验过程中及疲劳失效时的相关寿命信息，通过拟合给出共振疲劳寿命曲线，从而有效指导航空、航天、交通等设备的维护和更换，降低故障和事故的发生概率，避免带来巨大损失。
(5)本发明将为工程中开展C/SiC材料的共振疲劳试验提供一种有效的方法，对进一步拓展到C/SiC以及其他复合材料结构共振疲劳试验具有重要的指导意义。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例提供的C/SiC材料步进应力共振疲劳试验方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的C/SiC材料步进应力共振疲劳试验方法中试验件的示意图，(a)试验件俯视图，(b)试验件主视图，(c)试验件左视图；
图3为本发明实施例提供的C/SiC材料步进应力共振疲劳试验方法中所使用的共振疲劳试验系统示意图；
图4为本发明实施例提供的悬臂梁结构试验件的拟合寿命曲线。
附图标记：
1-振动试验台；2-共振疲劳试验控制系统；3-数据采集和显示记录系统；4-加速度传感器；5-应变片；6-试验件；7-夹具。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
本发明的一个具体实施例，公开了一种适用于C/SiC材料的步进应力共振疲劳试验方法，如图1-3所示，对C/SiC材料试验件进行共振疲劳试验，C/SiC试验件包括悬臂梁试验件，步进应力共振疲劳试验方法包括以下步骤：
步骤S101：设计、加工C/SiC材料试验件；
步骤S102：搭建由振动试验台、共振疲劳试验控制系统、数据采集和显示记录系统等部分组成的共振疲劳试验系统；
步骤S103：选取试验件，夹持固定于振动试验台上，在试验件上设置加速度传感器和应变片，振动试验台与共振疲劳试验控制系统连接，加速度传感器与数据采集和显示记录系统连接；
步骤S104：在试验件上施加配重，调整试验件共振频率；
步骤S105：在试验件共振疲劳试验控制系统中设置共振疲劳试验随机振动频率范围，以及需要记录的参数；
步骤S106：在试验件共振疲劳试验控制系统中设置加速度均方根值，按照振动应力量级逐步增加的方式，进行步进振动应力共振疲劳试验，通过试验件传感器和采集器获得试验过程中不同振动应力对应的试验时间等数据；
步骤S107：根据试验结果，拟合C/SiC材料共振疲劳寿命曲线。
步骤S108：根据该寿命曲线，预估某个共振应力水平下对应的疲劳寿命，从而指导航空、航天、交通等设备的维护和更换频率，降低故障和事故的发生概率，避免带来巨大损失。
与现有技术相比，本实施例提供的C/SiC材料的步进应力共振疲劳试验方法能够准确得出C/SiC材料在共振试验过程中及疲劳失效时的相关寿命信息，对进一步拓展到C/SiC以及其他复合材料结构共振疲劳试验具有重要的指导意义。
具体来说，本实施例通过将振动疲劳试验激励谱频率范围限定在共振频段内，从而准确得出C/SiC材料共振疲劳失效数据，分析共振疲劳特性。
考虑到由于振动疲劳测试所要求的疲劳循环周次较高，因此，单个试验件的测试周期长达几天，甚至十几天。本实施例采用步进应力施加方式，达到有效缩短试验时间、提高试验效率的目的。
下面对测试步骤进行详细说明。
步骤S101中，设计、加工C/SiC材料试验件，试验件可以为悬臂梁结构形式，长25cm至30cm、宽25mm至30mm、厚2mm至3mm。
待测试的每种试验件数量不少于30件，并且每件试验件均经过质量检验，长、宽尺寸误差不超过1mm，厚度尺寸误差不超过0.2mm。
步骤S103中，每一组试验选取试验件6件至8件，使用夹持工装，将试验件均匀分布、固定在振动试验台上，在试验件的最外端部粘贴加速度传感器，在试验件被夹持根部位置粘贴应变片。
步骤S104中，在试验件上施加配重，用于调整试验件共振频率，包括如下步骤：
通过在试验件外端部施加配重，将试验件固有频率f0调整到fa±0.5Hz(fa为此次试验所关注的共振频率值，比如10Hz、15Hz、20Hz等)，计算得到本组试验件固有频率均值
Figure BDA0002294389570000071
对试验件施加正弦扫频激励，设置频率范围为5Hz至100Hz，加速度均方根值为0.1g；
