CN111855398A - 一种圆柱面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件 - Google Patents

一种圆柱面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件 Download PDF

Info

Publication number
CN111855398A
CN111855398A CN202010519125.0A CN202010519125A CN111855398A CN 111855398 A CN111855398 A CN 111855398A CN 202010519125 A CN202010519125 A CN 202010519125A CN 111855398 A CN111855398 A CN 111855398A
Authority
CN
China
Prior art keywords
working section
test piece
stress state
special
shaped
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010519125.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111855398B (zh
Inventor
魏大盛
马梦弟
王延荣
蒋向华
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beihang University
Original Assignee
Beihang University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beihang University filed Critical Beihang University
Priority to CN202010519125.0A priority Critical patent/CN111855398B/zh
Publication of CN111855398A publication Critical patent/CN111855398A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111855398B publication Critical patent/CN111855398B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/02—Details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/02—Details
    • G01N3/04—Chucks

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

一种圆柱面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件，整体为板状结构，中部为工作段，左右两侧为夹持段，工作段为菱性结构，两条对角线两侧部分对称。工作段上设计有柱面槽及异形孔；其中，柱面槽设计于工作段的正反面上，沿工作段上下方向对角线设计；异形孔为四个，分别开设于工作段由其两条角平分线所等分的四个部分上。通过单轴疲劳试验机实现对试验件的加载，在设计的柱面槽及异形孔下，最终在整个试验件的中心产生了水平方向拉伸、垂直方向压缩的多轴应力状态，形成典型的拉/压多轴应力状态。本发明可以实现对涡轮盘盘心处拉、压双轴状态的模拟，可以部分代替部件级考核试验，缩短结构设计周期，节省试验费用。

