CN111189725A - 一种用于被测试件非对称循环载荷的加载装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于被测试件非对称循环载荷的加载装置和方法，属于超声加载领域。连接柱与上试件夹持端顶部相连接，该上试件夹持端下接上悬链线过渡段，该上悬链线过渡段下接中间段，该中间段底部和下悬链线过渡段相连，该下悬链线过渡段与下试件夹持端相连接，试件安装孔位于连接柱的下方内部。优点是结构新颖，工序相对较少，易于加工，并且结构稳定，具有良好的试验性能和稳定性，适用于不同的试验机，实现循环特征的调节范围‑1<r<1；利于振动试验中振动能量的聚焦，减少能量的损耗；为试验数据的采集提供方便。

Description

一种用于被测试件非对称循环载荷的加载装置和方法
技术领域
本发明涉及工程技术领域中的超声加载领域，具体涉及到在机械疲劳试验中对超声疲劳试验机被测试件初预应力的加载和调节的一种辅助装置和方法。
背景技术
在现代工程领域中，许多重要的零部件在交变应力的作用下工作，交变载荷产生的疲劳破坏成为大部分零部件的主要破坏形式。由于试验装备和试验条件的限制，传统材料疲劳试验研究的应力循环次数范围仅限于107次以内。但是，在现代工程尤其是高新技术工程领域中，不少工程零部件工作于交变载荷小、交变频率高的条件下，这些零部件承受的交变次数远高于107次，有时可达109～1012次应力循环。使用超声疲劳试验机可大大拓宽应力循环次数加载范围，超声疲劳试验机的加载频率超过20kHz，大大减少了试验时间和试验成本。
但是，现有的大部分超声疲劳试验技术并没有给出有效的改变交变应力循环特征的方法。在常规的超声疲劳试验环境下，试件所受应力循环特征为-1。常见的改变循环特征的方式为在试件末端连接砝码或某种力的加载装置，在加载交变应力前先加载一定大小的静态力，则加载交变应力时，试件实际受到的力为静态力与交变应力的叠加。通过调整静态力的大小可以调整循环特征。这种方法存在如下缺点：需要附加静力加载装置，提高实验成本；试件末端与静力加载装置连接会改变试件的力阻抗，减小实验效率。
发明内容
本发明提供一种用于被测试件非对称循环载荷的加载装置和方法，目的是改变常规超声疲劳试验机试件非对称载荷疲劳加载方法。
本发明采取的技术方案是：包括连接柱、上试件夹持端、上悬链线过渡段、中间段、下悬链线过渡段、下试件夹持端和试件安装孔，其中连接柱与上试件夹持端顶部相连接，该上试件夹持端下接上悬链线过渡段，该上悬链线过渡段下接中间段，该中间段底部和下悬链线过渡段相连，该下悬链线过渡段与下试件夹持端相连接，试件安装孔位于连接柱的下方内部。
所述连接柱、上试件夹持端、上悬链线过渡段、中间段、下悬链线过渡段、下试件夹持端同轴；
所述上试件夹持端的圆柱表面均匀对称布置两个工字形槽一，在其中部设置两个带有沉头孔的夹紧力调节螺纹孔一，螺纹孔上安装夹持螺钉一。
所述下接中间段在其两端两侧设置有四个对称分布的侧边孔。
所述下悬链线过渡段的结构与上悬链线过渡段相同，位置与上悬链线过渡段关于中间段对称面对称。
所述下试件夹持端圆柱表面均匀对称布置两个工字形槽二，在其中部设置两个带有沉头孔的夹紧力调节螺纹孔二，螺纹孔上安装夹持螺钉二，位置与上试件夹持端关于中间段对称面对称。
所述试件安装孔其结构为一圆柱形盲孔，轴线与上述结构同轴，盲孔一端位于下试件夹持端的端面、另一端延伸至上试件夹持端内部，且越过上试件夹持端的工字形槽一上端3～4mm。
一种用于被测试件非对称循环载荷的加载方法，包括下列步骤：