采样频率为2048Hz；
用试验件数据采集和显示记录系统采集、记录试验件加速度响应(曲线)和位移响应(曲线)。
步骤S105中，设置随机振动频率范围为
Figure BDA0002294389570000072
设置试验过程中需要记录的参数为响应加速度功率谱密度、均方根值(RMS)、时域信号、响应应变时域信号和传递函数(设置自动记录5分钟/次)。
步骤S106中，在共振疲劳试验控制系统中设置加速度均方根值，按照振动应力量级逐步增加的方式，进行步进振动应力共振疲劳试验，包括如下步骤：
加速度均方根值量级按照百分比表示，100％量级为0.6g；
试验过程中，施加的加速度均方根值规定初始量级为15％，之后，每增加一个量级，均方根值增加10％；
设置加速度均方根值为初始量级，开始随机振动，持续振动时间为3小时(10800秒，疲劳循环在105级别)，定时结束本量级振动，振动试验台不停机；
提高加速度均方根值到下一量级，将未失效的试验件继续投入试验，持续振动时间为3小时，定时结束本量级振动，振动试验台不停机；循环此过程，直到所有试验件失效(目视检验发现试验件出现断裂裂纹或直接断裂，判定为试验件失效)。
步骤S107中，根据试验结果，拟合C/SiC材料共振疲劳寿命曲线，包括：
试验过程中记录危险点应变响应和加速度响应；
根据应力σ和应变ε在一定比例极限范围内具有线性比例关系σ＝E·ε计算得到应力响应；
通过最小二乘法拟合得到双对数坐标下的共振应力疲劳寿命曲线S-N和加速度均方根值-疲劳寿命曲线。
本发明的另一个具体实施例，公开了一种适用于C/SiC材料的步进应力共振疲劳试验的共振疲劳试验系统，包括振动试验台1、共振疲劳试验控制系统2、数据采集和显示记录系统3、加速度传感器4和应变片5。
振动试验台上设有夹具7，试验件通过夹具加持固定于振动试验台上。加速度传感器和应变片均与数据采集和显示记录系统连接。振动试验台与共振疲劳试验控制系统连接，加速度传感器与数据采集和显示记录系统连接。
为了便于采集拟合C/SiC材料共振疲劳寿命曲线所需的参数，本实施例的共振疲劳试验系统设有加速度传感器和应变片。
加速度传感器用于实时感应试验件6所受的应力。本实施例中，加速度传感器粘贴于试验件的最外端部，这是因为，最外端部是试验件的应力感应最敏感的区域，采集到的试验参数数据更接近试验件的实际受力，从而保证了该试验方法结果的准确性。示例性地，加速度传感器粘贴于试验件的最外端部。
应变片用于感应试验件的振幅。为了使采集到的数据更能准确的反应工程中实际使用时试验件最容易断裂处的数据，本实施例中，应变片位于试验件被夹持的根部位置，如图2所示。示例性地，应变片粘贴于试验件的被夹持根部位置。
实施例一
选取长度为25cm、宽度为25mm、厚3mm的悬臂梁结构试验件，试验件数量为30件，分为5组，每组6件试验件。
将第一组的6件试验件均匀分布、固定在振动试验台上，在每件试验件的最外端部粘贴加速度传感器，并在每件试验件的被夹持根部位置粘贴应变片。
通过在试验件外端部施加配重，将试验件固有频率f0调整到fa±0.5Hz(fa为此次试验所关注的共振频率值11Hz)，然后施加正弦扫频激励，频率范围为5～100Hz、幅值0.1g，采样频率为2048Hz，用加速度传感器记录调节后的固有频率，计算得到本组试验件固有频率均值
Figure BDA0002294389570000091
为11.18Hz。
设置随机振动频率范围为[8.18～12.18Hz]，设置试验过程中需要记录的参数为响应加速度功率谱密度、均方根值(RMS)、时域信号、响应应变时域信号和传递函数(设置自动记录5分钟/次)。
加速度均方根值量级按照百分比表示，设置100％量级为0.6g。
设置初始RMS为15％，开始随机振动，持续振动时间为3h，定时结束本水平下的随机共振，振动台不停机；
提高加速度功率谱密度幅值到下一水平(每一次增加10％)，将未失效的试件继续投入试验，同样持续振动时间为3h，定时结束本水平随机共振，振动台不停机，直到完成五个水平的随机振动；试验过程中记录危险点应变响应和加速度响应。