Description

一种圆柱面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件
技术领域
本发明针对叶轮机械叶片、轮盘、轴等典型结构的典型受力状态，设计能够反映结构应力特征的试验件结构，属于机械结构强度考核及模拟件设计的技术领域，具体来说是一种针对圆柱工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件。
背景技术
目前，在包括航空发动机、内燃机等在内的叶轮机械叶片、轮盘、轴等典型结构中，孔边、圆角等应力集中位置是容易出现疲劳裂纹并进而发生破坏的关键部位。为保证这些位置的工作安全，通常需要通过试验进行强度考核，特别是疲劳强度考核。对于部件而言，开展部件级试验进行整体结构考核，无疑周期长、费用高，同时，试验测试中存在很多不可控因素，因而，经常采用模拟件进行强度考核。以航空发动机结构为例，采用模拟件进行疲劳强度考核的有点主要有两方面：一方面，航空发动机部件/整机试验成本特别高，设计模拟件能够降低疲劳试验的成本；另一方面是因为航空发动机实际工作的环境比较复杂，难以准确模拟，在实验室环境下进行局部危险位置的考核更容易抓住重点。
航空发动机涡轮盘是关键结构件，其强度及寿命有着严格的要求，投入使用前需要开展各种测试工作，盘心、偏心孔、榫槽等部位都要作为重点考核部位。以航空发动机涡轮盘盘心为例，航空发动机在工作时，对于某些盘心较厚的中小型发动机涡轮盘，其盘心承受的载荷是呈多轴分布的，失效形式也是多轴疲劳失效，因此对该类轮盘盘心疲劳寿命的研究实质上是一个多轴疲劳问题，而模拟件也应该设计成多轴疲劳模拟件。通过合理设计，使得模拟件危险点处的应力分量以及应力梯度能够反映轮盘盘心处的应力状态，通过模拟件的寿命来预测轮盘盘心的疲劳寿命。
对于设计出来的多轴疲劳试验件，通常要在多轴疲劳试验机上开展试验，这又带来了研究过程中的另外一个难度，即载荷的施加方式收到很大的限制。采用多轴疲劳试验机加载，试验费用同样较高，而载荷通常为拉扭载荷，受限较多。为了使得模拟件更具有普遍性，结构形式简单，加载方便，使其能够在单向拉伸的试验设备上进行疲劳试验，而不是一定要在双向载荷设备上进行试验，这就需要合理设计模拟件，使得模拟件在单向拉伸的情况下，内部出现多轴应力状态。轮盘盘心处是多轴应力状态，所以需要对模拟件进行合理设计，使得模拟件在受到单向拉力的情况下，危险点呈现多轴应力状态，再通过对模拟件尺寸的调节，使得危险点处的应力状态与轮盘盘心处的应力状态一致，在单向拉伸的试验设备上对模拟件进行疲劳试验，记录模拟件形成疲劳裂纹所需要的载荷循环次数，根据试验所得数据来预测轮盘盘心的疲劳寿命。
用于研究疲劳裂纹萌生和早期裂纹扩展的试样有很多种，包括实心圆柱试样、管状试样和十字形试样，其中十字形试样是研究双轴拉伸应力下疲劳的理想试样，但十字形试样必须要在相应的双轴疲劳试验机上进行疲劳试验，比如给十字形试样一个方向上施加拉力而另一个方向上施加压力，十字形试样的中心处就会是双轴应力状态。
发明内容
针对现有模拟件设计技术中存在的问题，本发明提出一种圆柱面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件，该试验件可以通过单轴疲劳试验机实现加载，能够在单向拉伸的情况内部出现双轴应力状态，且这种双轴应力状态为，一个主应力为正(拉伸)，另一个主应力为负(压缩)。
本发明圆柱面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件，整体为板状结构，中部为工作段，左右两侧为夹持段，工作段为菱性结构，且工作段的两条对角线两侧部分对称。
上述工作段上设计有柱面槽及异形孔。其中，柱面槽设计于工作段的正反面上，沿工作段上下方向对角线设计。异形孔为四个，分别开设于工作段由其两条角平分线所等分的四个部分上。
通过单轴疲劳试验机对试验件的加载，在柱面槽及异形孔设计方式下，试验件两侧为拉伸载荷F，此时在F力的作用下，在上下相对位置的异形孔间形成的梁结构上产生拉伸主应力σ1；在左右相对位置的异形孔间形成的梁结构上产生了压缩主应力σ2，在这两个主应力的共同作用下，在试验件的中心产生了左右方向拉伸、竖直方向压缩的多轴应力状态，形成典型的拉/压多轴应力状态。
本发明的优点在于：
(1)本发明圆柱面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件，可以实现对涡轮盘盘心处拉、压双轴状态的模拟，可以部分代替部件级考核试验，缩短结构设计周期，节省试验费用。
(2)本发明圆柱面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件，可以在单轴加载的条件下实现双轴应力状态，降低了试验难度和费用，而传统的双轴疲劳试验件多为薄壁圆管，且需要在双轴疲劳试验机上开展试验。