(1)、实现对被测试件的有效预应力夹持，需预先准备公称直径与试件安装孔直径相等，长度长于试件安装孔的被测试件，其与试件安装孔的配合关系为间隙配合；为了使试件在安装后有一定程度的预应力，需要在试件安装之前使之产生一定程度的预变形，具体方式是：在试件安装之前，给试件加热到一定温度并保持一段时间，并在试件温度冷却到室温之前装入非对称力试件夹持器中；若装入夹持器时试件的温度为T，则其与常温T0之差即为温度的变化量ΔT，通过温度变化量ΔT、试件材料的温度变形系数α和试件的尺寸l即可推算出试件受热时的变形ε＝ΔTαl；
为了对被测试件进行有效夹持，夹紧力调节螺纹孔一和夹紧力调节螺纹孔二分别与夹持螺钉一和夹持螺钉二配合，通过六角扳手拧紧或力矩扳手精确调节，在夹持螺钉拧紧时，工字形槽一和工字形槽二的宽度变窄，试件安装孔上段和试件安装孔下段变形并夹紧试件，夹持器工作时利用由夹紧力产生的静摩擦力对试件进行激励振动；
(2)、实现夹持器与超声疲劳试验机末端有效的连接，为了将夹持器与超声试验机有效连接，在夹持器头部设有连接柱，其上攻有细牙螺纹用于与超声疲劳试验机变幅杆上的试件安装孔连接；
(3)、实现夹持器对试件预紧力的标定，做如下标定实验：在试件装入夹持器之前，将电子式引伸计两个测量脚插入工字形槽中，在试件装入夹持器后，夹持器因为试件的反预紧力F′0而发生变形，变形的大小u0可通过电子式引伸计得出，作为标定参照物，准备一个标定实验用夹持器和两个标定实验用配件，标定实验用夹持器与本装置不同之处在于缺少连接柱且试件安装孔为通孔；标定实验用配件为一段圆柱，直径与试件安装孔相同，长度为试件安装孔长度的1/3～1/2；将配件装入夹持器两端并使用夹持螺钉夹紧，拧紧力矩与安装试件时的拧紧力矩相同；同样将相同规格的数字式引伸计两个测量脚插入夹持器的工字形槽中；将已安装标定实验用配件与数字式引伸计的标定实验用夹持器装入普通力标准机中，在两端加载静力F，同时用数字式引伸计测量夹持器的变形u，调整加载静力F使变形u＝u0，则加载静力F＝F′0，而反预紧力F′0大小等于夹持器给予试件的预紧力F0，从而实现对预紧力的定量；
(4)、在试验机工作过程中，由超声疲劳试验机控制系统与动力源系统输出的高频电信号经过超声换能器转化为高频机械波，向下级超声变幅杆及试件传递，试件夹持器通过连接柱及试件夹持端上端面接收变幅杆传递的机械波，并通过试件安装孔上段与试件安装孔下段向试件传递振动波，如果试件两端夹持处振动相位相反，则试件将受到与激励信号频率相同的交变力作用；由于试件装入夹持器后，在夹持器的夹持作用下，试件已经产生一定的拉应力σ0，在试验机工作过程中，试验机的对称激振力与预应力叠加，得到最终试件的应力波形，为不对称应力；调整预应力σ0与激振力的幅值σA，即可调整试件所受交变应力的循环特征r。
为了在实施过程中达到最大效率，调整超声疲劳试验机的激振频率与夹持器和试件系统的固有频率相同，此时，超声频机械振动会在试件中形成驻波，此时试件处于谐振状态，在夹持器中间段中部横截面处振动幅值最小而应力最大，满足实验要求。
本发明具有以下优点：
本发明通过连接柱实现与超声振动换能器连接，使得此装置能够在一定程度上适用于不同的试验机；
本发明通过直径较小的试件安装孔安装试件，使得所需被测样品特别是贵重材料样品的体积很小，很大程度上减少试验成本；
本发明通过上试件夹持端、下试件夹持端和夹持螺钉对试件进行夹持，其中通过调节夹持螺钉的预紧力可以实现对试件预紧力的调整，从而可以实现循环特征的调节范围-1<r<1；
本发明设有既可用于散热又可用于观察的侧边孔，为试验数据的采集提供方便；
本发明设有母线为悬链线形的回转体过渡段，利于振动试验中振动能量的聚焦，减少能量的损耗；
本发明结构新颖，工序相对较少，易于加工，并且结构稳定，具有良好的试验性能和稳定性。
附图说明
图1是本发明的整体正轴测图；
图2是本发明能显示底部的整体正轴测图；
图3是本发明的1/4剖视示意图；
