CN111323317B - 一种基于压电双叠堆共振驱动的高频疲劳试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于压电双叠堆共振驱动的高频疲劳试验装置及方法。本发明采用两个对称的压电叠堆换能器作为驱动装置，并与被测疲劳试件的两头采用机械加持连接，组成‘哑铃’式结构，在不增加被测疲劳试件长度的同时有效的降低了系统的谐振频率，使得整个系统的一阶谐振频率能够控制到1～3kHz；利用高压电源给压电双叠堆施加与测试系统的一阶谐振频率一致的交变电压，测试系统产生一阶共振，且应力幅值最大的点为被测疲劳试件的中心点；相对于传统疲劳试验机，本发明不仅大幅度提高了试验的频率，缩短了试验时间，还显著了降低了试验能耗；而相对于超声疲劳试验机，大大的降低了试验频率，减小了发热量，使得测试环境与实际工况更加贴切。

Description

一种基于压电双叠堆共振驱动的高频疲劳试验装置及方法
技术领域
本发明涉及疲劳试验测试技术领域，具体涉及一种基于压电双叠堆共振驱动的kHz高频疲劳试验装置及方法。
背景技术
疲劳失效是工程构件的主要破坏形式之一，开展不同材料的疲劳寿命试验具有重大的意义。按照疲劳一阶谐振频率的大小，现有的疲劳试验机大致可以分为三类：低频疲劳试验机，中高频疲劳试验机，以及超声疲劳试验机。低频疲劳试验机包括机械式，液压式，其工作频率大约为30Hz。而中高频疲劳试验机一般为电磁式，其工作频率大约为300Hz。超声疲劳试验机通常由压电叠堆换能器，超声变幅杆，以及被测疲劳试件组成。其每一单独部分的一阶自由谐振频率一致，通常为20kHz。系统整体工作在三阶谐振频率附近，且各部件间的机械连接处为应力波的反节点。压电叠堆换能器在外加电场下产生高频振动并经过变幅杆放大后施加在被测试件上，从而使试件在高频交变应力下疲劳。
通常，低频以及中高频疲劳试验机受限于加载装置，导致其一阶谐振频率较低，测量耗时较大。因此对于一般金属材料，当采用低频以及中高频疲劳试验机试验时，如果在某应力水平下经受107周次循环不破坏时，可以认为该应力为疲劳极限。然而，随着工业技术的发展，飞机，汽车，高铁中的一些部件的疲劳寿命已经要求到达108周次至1010周次，低频疲劳试验机已经完全不能满足这些测试需求，因此超声疲劳试验机(20kHz)得到广泛发展。但是实际构件服役时所承受的载荷频率远低于20kHz，这使得利用超声疲劳试验机得到的测试结果难以使人信服。另外，高频振动产生的大量热量无法抑制，很大程度上影响到测量结果。因此，发展出一套kHz高频的(1～3kHz)，低发热的，低能耗的疲劳实验装置有助于解决上述问题。但是,设计出一套kHz高频的疲劳试验装置面临以下难点：1)传统的加载方式很难到达1～3kHz的频率。2)如果采用超声疲劳试验机逐段共振的设计思路，则需要大大提高压电叠堆，超声变幅杆，以及被测试件的长度。但是疲劳测试的标准对于被测构件的尺寸是有所要求的，并且麻木地增大试件尺寸会导致测量结果的巨大误差。
发明内容
针对以上难点，本发明提出了一种基于压电双叠堆共振驱动的kHz高频疲劳试验装置及方法。
本发明的一个目的在于提出一种基于压电双叠堆共振驱动的kHz高频疲劳试验装置，整个系统产生一阶共振，且应力幅值最大的点为被测疲劳试件的中心点。