附图说明
图1为本发明单轴加载实现双轴应力状态试验件结构示意图；
图2为图1中单轴加载实现双轴应力状态试验件C-C面剖视图；
图3为本发明单轴加载实现双轴应力状态试验件工作位置应力状态示意图；
图4为本发明单轴加载实现双轴应力状态试验件夹持端板状结构示意图；
图5为本发明单轴加载实现双轴应力状态试验件夹持端螺纹结构示意图。
图中：
1-菱形结构工作段 2-矩形结构夹持段 3-螺纹柱 101-柱面槽 102-异形孔
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明圆柱面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件，整体为板状结构，中部为菱形结构工作段1，左右两侧为矩形结构夹持段2，且菱性结构工作段1的两条对角线两侧部分对称。如图1、图2所示，上述菱形结构工作段1与矩形结构夹持段2的具体设计方式如下：
两侧矩形结构夹持段2端部分别与菱形结构工作段1中两个相对的夹角A与夹角B位置相接，且矩形结构夹持段2左右方向的中平分线，与夹角A和夹角B的对角线共线。同时设计两矩形结构夹持段2与菱形结构工作段1相接侧边之间为圆弧过渡，且设计菱形结构工作段1另两个相对的夹角C与夹角B为圆弧形。
上述菱形结构工作段1上设计有柱面槽101及异形孔102。其中柱面槽101设计于菱形结构工作段1的正反面上，沿菱形结构工作段1中夹角C与夹角D的对角线设计，且柱面槽101的两端贯通菱形结构工作段1周向侧壁。
所述异形孔102为四个，分别开设于菱形结构工作段1由其两条角平分线所等分的四个部分上，开设方式相同，具体为：
异形孔102为具有三条侧边的三角形结构，各角为圆弧形角；令异形孔102三条边为a、b、c；则其中，a边与异形孔101所在部分的菱形结构工作段1侧边平行，b边与c边分别与菱形结构工作段1的两条角平分线平行。通过上述结构的四个异形孔101和菱形结构工作段1外侧边轮廓共同构成了8根梁结构，分别为：上部左右两异形孔101之间的1号梁，下部左右两异形孔101之间的2号梁，左部上下两异形孔101之间的3号梁，右部上下两异形孔之间的4号梁，以及四个异形孔101的a边与菱形结构工作段外侧边间的5～8号梁，如图3所示。这些梁中，1～4号梁的交汇位置，即整个试验件的中心，为考核位置。
上述结构试验件的左右两端采用液压夹持的方式开展疲劳试验，通过试验机的液压夹头直接夹持试验件两侧的板状夹持段即可，如图4所示。且通过在试验件两端端部设计螺纹柱3，螺纹柱3的底面与试验件夹持段两侧面间圆弧过渡，通过螺纹柱3与试验机上的螺纹接头螺纹连接，可实现试验件与试验机间采用螺纹连接的方式开展疲劳试验，如图5所示。
通过单轴疲劳试验机实现对试验件的加载，在柱面槽101及异形孔102设计方式下，试验件两侧为拉伸载荷F，此时在F力的作用下，如图3所示，3号梁与4号梁上产生了拉伸主应力σ1；由于5号梁与6号梁对1号梁的压缩作用，7号梁与8号梁对2号梁的压缩作用，在1号梁与2号梁上产生了压缩主应力σ2，在这两个主应力的共同作用下，在考核位置，即整个试验件的中心产生了水平方向(左右方向)拉伸、垂直方向(上下方向)压缩的多轴应力状态，形成典型的拉/压多轴应力状态。
本发明试验件中，令试验件左右方向长度为L；整体厚度为B；柱面槽101处具有最小厚度为B1；夹持段2宽度为H；柱面槽101半径为R；异形孔102的三个圆弧半径分别为R1、R2、R3；5号～8号梁的宽度为H1，1号梁与2号梁的宽度为H2，3号梁与4号梁的宽度为H3。
其中，L、B用于确定试验件外形尺寸，根据试验机与材料坯料确定。R1、R2、R3以及H1、H2、H3的宽度可根据设计需求设计，具体设计方式为：
首先，根据有限元计算确定实际轮盘结构盘心(水平和垂直)的应力比值，即拉伸主应力σ1与压缩主应力σ2之间的比值，即所设计的试验件中心两个方向应力的比值；则通过多参数迭代方法，择优或寻优设计B1、R、H1、H2、H3的宽度，需使试验件中心应力比值达到所模拟的轮盘结构盘心考核点两个方向的应力比；进一步设计R1、R2、R3的半径，R1、R2、R3对试验件中心位置应力比的影响不大，但需要通过设计R1、R2、R3的半径，以及各圆弧之间的直线段长度，使危险位置(可能破坏的位置)位于试验件中心位置，而不是异形孔102边缘处；若当危险位置可能出现在异形孔三个圆弧位置时，适当增大R1、R2、R3半径，会减少其破坏的可能性。若当危险位置可能出现在异形孔三条直边位置时，同时调整R1、R2以及H1；或者同时调整R1、R3以及H3会减少其破坏的可能性。
综上本发明设计试验件，产生一个可用于模拟实际结构应力状态的双轴应力，进而用于结构的强度考核试验，从而缩短设计周期，降低试验成本。