图4是本发明已安装试件和夹持螺钉的1/4剖切示意图；
图5是本发明工作时的外部连接示意图；
图6是本发明非对称力产生原理图；
图7是本发明工作时的应力应变分布示意图；
图8是本发明预紧力标定实验示意图；
图9是本发明预紧力标定实验中作为标定参照物的示意图。
具体实施方式
如图1、图2所示，包括连接柱1、上试件夹持端2、上悬链线过渡段3、中间段4、下悬链线过渡段5、下试件夹持端6和试件安装孔7，其中连接柱1与上试件夹持端2顶部相连接，该上试件夹持端2下接上悬链线过渡段3，该上悬链线过渡段3下接中间段4，该中间段4底部和下悬链线过渡段5相连；该下悬链线过渡段5与下试件夹持端6相连接，试件安装孔7位于连接柱1的下方内部。
所述连接柱1、上试件夹持端2、上悬链线过渡段3、中间段4、下悬链线过渡段5、下试件夹持端6同轴，以保证机械振只沿纵向传播，避免横向振动的发生；
所述上试件夹持端2圆柱表面均匀对称布置两个工字形槽一201，在其中部设置两个带有沉头孔的夹紧力调节螺纹孔一202，螺纹孔上安装夹持螺钉一203。
所述下接中间段4在其两端两侧设置有四个对称分布的侧边孔401。
所述下悬链线过渡段5，其结构和功能与上悬链线过渡段3相同，位置与上悬链线过渡段3关于中间段4对称面对称。
所述下试件夹持端6圆柱表面均匀对称布置两个工字形槽二601，在其中部设置两个带有沉头孔的夹紧力调节螺纹孔二602，螺纹孔上安装夹持螺钉二603，位置与上试件夹持端2关于中间段4对称面对称。
所述试件安装孔7其结构为一圆柱形盲孔，轴线与上述结构同轴，盲孔一端位于下试件夹持端6的端面、另一端延伸至上试件夹持端2内部，且越过上试件夹持端2的工字形槽一201上端3～4mm。
一种用于被测试件非对称循环载荷的加载方法，包括下列步骤：
(1)、实现对被测试件的有效预应力夹持，为实现本步骤较佳的实施方式，需预先准备公称直径与试件安装孔7直径相等，长度长于试件安装孔7的试件8，其与试件安装孔7的配合关系为间隙配合；其目的之一是为了简化后面的安装步骤，使安装方便；其目的之二是为了保护试件安装孔上段701和试件安装孔下段702的表面，为了使试件在安装后有一定程度的预应力，需要在试件安装之前使之产生一定程度的预变形，具体实施方式之一是：在试件安装之前，给试件加热到一定温度并保持一段时间，并在试件温度冷却到室温之前装入非对称力试件夹持器中；若装入夹持器时试件的温度为T，则其与常温T0之差即为温度的变化量ΔT，通过温度变化量ΔT、试件材料的温度变形系数α和试件的尺寸l即可推算出试件受热时的变形ε＝ΔTαl；
如图4，为了对被测试件8进行有效夹持，在上试件夹持端2和下试件夹持端6上设有夹紧力调节螺纹孔一202和夹紧力调节螺纹孔二602，以及增加试件夹持端2和6柔度的上工形槽一201和工字形槽一601，夹紧力调节螺纹孔一202和夹紧力调节螺纹孔二602通过夹持螺钉一203和夹持螺钉二603配合，通过六角扳手拧紧或力矩扳手精确调节，在夹持螺钉拧紧时，工字形槽一201和工字形槽二601的宽度变窄，试件安装孔上段701和试件安装孔下段702变形并夹紧试件，夹持器工作时利用由夹紧力产生的静摩擦力对试件进行激励振动；
(2)、实现夹持器与超声疲劳试验机末端有效的连接。如附图5，为了将夹持器与超声试验机有效连接，在夹持器头部设有连接柱1，其上攻有细牙螺纹用于与超声疲劳试验机变幅杆9上的试件安装孔连接；