本发明的基于压电双叠堆共振驱动的kHz高频疲劳试验装置包括：一对压电叠堆换能器、悬挂装置、函数发生器、高压电源和激光测振仪；其中，每一个压电叠堆换能器包括多个压电陶瓷圆环、金属电极片、连接柱、绝缘层、金属前盖板和金属后盖板，压电陶瓷圆环为环形的压电陶瓷，在压电陶瓷圆环的上底面和下底面分别喷制极化电极，压电陶瓷圆环沿厚度方向极化，多个形状相同的压电陶瓷圆环沿厚度方向同轴得堆叠在一起组成压电叠堆，相邻的压电陶瓷圆环的极化方向相反，相邻压电陶瓷圆环的接触面插入一个金属电极片，并且在压电叠堆的两个端面同样设置金属电极片，连接柱的直径与压电叠堆的内径相同，压电叠堆穿套在连接柱上，连接柱的两端分别固定安装金属前盖板和金属后盖板的中心，并且金属前盖板和金属后盖板给压电叠堆施加预应力，在压电叠堆的两端与金属前盖板和金属后盖板的接触面上设置绝缘层，从而组成压电叠堆换能器；两个压电叠堆换能器的形状和大小一致，但压电陶瓷圆环的极化方向保持对称，采用机械加持分别设置在被测疲劳试件的两端，构成测试系统，压电叠堆换能器的直径大于被测疲劳试件的直径，从而测试系统形成‘哑铃’式结构，这种‘哑铃’式结构在不增加被测疲劳试件长度的同时有效的降低了测试系统的谐振频率，使得整个测试系统的一阶谐振频率能够控制在1～3kHz；在每一个压电叠堆换能器的两端分别用悬挂装置拴住，使得‘哑铃’结构的测试系统的两端为自由的边界条件；在测试系统的一端设置激光测振仪；电叠堆换能器的金属电极片连接至高压电源，高压电源连接至函数发生器；函数发生器发射交流电压信号至高压电源；高压电源将交流电压信号放大后施加在压电叠堆换能器上，交流电压信号的频率与测试系统的一阶谐振频率一致；测试系统产生一阶共振，且应力幅值最大的点位于被测疲劳试件的中心点；利用激光测振仪实时测量测试系统共振时的端部速度，根据标定关系得出被测疲劳试件中心点的最大应力幅值；当疲劳试件破坏时，测试系统的谐振频率改变，端部速度显著下降，因此当激光测振仪记录到端部速度显著下降时停止试验，记录下测试所用时间，再根据一阶谐振频率计算出在此最大应力幅值下的循环周次，即疲劳寿命。
压电陶瓷圆环的外径为被测疲劳试件最小直径的10～20倍。
连接柱、金属前盖板和金属后盖板采用强度高且内耗小的材料，如高强钢。
压电陶瓷圆环的厚度为4mm～6mm。压电陶瓷圆环的总个数为4～10，通过调节个数使得测试系统的谐振频率在1～3kHz的范围内调节。压电陶瓷圆环的个数越多，长度越长导致系统的频率下降，反之上升。
金属电极片采用金属垫片。
连接柱的一端与金属前盖板或金属后盖板固定连接为一个整体，连接柱的另一端设置有外螺纹，金属后盖板或金属前盖板的中心具有内螺纹，通过螺纹连接拧入连接柱的另一端，从而给压电叠堆施加预应力。金属前盖板和金属后盖板给压电叠堆施加的预应力为压电陶瓷圆环的抗压强度的1/6～1/4。
悬挂装置采用软线。
测试系统的端部速度显著下降是指下降了10％以上，说明被测疲劳试件有断裂或裂纹已经被破坏了。
本发明的另一个目的在于提出一种基于压电双叠堆共振驱动的kHz高频疲劳试验装置的试验方法。
本发明的基于压电双叠堆共振驱动的kHz高频疲劳试验装置的试验方法，包括以下步骤：
1)将环形的压电陶瓷制成压电陶瓷圆环，在压电陶瓷圆环的上底面和下底面分别喷制极化电极，然后将压电陶瓷圆环沿厚度方向极化，再将多个形状相同的压电陶瓷圆环沿厚度方向同轴的堆叠在一起组成压电叠堆，相邻的压电陶瓷圆环的极化方向相反，相邻压电陶瓷圆环的接触面插入一个金属电极片，并且在压电叠堆的两个端面同样设置金属电极片；
2)分别在压电叠堆的两个端面设置金属电极片；
3)压电叠堆穿套在连接柱上，连接柱的直径与压电叠堆的内径相同；
4)将金属前盖板和金属后盖板的中心分别固定安装在连接柱的两端，并且金属前盖板和金属后盖板给压电叠堆施加预应力，并且在压电叠堆的两端与金属前盖板和金属后盖板的接触面上设置绝缘层，从而组成压电叠堆换能器；
