CN112577838A - 一种结构多轴随机振动疲劳试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构多轴随机振动疲劳试验装置及方法，通过改变试验装置结构的配重情况可以改变其固有频率和振动模态，使得不同振动模态下试验件疲劳危险部位的应力状态不同；在此基础上通过改变随机振动基础加速度激励的频率范围和功率谱密度量值，使得试验件结构在单轴激励载荷下被激发的振动模态组合情况以及各个模态下的振动能量比值发生变化，进而在试验件的疲劳危险部位产生不同非比例度的多轴随机应力响应状态。本发明消除了由于阻尼系数等不确定因素产生的动力学响应分析误差，载荷形式简单、应力响应分析方便且易于理解，能够为工程结构尤其是带缺口结构在随机振动载荷下多轴疲劳寿命分析方法的研究提供试验依据。

Description

一种结构多轴随机振动疲劳试验装置及方法

技术领域

本发明涉及疲劳断裂技术领域，尤其涉及一种结构多轴随机振动疲劳试验装置及方法。

背景技术

早期的振动疲劳试验条件只能支持进行共振条件下的疲劳试验，后来由于试验费用昂贵以及振动载荷下结构失效部位应力状态复杂等原因振动疲劳试验发展也受到一定影响，直到20世纪90年代人们对振动疲劳问题才进行了较系统的试验研究。工程结构中的许多零部件是在复杂振动载荷条件下服役的，结构件局部通常出现多轴应力状态进而发生疲劳破坏。由于结构振动疲劳的研究尚处于起步阶段，结构振动疲劳试验尤其是多轴振动疲劳试验的研究很少。因此，进行多轴振动疲劳试验对研究振动载荷下结构件局部出现多轴应力状态的疲劳破坏模式研究和疲劳寿命分析方法具有非常重要的意义。

传统的多轴振动疲劳试验都是通过同时在多个方向施加激励载荷进行的。这种做法首先需要使用多轴振动试验台对试验件施加多向激励载荷，因此对试验设施的要求十分严苛。此外在对振动试验进行有限元动力学仿真分析时会出现以下两个问题：一是为了完整地描述激励载荷状态，需要采用包含载荷历程互功率谱密度在内的功率谱密度矩阵(对于3轴激励载荷该矩阵为3×3矩阵)来表征各激励载荷之间的相关性，使得多轴振动疲劳试验的载荷无法采用单一指标进行规划；二是由于激励载荷不止一个，需要将结构模型在多个载荷下进行动力学分析，分别获取结构的动力学响应结果，然后再采用适当方式进行叠加得到实际载荷条件下的响应。尽管工程结构的多轴振动疲劳问题大多源自于多向激励载荷的作用，但是在开展多轴振动疲劳寿命分析方法研究的过程中并不一定要采用这种成本昂贵并且分析复杂的试验方式，因为多轴振动疲劳问题关注的是结构疲劳危险部位的多轴应力响应特性，完全可以通过试验件及其装配结构振动特性的设计来达到单轴外部激励载荷下局部疲劳危险部位产生多轴应力响应的目的。

近年来一些学者开始考虑采用上述施加单轴激励载荷获得多轴应力响应的方法进行多轴振动疲劳的试验研究，但是试验对象均为实际工程中的复杂结构或产品，试验数据量太小从而导致试验缺少系统完整性。因此发展结构多轴随机振动疲劳试验装置的设计方法需求十分迫切，该发明能够兼顾试验件结构自身振动特性、外部激励载荷确定以及随机振动响应分析等问题，具有良好的学术研究价值和工程应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种结构多轴随机振动疲劳试验装置及方法，能够实现在单轴外部激励条件下结构疲劳危险部位出现多轴随机振动应力响应，并且能够同时考虑外部激励载荷和系统自身振动特性对结构动力学响应的影响。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种结构多轴随机振动疲劳试验装置，包含薄壁开缝圆管试验件、夹具、承载盘、固定环和配重模块；