对疲劳试验的均值进行最小二乘拟合，得到随机振动σr-N曲线，再通过共振疲劳等效推导出正弦共振疲劳SH-N寿命曲线，如图4所示。根据寿命曲线，可以大致判断再某个共振应力水平下对应的疲劳寿命。
本发明提供的一种适用于C/SiC材料的步进应力共振疲劳试验方法，将振动疲劳试验激励谱频率范围限定在共振频段内，能够准确得出C/SiC材料共振疲劳失效数据，分析共振疲劳特性；通过步进应力施加方式，不仅使得试验件的受力情况更接近实际工程中使用时的受力，而且有效缩短试验时间，提高试验效率；通过合理设置感应部件的位置，使得感应部件感应到的试验参数的数值更接近试验件的实际受力，从而保证了该试验方法结果的准确性。本发明将为工程中开展C/SiC材料的共振疲劳试验提供一种有效的方法，对进一步拓展到C/SiC以及其他复合材料结构共振疲劳试验具有重要的指导意义。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种轻量化高强度复合材料应力共振疲劳试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S101：在试验件上施加配重，调整试验件共振频率；
步骤S102：在共振疲劳试验控制系统中设置共振疲劳试验随机振动频率范围以及需要记录的参数；
步骤S103：在共振疲劳试验控制系统中设置加速度均方根值，按照振动应力量级逐步增加的方式，进行步进振动应力共振疲劳试验，通过感应部件获得试验过程中不同振动应力对应的试验数据；
步骤S104：根据试验数据，拟合材料共振疲劳寿命曲线。
2.根据权利要求1所述的轻量化高强度复合材料应力共振疲劳试验方法，其特征在于，所述步骤S103中，振动应力量级逐步增加的方式是指试验过程中，施加的加速度均方根值逐渐增加。
3.根据权利要求2所述的轻量化高强度复合材料应力共振疲劳试验方法，其特征在于，施加的加速度均方根值规定初始量级为10％-20％，之后每增加一个量级，均方根值增加5％-15％。
4.根据权利要求2所述的轻量化高强度复合材料应力共振疲劳试验方法，其特征在于，步骤S103具体包括如下步骤：
步骤a：设置加速度均方根值为初始量级，开始随机振动，持续振动一定时间；
步骤b：振动试验台不停机；提高加速度均方根值到下一量级，将未失效的试验件继续投入试验，持续振动一定时间；
步骤c：重复步骤b，直至所有试验件失效。
5.根据权利要求1所述的轻量化高强度复合材料应力共振疲劳试验方法，其特征在于，所述步骤S102中，需要记录的试验参数包括响应加速度功率谱密度、均方根值、时域信号、响应应变时域信号和传递函数。
6.根据权利要求1-5任一项所述的轻量化高强度复合材料应力共振疲劳试验方法，其特征在于，所述步骤S101具体包括如下步骤：
通过在试验件上施加配重，将试验件固有频率f0调整到fa±0.5Hz，fa为此次试验所关注的共振频率值，计算得到本组试验件固有频率均值
Figure FDA0002294389560000021
7.根据权利要求6所述的轻量化高强度复合材料应力共振疲劳试验方法，其特征在于，所述步骤S102中，设置随机振动频率范围为
Figure FDA0002294389560000022
Figure FDA0002294389560000023
8.一种轻量化高强度复合材料应力共振疲劳试验系统，其特征在于，用于权利要求1-7所述的轻量化高强度复合材料应力共振疲劳试验方法中，所述共振疲劳试验系统包括振动试验台、数据采集和显示记录系统、共振疲劳试验控制系统和感应部件；
所述感应部件设于待测试验件上，用于感应试验过程中不同振动应力对应的试验参数；所述振动试验台设有夹具，用于夹持试验件；
所述振动试验台与所述共振疲劳试验控制系统连接，所述感应部件与所述数据采集和显示记录系统连接。
9.根据权利要求8所述的轻量化高强度复合材料应力共振疲劳试验系统，其特征在于，所述感应部件包括加速度传感器和应变片；所述加速度传感器用于感应试验件所受的应力，所述应变片用于感应试验件的振幅。
10.根据权利要求6所述的轻量化高强度复合材料应力共振疲劳试验系统，其特征在于，所述应变片和所述加速度传感器粘贴于试验件上。
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