5)两个压电叠堆换能器的形状和大小一致，但压电陶瓷圆环的极化方向保持对称，采用机械加持分别设置在被测疲劳试件的两端，构成测试系统，压电叠堆换能器的直径大于被测疲劳试件的直径，从而测试系统形成‘哑铃’式结构，这种‘哑铃’式结构在不增加被测试件长度的同时有效的降低了测试系统的谐振频率，使得整个测试系统的一阶谐振频率能够控制在1～3kHz；
6)在每一个压电叠堆换能器的两端分别用悬挂装置拴住，使得‘哑铃’结构的测试系统的两端为自由的边界条件；
7)在测试系统的一端设置激光测振仪；
8)电叠堆换能器的金属电极片连接至高压电源，高压电源连接至函数发生器；
9)函数发生器发射交流电压信号至高压电源；
10)高压电源将交流电压信号放大后施加在压电叠堆换能器上，交流电压信号的频率与测试系统的一阶谐振频率一致；
11)测试系统产生一阶共振，且应力幅值最大的点位于被测疲劳试件的中心点；
12)利用激光测振仪实时测量测试系统共振时的端部速度，根据标定关系得出被测疲劳试件中心点的最大应力幅值；当疲劳试件破坏时，测试系统的谐振频率改变，端部速度显著下降，因此当激光测振仪记录到端部速度显著下降时停止试验，记录下测试所用时间，再根据一阶谐振频率计算出在此最大应力幅值下的循环周次，即疲劳寿命。本发明的优点：
本发明采用两个对称的压电叠堆换能器作为驱动装置，压电叠堆的直径大于被测疲劳试件的直径，并与被测疲劳试件的两头采用机械加持连接，组成‘哑铃’式结构，这种‘哑铃’式结构在不增加被测疲劳试件长度的同时有效的降低了系统的谐振频率，使得整个系统的一阶谐振频率能够控制到1～3kHz；利用高压电源给压电双叠堆施加交变电压，并保证交变电压的频率与测试系统的一阶谐振频率一致，测试系统产生一阶共振，且应力幅值最大的点为被测疲劳试件的中心点，经过一段时间，被测疲劳试件即可发生疲劳破坏；本发明利用压电叠堆的共振来驱动疲劳试件，不仅大幅度提高了试验的频率，缩短了试验时间，还显著了降低了试验能耗；相对于超声疲劳试验机，这种压电双叠堆与被测疲劳试件组成的‘哑铃’式结构在不增加被测疲劳试件的长度的同时，大大的降低了试验频率，减小了发热量，使得测试环境与实际工况更加贴切。
附图说明
图1为本发明的基于压电双叠堆共振驱动的kHz高频疲劳试验装置的一个实施例的示意图；
图2为本发明的基于压电双叠堆共振驱动的kHz高频疲劳试验装置的一个实施例的压电叠堆的装配示意图；
图3为本发明的基于压电双叠堆共振驱动的kHz高频疲劳试验装置的一个实施例的测试系统的示意图，其中，(a)为立体图，(b)为尺寸图；
图4为本发明的基于压电双叠堆共振驱动的kHz高频疲劳试验装置的一个实施例的应力与速度分布图；
图5为本发明的基于压电双叠堆共振驱动的kHz高频疲劳试验装置的一个实施例的端部速度与被测疲劳试件中心最大应力幅值的关系图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的kHz基于压电双叠堆共振驱动的高频疲劳试验装置包括：一对压电叠堆换能器2、悬挂装置3、函数发生器6、高压电源5和激光测振仪7；其中，每一个压电叠堆换能器2包括多个压电陶瓷圆环、金属电极片、连接柱11、绝缘层、金属前盖板10和金属后盖板8，压电陶瓷圆环为环形的压电陶瓷，在压电陶瓷圆环的上底面和下底面分别喷制极化电极，压电陶瓷圆环沿厚度方向极化，多个形状相同的压电陶瓷圆环沿厚度方向同轴的堆叠在一起组成压电叠堆9，相邻的压电陶瓷圆环的极化方向相反，且相邻压电陶瓷