所述薄壁开缝圆管试验件为两端开口的空心圆管，其侧壁上设有两道和其端面平行且开口相反的开缝；

所述承载盘呈圆盘状，其上端面周向均匀设有若干用于固定配重块的通孔；

所述固定环的一端和所述承载盘下端面同轴固连，且固定环的侧壁上周向设有若干用于固定薄壁开缝圆管试验件的通孔；

所述夹具为一端开口一端封闭的空心圆柱体，夹具的封闭端中心设有用于将夹具固定在外界的通孔，夹具的侧壁周向设有若干用于固定薄壁开缝圆管试验件的通孔；

所述配重模块包含若干重量不等的配重块；所述配重块上设有用于和所述承载盘上通孔相配合的通孔，以便通过螺栓将配重块固定在承载盘上。

本发明还公开了一种该结构多轴随机振动疲劳试验装置的试验方法，包含以下步骤：

步骤1)，建立结构多轴随机振动疲劳试验装置的有限元模型；

步骤2)，调整设置薄壁开缝圆管试验件的壁厚t和开缝张开角度θ，并调整配重块；

步骤3)，对有限元模型进行结构模态分析，判断结构第一阶固有频率和第三阶固有频率差值是否小于100Hz以及前三阶模态是否同时包含弯曲和扭转振型，如果第一阶固有频率和第三阶固有频率差值小于100Hz并且前三阶模态同时包含弯曲和扭转振型，说明多轴随机振动疲劳试验装置系统的自身振动特性满足条件，执行步骤4)，否则跳转至步骤2)；

步骤4)，确定基础激励载荷功率谱密度函数，进行结构随机振动分析；

步骤5)，通过疲劳危险部位的主应力方向特征判断是否出现多轴应力状态，如果出现多轴应力状态，执行步骤6)，否则跳转至步骤4)；

步骤6)，根据当前薄壁开缝圆管试验件的壁厚t和开缝张开角度θ制作结构多轴随机振动疲劳试验装置，进行多轴振动疲劳试验。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.可以使得结构在单轴基础激励载荷下，其疲劳危险部位出现多轴随机应力加载；

2.能够综合考虑外部激励载荷和结构自身振动特性对结构应力响应结果的影响；

3.能够通过改变试验件尺寸、调整配重情况和激励载荷谱等方式施加不同非比例度的多轴随机振动载荷工况，对系统研究多轴随机振动疲劳寿命分析方法提供试验数据；

4.降低了开展结构多轴随机振动疲劳试验的设备要求，同时简化了外部激励载荷的表征方式和评估准则；

5.易于理解，便于操作，对不同材料的结构多轴随机振动疲劳试验研究具有通用性。

附图说明

图1(a)、图1(b)分别是本发明的结构多轴振动疲劳试验装置侧视图、立体结构示意图；

图2(a)、图2(b)分别是本发明中薄壁开缝圆管试验件的截面图、立体结构示意图；

图3(a)、图3(b)分别是本发明中夹具的剖视图、立体结构示意图；

图4是本发明中承载盘的结构示意图；

图5是本发明中配重块的结构示意图；

图6是结构多轴振动疲劳试验动力学响应测试流程；

图7是多轴随机振动疲劳试验装置的分析设计流程；

图8(a)、图8(b)分别是本发明中A型、B型配重形式的二维图；

图9(a)、图9(b)、图9(c)、图9(d)分别是基础激励加速度随机振动载荷谱PSD1和PSD2、PSD3、PSD4、PSD5的功率谱密度曲线；

图10(a)、图10(b)、图10(c)分别是A型配重第一阶、第二阶、第三阶振动模态变形情况示意图；

图11是A_4试验工况下结构疲劳危险部位的主应力矢量变化轨迹。

图中，1-配重块，2-承载盘，3-固定环，4-薄壁开缝圆管试验件，5-夹具。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

一种结构多轴随机振动疲劳试验装置，包含薄壁开缝圆管试验件、夹具、承载盘、固定环和配重模块；

所述薄壁开缝圆管试验件为两端开口的空心圆管，其侧壁上设有两道和其端面平行且开口相反的开缝；

所述承载盘呈圆盘状，其上端面周向均匀设有若干用于固定配重块的通孔；

所述固定环的一端和所述承载盘下端面同轴固连，且固定环的侧壁上周向设有若干用于固定薄壁开缝圆管试验件的通孔；

所述夹具为一端开口一端封闭的空心圆柱体，夹具的封闭端中心设有用于将夹具固定在外界的通孔，夹具的侧壁周向设有若干用于固定薄壁开缝圆管试验件的通孔；

所述配重模块包含若干重量不等的配重块；所述配重块上设有用于和所述承载盘上通孔相配合的通孔，以便通过螺栓将配重块固定在承载盘上。

如图1(a)、图1(b)所示，多轴随机振动疲劳试验装置包括薄壁开缝圆管试验件、夹具、承载盘、固定环和配重块这五个部分，其中薄壁开缝圆管试验件几何外形尺寸和配重块装配位置为可调整的设计变量。

如图2(a)、图2(b)所示，薄壁开缝圆管试验件是在薄壁圆管件上沿垂直于圆管轴线方向开缝加工得到的试验件，由多轴振动疲劳性能待研究评估的材料加工制作获得，是多轴振动疲劳试验中的试验件主体部分。