(3)、实现夹持器对试件预紧力的标定，为实现本步骤，做如下标定实验：在试件装入夹持器之前，将电子式引伸计1201两个测量脚插入工字形槽中，如附图8所示；在试件装入夹持器后，夹持器因为试件的反预紧力F′0而发生变形，变形的大小u0可通过电子式引伸计1201得出，作为标定参照物，准备一个标定实验用夹持器1203和两个标定实验用配件1202，标定实验用夹持器1203与本发明大致相同，不同之处在于缺少连接柱1且试件安装孔7为通孔；标定实验用配件1202为一段圆柱，直径与试件安装孔7相同，长度为试件安装孔7长度的1/3～1/2；将配件1202装入夹持器两端并使用夹持螺钉夹紧，拧紧力矩与安装试件时的拧紧力矩相同；同样将相同规格的数字式引伸计1201两个测量脚插入夹持器1203的工字形槽中；将已安装标定实验用配件1202与数字式引伸计1201的标定实验用夹持器1203装入普通力标准机中，在两端加载如附图8所示的静力F，同时用数字式引伸计1201测量夹持器1203的变形u，调整加载静力F使变形u＝u0，则加载静力F＝F′0，而反预紧力F′0大小等于夹持器给予试件的预紧力F0，从而实现对预紧力的定量；
(4)、在试验机工作过程中，由超声疲劳试验机控制系统与动力源系统输出的高频电信号经过超声换能器转化为高频机械波，向下级超声变幅杆及试件传递。附图5，试件夹持器通过连接柱及试件夹持端上端面接收变幅杆传递的机械波，并通过试件安装孔上段701与试件安装孔下段702向试件传递振动波。如果试件两端夹持处振动相位相反，则试件将受到与激励信号频率相同的交变力作用；由于试件装入夹持器后，在夹持器的夹持作用下，试件已经产生一定的拉应力σ0，(附图6中1002)，在试验机工作过程中，试验机的对称激振力1001与预应力1002叠加，得到最终试件的应力波形1003，为不对称应力；调整预应力σ0与激振力1001的幅值σA，即可调整试件所受交变应力的循环特征r。
为了让本发明在实施过程中达到最大效率，调整超声疲劳试验机的激振频率与夹持器和试件系统的固有频率相同。此时，超声频机械振动会在试件中形成驻波，如附图7所示。此时试件处于谐振状态，在夹持器中间段中部横截面处振动幅值最小而应力最大，最大应力能达到换能器输出激振力的数十倍，可满足实验要求。
以上所述仅是本发明的实施方式之一，并不用于限制本发明。应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于被测试件非对称循环载荷的加载装置，其特征在于：包括连接柱、上试件夹持端、上悬链线过渡段、中间段、下悬链线过渡段、下试件夹持端和试件安装孔，其中连接柱与上试件夹持端顶部相连接，该上试件夹持端下接上悬链线过渡段，该上悬链线过渡段下接中间段，该中间段底部和下悬链线过渡段相连，该下悬链线过渡段与下试件夹持端相连接，试件安装孔位于连接柱的下方内部。
2.根据权利要求1所述的一种用于被测试件非对称循环载荷的加载装置，其特征在于：所述连接柱、上试件夹持端、上悬链线过渡段、中间段、下悬链线过渡段、下试件夹持端同轴。
3.根据权利要求1所述的一种用于被测试件非对称循环载荷的加载装置，其特征在于：所述上试件夹持端的圆柱表面均匀对称布置两个工字形槽一，在其中部设置两个带有沉头孔的夹紧力调节螺纹孔一，螺纹孔上安装夹持螺钉一。
4.根据权利要求1所述的一种用于被测试件非对称循环载荷的加载装置，其特征在于：所述下接中间段在其两端两侧设置有四个对称分布的侧边孔。
5.根据权利要求1所述的一种用于被测试件非对称循环载荷的加载装置，其特征在于：所述下悬链线过渡段的结构与上悬链线过渡段相同，位置与上悬链线过渡段关于中间段对称面对称。
6.根据权利要求1所述的一种用于被测试件非对称循环载荷的加载装置，其特征在于：所述下试件夹持端圆柱表面均匀对称布置两个工字形槽二，在其中部设置两个带有沉头孔的夹紧力调节螺纹孔二，螺纹孔上安装夹持螺钉二，位置与上试件夹持端关于中间段对称面对称。