圆环的接触面插入一个金属电极片，并且在压电叠堆的两个端面设置同样的金属电极片，连接柱的直径与压电叠堆的内径相同，压电叠堆穿套在连接柱11上，连接柱11的顶端固定安装金属前盖板10与之成为一个整体，连接柱11的底端具有外螺纹与金属后盖板8中心的内螺纹通过螺纹连接，如图2所示，并且金属前盖板10和金属后盖板8给压电叠堆施加足够大小的预应力，预应力为压电陶瓷圆环的抗压强度的1/5，金属前盖板10和金属后盖板8的直径与压电陶瓷圆环的直径相同，在压电叠堆的两端与金属前盖板10和金属后盖板8的接触面上设置绝缘层，从而组成压电叠堆换能器2；两个压电叠堆换能器2的形状和大小一致，但压电陶瓷圆环的极化方向保持对称，采用机械加持分别设置在被测疲劳试件1的两端，构成测试系统，如图3所示，压电叠堆换能器2的直径大于被测疲劳试件的直径，从而测试系统形成‘哑铃’式结构，这种‘哑铃’式结构在不增加被测疲劳试件长度的同时有效的降低了测试系统的谐振频率，使得整个测试系统的一阶谐振频率能够控制在1～3kHz；在每一个压电叠堆换能器2的两端分别用悬挂装置3拴住，使得‘哑铃’结构的测试系统的两端为自由的边界条件；在测试系统的一端设置激光测振仪7；电叠堆换能器的金属电极片通过导线4交替连接至高压电源5的正极和负极，高压电源5连接至函数发生器6。
本实施例的基于压电双叠堆共振驱动的高频疲劳试验装置的试验方法，包括以下步骤：
1)将环形的压电陶瓷制成压电陶瓷圆环，在压电陶瓷圆环的上底面和下底面分别喷制极化电极，然后将压电陶瓷圆环沿厚度方向极化，再将多个形状相同的喷制有极化电极的压电陶瓷圆环沿厚度方向同轴的堆叠在一起组成压电叠堆，相邻的压电陶瓷圆环的极化方向相反；
2)分别在压电叠堆的两个端面设置薄金属垫片作为金属电极片；
3)压电叠堆穿套在连接柱上，连接柱的直径与压电叠堆的内径相同；
4)将连接柱的顶端固定安装金属前盖板与之称为一个整体，连接柱的底端具有外螺纹，将金属后盖板拧入连接柱上，并且金属前盖板和金属后盖板给压电叠堆施加足够大小的预应力，预应力为压电陶瓷圆环的抗压强度的1/5，金属前盖板和金属后盖板的直径与压电陶瓷圆环的直径相同，并且在压电叠堆的两端与金属前盖板和金属后盖板的接触面上设置绝缘层，从而组成压电叠堆换能器，在金属后盖板的外围用螺丝将金属后盖板与连接柱锁死，保证在振动的过程中不产生滑动；
5)两个压电叠堆换能器的形状和大小一致，但压电陶瓷圆环的极化方向保持对称，两个压电叠堆换能器的金属前盖板分别于与被测疲劳试件的两端采用螺丝锁死，从而在被测疲劳试件的两端实现机械加持，构成测试系统，压电叠堆换能器的直径大于被测疲劳试件的直径，从而测试系统形成‘哑铃’式结构，这种‘哑铃’式结构在不增加被测疲劳试件长度的同时有效的降低了测试系统的谐振频率，使得整个测试系统的一阶谐振频率能够控制在1～3kHz；
6)在每一个压电叠堆换能器的两端分别用软绳拴住，使得‘哑铃’结构的测试系统的两端为自由的边界条件；
7)在测试系统的一端设置激光测振仪；
8)电叠堆换能器的金属电极片连接至高压电源，高压电源连接至函数发生器；
9)函数发生器发射交流电压信号至高压电源；
10)高压电源将交流电压信号放大后施加在压电叠堆换能器上，交流电压信号的频率与测试系统的一阶谐振频率一致；
11)测试系统产生一阶共振，且应力幅值最大的点位于被测疲劳试件的中心点；
12)利用激光测振仪实时测量测试系统共振时的端部速度，根据标定关系得出被测疲劳试件中心点的最大应力幅值；当疲劳试件破坏时，测试系统的谐振频率改变，端部速度显著下降，因此当激光测振仪记录到端部速度显著下降了15％停止试验，记录下测试所用时间，再根据一阶谐振频率计算出在此最大应力幅值下的循环周次，即疲劳寿命。
为了进一步验证本装置的实用性，利用该装置对低碳钢疲劳试件进行测试。疲劳试件的尺寸如图3所示，被测疲劳试件的设计参照标准GB/T 3075-2008，中间圆弧形的半径R为58.9mm，但需在其两端保留两个长方体块，杨氏模量210Gpa，密度7850kg/m3。压电叠堆换能器中的压电圆环材料是PZT-8,，尺寸为：外径D＝40mm，内径d＝15mm，厚度h＝4mm，数量n＝6。金属前盖板和金属后盖板的材质是高强钢，杨氏模量为210Gpa，密度为：7850kg/m3。金属前盖板包括大径部分和小径部分，其中大径部分的直径为40mm，长度为15mm，小径部分直径为20mm，长度为20mm，大径与小径部分中间采用光滑圆弧过渡，连接柱的直径15mm，长度54mm。金属后盖板的外径为40mm,内径为15mm,长度为30mm。通过测量得出系统的一阶谐振频率为：2109Hz。若以试件中心为x轴零点，经过计算可以得出系统的应力与速度分布如图4所示，可以看出应力最大点在被测疲劳试件中心，其余地方应力很小；而速度则是两端最大，中心为零。另外，通过有限元软件计算得出测试系统的端部速度与被测疲劳试件中心最大应力幅值成线性关系，如图5所示。最后利用高压电源施加320V，频率为2109Hz的电压，利用激光测振仪测得端部位速度值为0.138m/s，被测疲劳试件经过28.9个小时断裂，得出被测疲劳试件在200Mpa应力水平下的疲劳寿命是2.2×108周次。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种基于压电双叠堆共振驱动的kHz高频疲劳试验装置，其特征在于，所述kHz高频疲劳试验装置包括：一对压电叠堆换能器、悬挂装置、函数发生器、高压电源和激光测振仪；其中，每一个压电叠堆换能器包括多个压电陶瓷圆环、金属电极片、连接柱、绝缘层、金属前盖板和金属后盖板，压电陶瓷圆环为环形的压电陶瓷，在压电陶瓷圆环的上底面和下底面分别喷制极化电极，压电陶瓷圆环沿厚度方向极化，多个形状相同的压电陶瓷圆环沿厚度方向同轴的堆叠在一起组成压电叠堆，相邻的压电陶瓷圆环的极化方向相反，相邻压电陶瓷圆环的接触面插入一个金属电极片，并且在压电叠堆的两个端面同样设置金属电极片，连接柱的直径与压电叠堆的内径相同，压电叠堆穿套在连接柱上，连接柱的两端分别固定安装在金属前盖板和金属后盖板的中心，并且金属前盖板和金属后盖板给压电叠堆施加预应力，在压电叠堆的两端与金属前盖板和金属后盖板的接触面上设置绝缘层，从而组成压电叠堆换能器；两个压电叠堆换能器的形状和大小一致，但压电陶瓷圆环的极化方向保持对称，采用机械加持分别设置在被测疲劳试件的两端，构成测试系统，压电叠堆换能器的直径大于被测疲劳试件的直径，从而测试系统形成‘哑铃’式结构，这种‘哑铃’式结构在不增加被测疲劳试件长度的同时有效的降低了测试系统的谐振频率，使得整个测试系统的一阶谐振频率能够控制在1～3kHz；在每一个压电叠堆换能器的两端分别用悬挂装置拴住，使得‘哑铃’结构的测试系统的两端为自由的边界条件；在测试系统的一端设置激光测振仪；压电叠堆换能器的金属电极片连接至高压电源，高压电源连接至函数发生器；函数发生器发射交流电压信号至高压电源；高压电源将交流电压信号放大后施加在压电叠堆换能器上，交流电压信号的频率与测试系统的一阶谐振频率一致；测试系统产生一阶共振，且应力幅值最大的点位于被测疲劳试件的中心点；利用激光测振仪实时测量测试系统共振时的端部速度，根据标定关系得出被测疲劳试件中心点的最大应力幅值；当疲劳试件破坏时，测试系统的谐振频率改变，端部速度显著下降，因此当激光测振仪记录到端部速度显著下降时停止试验，记录下测试所用时间，再根据一阶谐振频率计算出在此最大应力幅值下的循环周次，即疲劳寿命。