如果图3(a)、图3(b)所示，夹具是多轴振动疲劳试验装置的固定部件，薄壁开缝圆管试验件在圆柱侧面下方的四个孔与夹具圆柱侧面上的四个孔通过螺栓固支连接，夹具在圆柱下端面中心处的孔与振动台面上的螺纹孔通过螺栓连接固支连接，从而实现将振动台面产生的基础加速度随机振动激励加载到薄壁开缝圆管试验件上。为保证夹具的强度和刚度足够，建议选用钢材制作加工。

承载盘和配重块共同构成了多轴振动疲劳试验装置的配重部分。如图4所示，所述承载盘呈圆盘状，其圆盘端面沿周向均匀设有八个用于放置和固定配重块的固定孔，通过固定环侧面四个孔与薄壁开缝圆管圆柱侧面上部的四个孔通过螺栓固支连接；为了凸显配重形式产生质量惯性力的不对称性，建议承载盘选用密度较小同时能够保证承载盘强度和刚度的铝合金材料制作加工。如图5所示，所述配重块通过在圆柱母材沿中心轴线挖孔得到，配重块中心的阶梯孔与承载盘上的固定孔通过螺栓固支连接；同样为了凸显配重形式产生质量惯性力的不对称性，建议配重块选用密度较大的钢材制作加工。

如图6所示，外部激励载荷、结构振动特性和振动应力响应是结构多轴随机振动疲劳试验中动力学响应分析模块的三大组成部分。随机振动应力响应从外部随机振动载荷谱和振动疲劳试验装置系统自身的振动特性两个方面进行设计：外部载荷谱的频率范围和振动系统自身的固有频率分布共同决定了振动疲劳试验装置系统被激发的振动模态组合情况；外部载荷谱的功率谱密度量函数和振动系统自身的频响函数特性共同决定了振动疲劳试验装置系统在不同模态上振动能量的比值。因此通过改变振动疲劳试验装置自身固有频率特性和外部振动载荷的功率谱密度函数均能够改变结构疲劳危险部位的应力响应多轴非比例度，进而使得试验件在振动载荷作用下发生疲劳破坏的时间不同。

振动疲劳试验装置的自身振动特性可以通过改变配重情况进行调整：适当的配重条件可以实现结构前三阶固有频率较接近(第一阶固有频率与第三阶固有频率差值小于100Hz)，并且使得结构振动变形涵盖不同类型的振动模态(弯曲、扭转和拉压模态)，进而实现多轴非比例加载；

如图7所示，多轴随机振动疲劳试验装置的试验方法包含以下步骤：

步骤1)，建立结构多轴随机振动疲劳试验装置的有限元模型；

步骤2)，调整设置薄壁开缝圆管试验件的壁厚t和开缝张开角度θ，并调整配重块；

步骤3)，对有限元模型进行结构模态分析，判断结构第一阶固有频率和第三阶固有频率差值是否小于100Hz以及前三阶模态是否同时包含弯曲和扭转振型，如果第一阶固有频率和第三阶固有频率差值小于100Hz并且前三阶模态同时包含弯曲和扭转振型，说明多轴随机振动疲劳试验装置系统的自身振动特性满足条件，执行步骤4)，否则跳转至步骤2)；

步骤4)，确定基础激励载荷功率谱密度函数，进行结构随机振动分析；

步骤5)，通过疲劳危险部位的主应力方向特征判断是否出现多轴应力状态，如果出现多轴应力状态，执行步骤6)，否则跳转至步骤4)；

步骤6)，根据当前薄壁开缝圆管试验件的壁厚t和开缝张开角度θ制作结构多轴随机振动疲劳试验装置，进行多轴振动疲劳试验。

本试验装置发明能够通过比较加速度响应的试验测量结果和有限元分析结果校正有限元动力学分析模型，确保了作为疲劳寿命分析模块输入条件的动力学响应分析结果的计算精度。结构多轴振动疲劳寿命分析依次包括结构动力学响应分析和振动疲劳寿命分析两个模块，结构动力学响应分析结果准确是确保振动疲劳寿命分析结果可靠的前提条件，结构的有限元动力学模型校正为研究多轴疲劳寿命分析模型提供了条件。

本试验装置发明在单轴基础激励加速度载荷作用下，薄壁开缝圆管试验件结构的疲劳危险部位出现多轴随机振动应力状态。该有益效果降低了在开展多轴振动疲劳试验研究时对试验设备的要求，达到了使用单轴振动台进行多轴振动疲劳试验的目的。