7.根据权利要求1所述的一种用于被测试件非对称循环载荷的加载装置，其特征在于：所述试件安装孔其结构为一圆柱形盲孔，轴线与上述结构同轴，盲孔一端位于下试件夹持端的端面、另一端延伸至上试件夹持端内部，且越过上试件夹持端的工字形槽一上端3～4mm。
8.一种用于被测试件非对称循环载荷的加载方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)、实现对被测试件的有效预应力夹持，需预先准备公称直径与试件安装孔直径相等，长度长于试件安装孔的被测试件，其与试件安装孔的配合关系为间隙配合；为了使试件在安装后有一定程度的预应力，需要在试件安装之前使之产生一定程度的预变形，为了对被测试件进行有效夹持，夹紧力调节螺纹孔一和夹紧力调节螺纹孔二分别与夹持螺钉一和夹持螺钉二配合，通过六角扳手拧紧或力矩扳手精确调节，在夹持螺钉拧紧时，工字形槽一和工字形槽二的宽度变窄，试件安装孔上段和试件安装孔下段变形并夹紧试件，夹持器工作时利用由夹紧力产生的静摩擦力对试件进行激励振动；
(2)、实现夹持器与超声疲劳试验机末端有效的连接，为了将夹持器与超声试验机有效连接，在夹持器头部设有连接柱，其上攻有细牙螺纹用于与超声疲劳试验机变幅杆上的试件安装孔连接；
(3)、实现夹持器对试件预紧力的标定，做如下标定实验：在试件装入夹持器之前，将电子式引伸计两个测量脚插入工字形槽中，在试件装入夹持器后，夹持器因为试件的反预紧力F′0而发生变形，变形的大小u0可通过电子式引伸计得出，作为标定参照物，准备一个标定实验用夹持器和两个标定实验用配件，标定实验用夹持器与本装置不同之处在于缺少连接柱且试件安装孔为通孔；标定实验用配件为一段圆柱，直径与试件安装孔相同，长度为试件安装孔长度的1/3～1/2；将配件装入夹持器两端并使用夹持螺钉夹紧，拧紧力矩与安装试件时的拧紧力矩相同；同样将相同规格的数字式引伸计两个测量脚插入夹持器的工字形槽中；将已安装标定实验用配件与数字式引伸计的标定实验用夹持器装入普通力标准机中，在两端加载静力F，同时用数字式引伸计测量夹持器的变形u，调整加载静力F使变形u＝u0，则加载静力F＝F′0，而反预紧力F′0大小等于夹持器给予试件的预紧力F0，从而实现对预紧力的定量；
(4)、在试验机工作过程中，由超声疲劳试验机控制系统与动力源系统输出的高频电信号经过超声换能器转化为高频机械波，向下级超声变幅杆及试件传递，试件夹持器通过连接柱及试件夹持端上端面接收变幅杆传递的机械波，并通过试件安装孔上段与试件安装孔下段向试件传递振动波，如果试件两端夹持处振动相位相反，则试件将受到与激励信号频率相同的交变力作用；由于试件装入夹持器后，在夹持器的夹持作用下，试件已经产生一定的拉应力σ0，在试验机工作过程中，试验机的对称激振力与预应力叠加，得到最终试件的应力波形，为不对称应力；调整预应力σ0与激振力的幅值σA，即可调整试件所受交变应力的循环特征r。
9.根据权利要求8所述的一种用于被测试件非对称循环载荷的加载方法，其特征在于，步骤(1)预变形具体方式是：在试件安装之前，给试件加热到一定温度并保持一段时间，并在试件温度冷却到室温之前装入非对称力试件夹持器中；若装入夹持器时试件的温度为T，则其与常温T0之差即为温度的变化量ΔT，通过温度变化量ΔT、试件材料的温度变形系数α和试件的尺寸l即可推算出试件受热时的变形ε＝ΔTαl。
10.根据权利要求8所述的一种用于被测试件非对称循环载荷的加载方法，其特征在于，步骤(4)中为在实施过程中达到最大效率，调整超声疲劳试验机的激振频率与夹持器和试件系统的固有频率相同，此时，超声频机械振动会在试件中形成驻波，此时试件处于谐振状态，在夹持器中间段中部横截面处振动幅值最小而应力最大，满足实验要求。
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