Claims (6)

1.一种圆柱面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件，其特征在于：整体为板状结构，中部为工作段，左右两侧为夹持段，工作段为菱性结构，且工作段的两条对角线两侧部分对称；
上述工作段上设计有柱面槽及异形孔；其中，柱面槽设计于工作段的正反面上，沿工作段上下方向对角线设计；异形孔为四个，分别开设于工作段由其两条角平分线所等分的四个部分上。
2.如权利要求1所述一种圆柱面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件，其特征在于：所述异形孔为具有三条侧边的三角形结构，各角为圆弧形角；令异形孔三条边为a、b、c；其中a边与异形孔所在部分的工作段侧边平行，b边与c边分别与菱形结构工作段的两条角平分线平行。
3.如权利要求1所述一种圆柱面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件，其特征在于：夹持段与工作段左右对角相接位置处圆弧过渡；工作段上下对角为圆弧形。
4.如权利要求1所述一种圆柱面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件，其特征在于：采用液压夹持的方式开展疲劳试验。
5.如权利要求1所述一种圆柱面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件，其特征在于：夹持段端部设计螺纹柱，螺纹柱的底面与试验件夹持段两侧面间圆弧过渡，通过螺纹柱与试验机上的螺纹接头螺纹连接，实现采用螺纹连接的方式开展疲劳试验。
6.如权利要求1所述一种圆柱面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件，其特征在于：通过单轴疲劳试验机对试验件的加载，在柱面槽及异形孔设计方式下，试验件两侧为拉伸载荷F，此时在F力的作用下，在上下相对位置的异形孔间形成的梁结构上产生拉伸主应力σ1；在左右相对位置的异形孔间形成的梁结构上产生了压缩主应力σ2，在这两个主应力的共同作用下，在试验件的中心产生了左右方向拉伸、竖直方向压缩的多轴应力状态，形成典型的拉/压多轴应力状态。
CN202010519125.0A 2020-06-09 2020-06-09 一种圆柱面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件 Active CN111855398B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010519125.0A CN111855398B (zh) 2020-06-09 2020-06-09 一种圆柱面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010519125.0A CN111855398B (zh) 2020-06-09 2020-06-09 一种圆柱面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111855398A true CN111855398A (zh) 2020-10-30
CN111855398B CN111855398B (zh) 2021-06-29