本实验装置发明能够同时考虑试验装置系统的振动特性和外部振动载荷谱两方面对试验装置结构多轴随机应力响应的影响。通过改变配重情况即可调整试验装置系统的振动特性，通过改变基础激励载荷的频率范围和功率谱密度量值即可调整结构被激发的振动模态，从而能够全面考虑各种多轴应力响应状态对疲劳寿命的影响。

下面以具体试验进行举例说明：

如图8(a)、图8(b)所示结构多轴随机振动疲劳试验配重形式共计2种：A型和B型。基础激励加速度载荷共计5种，分别记为PSD1～PSD5，分别如图9(a)、图9(b)、图9(c)、图9(d)所示。其中PSD1仅覆盖结构第一阶固有频率；PSD2、PSD3和PSD4覆盖结构前两阶固有频率，仅第二阶固有频率附近频段(50～80Hz)内PSD量值不同；PSD5覆盖结构前三阶固有频率，在20～80Hz频段内与PSD4的PSD量值一致，比PSD4多出80～100Hz频段部分的载荷。根据配重形式和基础激励加速度载荷谱共设计载荷工况5种，如表1所示。

表1

采用锤击法进行结构模态试验，获取结构固有频率和振型，结构前5阶固有频率如表2所示。

表2

通过电动振动台施加基础激励加速度载荷，进行多轴随机振动疲劳试验。每种工况做5个试验件，共计25个试验件。振动疲劳寿命试验结果如表3所示。

表3

从结构振动模态(变形特征多轴)以及结构疲劳危险部位的主应力矢量变化轨迹(应力状态多轴)两个角度可以证实本试验装置设计方法能够通过单轴基础激励载荷实现多轴随机振动加载。

A型配重结构前三阶振动模态变形情况如图10(a)、10(b)、10(c)所示：一阶模态振型为绕X轴的弯曲振型(f₁＝34.5Hz)；二阶模态振型为绕Y轴的弯曲振型(f₂＝69.25Hz)；三阶模态振型主要为绕Z轴的扭转振型，伴有少量弯曲振型(f₃＝90.25Hz)。以上三种不同方向或不同形式的振型变形特征表明：在基础激励随机振动加速度载荷频段内，结构变形历程由以上三种不同的振型特征叠加组合而成，具有明显的多轴变形特征。

结构在A_4试验工况下结构疲劳危险部位的主应力矢量变化轨迹如图11所示：第一主应力(如实线所示)和第三主应力(如带方框点划线所示)均出现明显偏折，说明第一主应力和第三主应力矢量方向在随机振动分析频段内变化显著，即疲劳危险部位出现多轴随机应力加载。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种结构多轴随机振动疲劳试验装置，其特征在于，包含薄壁开缝圆管试验件、夹具、承载盘、固定环和配重模块；

所述薄壁开缝圆管试验件为两端开口的空心圆管，其侧壁上设有两道和其端面平行且开口相反的开缝；

所述承载盘呈圆盘状，其上端面周向均匀设有若干用于固定配重块的通孔；

所述固定环的一端和所述承载盘下端面同轴固连，且固定环的侧壁上周向设有若干用于固定薄壁开缝圆管试验件的通孔；

所述夹具为一端开口一端封闭的空心圆柱体，夹具的封闭端中心设有用于将夹具固定在外界的通孔，夹具的侧壁周向设有若干用于固定薄壁开缝圆管试验件的通孔；

所述配重模块包含若干重量不等的配重块；所述配重块上设有用于和所述承载盘上通孔相配合的通孔，以便通过螺栓将配重块固定在承载盘上。

2.基于权利要求1所述的结构多轴随机振动疲劳试验装置的试验方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1），建立结构多轴随机振动疲劳试验装置的有限元模型；

步骤2），调整设置薄壁开缝圆管试验件的壁厚t和开缝张开角度θ，并调整配重块；

步骤3），对有限元模型进行结构模态分析，判断结构第一阶固有频率和第三阶固有频率差值是否小于100Hz以及前三阶模态是否同时包含弯曲和扭转振型，如果第一阶固有频率和第三阶固有频率差值小于100Hz并且前三阶模态同时包含弯曲和扭转振型，说明多轴随机振动疲劳试验装置系统的自身振动特性满足条件，执行步骤4），否则跳转至步骤2）；

步骤4），确定基础激励载荷功率谱密度函数，进行结构随机振动分析；

步骤5），通过疲劳危险部位的主应力方向特征判断是否出现多轴应力状态，如果出现多轴应力状态，执行步骤6），否则跳转至步骤4）；

步骤6），根据当前薄壁开缝圆管试验件的壁厚t和开缝张开角度θ制作结构多轴随机振动疲劳试验装置，进行多轴振动疲劳试验。

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