2.如权利要求1所述的kHz高频疲劳试验装置，其特征在于，所述压电陶瓷圆环的外径为被测疲劳试件最小直径的10～20倍。
3.如权利要求1所述的kHz高频疲劳试验装置，其特征在于，所述连接柱、金属前盖板和金属后盖板采用强度高且内耗小的材料。
4.如权利要求1所述的kHz高频疲劳试验装置，其特征在于，所述压电陶瓷圆环的厚度为4mm～6mm；压电陶瓷圆环的总个数为4～10。
5.如权利要求1所述的kHz高频疲劳试验装置，其特征在于，所述连接柱的一端与金属前盖板或金属后盖板固定连接为一个整体，连接柱的另一端设置有外螺纹，金属后盖板或金属前盖板的中心具有内螺纹，通过螺纹连接拧入连接柱的另一端，从而给压电叠堆施加预应力。
6.如权利要求1所述的kHz高频疲劳试验装置，其特征在于，所述金属前盖板和金属后盖板给压电叠堆施加的预应力为压电陶瓷圆环的抗压强度的1/6～1/4。
7.如权利要求1所述的kHz高频疲劳试验装置，其特征在于，所述悬挂装置采用软线。
8.一种如权利要求1所述的基于压电双叠堆共振驱动的kHz高频疲劳试验装置的试验方法，其特征在于，所述试验方法包括以下步骤：
1)将环形的压电陶瓷制成压电陶瓷圆环，在压电陶瓷圆环的上底面和下底面分别喷制极化电极，然后将压电陶瓷圆环沿厚度方向极化，再将多个形状相同的压电陶瓷圆环沿厚度方向同轴的堆叠在一起组成压电叠堆，相邻的压电陶瓷圆环的极化方向相反，相邻压电陶瓷圆环的接触面插入一个金属电极片；
2)分别在压电叠堆的两个端面设置金属电极片；
3)压电叠堆穿套在连接柱上，连接柱的直径与压电叠堆的内径相同；
4)将金属前盖板和金属后盖板的中心分别固定安装在连接柱的两端，并且金属前盖板和金属后盖板给压电叠堆施加预应力，并且在压电叠堆的两端与金属前盖板和金属后盖板的接触面上设置绝缘层，从而组成压电叠堆换能器；
5)两个压电叠堆换能器的形状和大小一致，但压电陶瓷圆环的极化方向保持对称，采用机械加持分别设置在被测疲劳试件的两端，构成测试系统，压电叠堆换能器的直径大于被测疲劳试件的直径，从而测试系统形成‘哑铃’式结构，这种‘哑铃’式结构在不增加被测试件长度的同时有效的降低了测试系统的谐振频率，使得整个测试系统的一阶谐振频率能够控制在1～3kHz；
6)在每一个压电叠堆换能器的两端分别用悬挂装置拴住，使得‘哑铃’结构的测试系统的两端为自由的边界条件；
7)在测试系统的一端设置激光测振仪；
8)电叠堆换能器的金属电极片连接至高压电源，高压电源连接至函数发生器；
9)函数发生器发射交流电压信号至高压电源；
10)高压电源将交流电压信号放大后施加在压电叠堆换能器上，交流电压信号的频率与测试系统的一阶谐振频率一致；
11)测试系统产生一阶共振，且应力幅值最大的点位于被测疲劳试件的中心点；
12)利用激光测振仪实时测量测试系统共振时的端部速度，根据标定关系得出被测疲劳试件中心点的最大应力幅值；当疲劳试件破坏时，测试系统的谐振频率改变，端部速度显著下降，因此当激光测振仪记录到端部速度显著下降时停止试验，记录下测试所用时间，再根据一阶谐振频率计算出在此最大应力幅值下的循环周次，即疲劳寿命。
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