Family

ID=72987898

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010519125.0A Active CN111855398B (zh) 2020-06-09 2020-06-09 一种圆柱面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111855398B (zh)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1633334A1 (ru) * 1988-04-08 1991-03-07 Институт Проблем Прочности Ан Усср Устройство дл испытаний образцов материалов на двухосное нагружение
CN2852103Y (zh) * 2005-10-21 2006-12-27 上海同磊土木工程技术有限公司 一种膜材拉伸试验机
CN201852747U (zh) * 2010-11-24 2011-06-01 大连民族学院 一种混凝土比例加载双轴拉的加载测试装置
CN104236974A (zh) * 2014-09-17 2014-12-24 南京航空航天大学 用于双轴力学测试的十字型试样及其制备方法与应用
CN104568591A (zh) * 2015-01-06 2015-04-29 上海交通大学 一种双轴拉伸测试装置
CN104913975A (zh) * 2015-05-22 2015-09-16 南京航空航天大学 带基体纤维束的双轴拉压试验件及其制备方法
CN105571942A (zh) * 2015-12-15 2016-05-11 中国科学院力学研究所 一种用于单轴材料试验机的双轴试验装置及试验方法
CN205580880U (zh) * 2016-05-09 2016-09-14 中国工程物理研究院总体工程研究所 用于多胞材料的四向等载加力装置
CN106932274A (zh) * 2017-03-07 2017-07-07 南京航空航天大学 用于材料双轴拉‑压加载试验的装置及方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1633334A1 (ru) * 1988-04-08 1991-03-07 Институт Проблем Прочности Ан Усср Устройство дл испытаний образцов материалов на двухосное нагружение
CN2852103Y (zh) * 2005-10-21 2006-12-27 上海同磊土木工程技术有限公司 一种膜材拉伸试验机
CN201852747U (zh) * 2010-11-24 2011-06-01 大连民族学院 一种混凝土比例加载双轴拉的加载测试装置
CN104236974A (zh) * 2014-09-17 2014-12-24 南京航空航天大学 用于双轴力学测试的十字型试样及其制备方法与应用
CN104568591A (zh) * 2015-01-06 2015-04-29 上海交通大学 一种双轴拉伸测试装置
CN104913975A (zh) * 2015-05-22 2015-09-16 南京航空航天大学 带基体纤维束的双轴拉压试验件及其制备方法
CN105571942A (zh) * 2015-12-15 2016-05-11 中国科学院力学研究所 一种用于单轴材料试验机的双轴试验装置及试验方法
CN205580880U (zh) * 2016-05-09 2016-09-14 中国工程物理研究院总体工程研究所 用于多胞材料的四向等载加力装置
CN106932274A (zh) * 2017-03-07 2017-07-07 南京航空航天大学 用于材料双轴拉‑压加载试验的装置及方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BO ZHONG ET AL.: "Multiaxial fatigue life prediction for powder metallurgy superalloy FGH96 based on stress gradient effect", 《INTERNATIONAL JOURNAL OF FATIGUE》 *
MAHMOOD M. SHOKRIEH ET AL.: "Multiaxial fatigue behaviour of unidirectional plies based on uniaxial fatigue experiments—II. Experimental evaluation", 《INTERNATIONAL JOURNAL OF FATIGUE》 *
马楠楠 等: "航空发动机叶片多轴疲劳试验研究进展", 《航空材料学报》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111855398B (zh) 2021-06-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112100765B (zh) 一种涡轮盘冷挤压强化孔结构的高低周复合疲劳试验件及设计方法
CN107421805A (zh) 一种用于复合材料板与铝合金板铆接件剪切试验的夹具
CN112729795B (zh) 一种叶根缘板过渡特征模拟试样
CN110849739A (zh) 一种混合型疲劳试验方法
CN111693371A (zh) 一种陶瓷基复合材料拉伸性能测试的测试工装
CN111855399B (zh) 一种球面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件
CN111855398B (zh) 一种圆柱面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件
CN109883820B (zh) 用于高温高频复杂载荷加载测试的试样夹持装置
CN202710399U (zh) 复合材料层合板螺栓连接挤压强度单搭接测试夹具
CN115144255B (zh) 一种单向纤维复合材料层间剪切强度分布的测试辅助装置
CN110008540B (zh) 一种基础激励下的舱段对接螺栓连接松动模拟方法
CN107677541B (zh) 提高碳纤维复合材料压缩试验试件对中精度夹具
CN111006943A (zh) 镍基单晶小试件的高温疲劳夹具及高温疲劳试验设备
CN115655869A (zh) 一种多向混合拉剪加载试验夹具及试验方法
CN113109141A (zh) 一种异形薄壁板状结构高温压缩试验夹具
CN209878471U (zh) 用于高温高频复杂载荷加载测试的试样夹持装置
CN111521466A (zh) 一种开口结构角隅疲劳试样及其专用夹具
CN201917492U (zh) 一种用于引伸计夹持的位移传递装置
CN110618046A (zh) 高温原位微动疲劳实验系统
CN213209719U (zh) 一种适用于钢筋机械接头的疲劳试验夹持装置
CN216208142U (zh) 一种双轴拉伸加载装置
Khalate et al. Detection of cracks present in composite cantilever beam by vibration analysis technique
CN112577839B (zh) 高速动车组车体搅拌摩擦焊型材结构疲劳试验方法
CN214472273U (zh) 一种金属材料夏比冲击功测试支座
CN219870640U (zh) 一种可调式纵-扭复合振动的超声疲劳试验变幅杆

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant