CN113340749A - 基于应力监测的高锁螺栓连接件疲劳裂纹扩展寿命预测法 - Google Patents

基于应力监测的高锁螺栓连接件疲劳裂纹扩展寿命预测法 Download PDF

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Abstract

本申请属于机械领域，尤其涉及一种基于应力监测的高锁螺栓连接件疲劳裂纹扩展寿命预测法，通过疲劳试验控制系统设置疲劳试验机对高锁螺栓标准试验件施加常幅载荷，在单细节标准试验件孔边粘贴箔式应变片，利用应力监测系统实时监测单细节标准试验件孔边应力变化，由NI数据采集器采集到的测试信号经应力监测系统发送至计算机进行实时处理，显示整个疲劳试验中应力随时间变化过程，依据单细节标准试验件孔边应力随时间变化规律，通过推论拟合曲线，得到裂纹扩展到0.8mm的裂纹扩展寿命。本申请系统结构简单，操作方便，由于不需要大量的断口分析工作，对传感器和采集设备要求不高，从而降低了劳动成本和所需试验设备的成本。

Description

基于应力监测的高锁螺栓连接件疲劳裂纹扩展寿命预测法
技术领域
本申请属于机械领域，尤其涉及一种基于应力监测的高锁螺栓连接件疲劳裂纹扩展寿命预测法。
背景技术
工程实际中，结构连接件通常采用强化处理。针对未经强化的单细节通孔试验件，通常采用在常幅载荷中加入标识载荷，试验结束后通过观察断口表面形成的条纹带反推裂纹扩展一定尺寸的寿命。
上述方法在通孔试验件疲劳试验中能够观察到条纹带，但实际发现在经过强化的高锁螺栓试验件疲劳试验中没有观察到用以反推计算裂纹形成寿命的清晰的条纹带。而且断口分析在结构疲劳试验中是一项依靠经验的技术，初学者难以在短时间掌握和准确地辨别。
现有专利如专利申请号为201910864063.4，名称为《一种水轮机顶盖螺栓疲劳预测方法》的发明专利，其技术方案为：本发明公开了一种水轮机顶盖螺栓疲劳预测方法，在时域范围内，对采集的应力荷载—时间历程数据，求应力荷载对时间历程的梯度得到应力幅值的功率密度；对顶盖螺栓材料的S-N曲线进行功率密度变换，得到螺栓材料的S-N功率密度曲线；在频域范围内，对采集数据应力幅值的功率密度进行短时傅里叶变换得到某一时刻应力幅值随频率变化曲线；结合螺栓材料S-N功率密度曲线，运用线性疲劳累计方法对顶盖螺栓进行疲劳寿命预测。上述专利仅仅是通过S-N曲线和线性疲劳累计方法进行疲劳寿命预测，其预测存在局限性，并不能全面和准确的对零件的疲劳寿命进行预测。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，现提供了一种基于应力监测的高锁螺栓连接件疲劳裂纹扩展寿命预测法。
为实现上述技术效果，本申请技术方案如下：
一种基于应力监测的单细节高锁螺栓连接试验件疲劳裂纹扩展寿命预测方法，包括疲劳试验机、疲劳试验控制系统、应力监测系统、计算机、NI数据采集器，疲劳试验机分别与疲劳试验控制系统NI采集器相连，NI采集器与应力监测系统信号相连，应力监测系统与计算机相连；上述疲劳试验机、疲劳试验控制系统、计算机、NI数据采集器和应力监测系统硬件部分为现有结构。
通过疲劳试验控制系统设置疲劳试验机对高锁螺栓标准试验件施加常幅载荷，在单细节标准试验件孔边粘贴箔式应变片，其中单细节标准试验件指只有一个孔的高锁螺栓标准试验件，利用应力监测系统实时监测单细节标准试验件孔边应力变化，由NI数据采集器采集到的测试信号经应力监测系统发送至计算机进行实时处理，显示整个疲劳试验中应力随时间变化过程，依据单细节标准试验件孔边应力随时间变化规律，通过经典公式推论拟合曲线，这里提到的经典公式为现有技术计算拟合曲线公知的经典公式，为现有技术，得到裂纹扩展到0.8mm的裂纹扩展寿命。0.8mm认为是一个上限值，本申请认为裂纹长度超过0.8mm会断裂。
具体包括以下步骤：
步骤1：疲劳试验控制系统设置在应力比0.05-0.15常幅载荷下对单细节高锁螺栓连接试验件进行拉伸疲劳试验直至试验件疲劳断裂；
步骤2：拉伸疲劳试验过程中，在单细节孔边两侧粘贴箔式应变片，将实时应力监测信号接入NI数据采集器，然后发送至计算机；
步骤3：计算机对传入的应变信号进行实时处理，显示单细节孔截面应力实时变化并保存所有应力随时间变化数据；
步骤4：依据理论推导单细节高锁螺栓疲劳试验孔边应力随时间变化规律，将试验数据通过公式拟合一条平滑的曲线；
步骤5：依据拟合的曲线判断裂纹开始扩展点并应用公式计算裂纹扩展到0.8mm时试验件裂纹扩展寿命；
步骤6：应用统计学方法预测单细节高锁螺栓连接试验件裂纹扩展寿命。
进一步地，所述标准试验件为单细节高锁螺栓连接试验件。
进一步地，所述步骤1中疲劳试验控制系统设置在应力比0.1。
进一步地，所述步骤2中箔式应变片的连接方式是1/4Ⅱ桥。
进一步地，所述步骤3中计算软件利用Visual C++编程，对孔截面应力变化进行实时显示。
进一步地，所述步骤4中拟合公式根据Paris-Erdrogan公式推导而来，拟合所需常数由疲劳试验中获取。
与现有的疲劳裂纹扩展寿命预测方法，本发明具有以下有益效果：
1、本发明中测试系统结构简单，操作方便，另外，本申请创新在于试验件的断口分析和通过疲劳裂纹扩展长度预测单细节高锁螺栓连接试验件疲劳寿命，由于不需要大量的断口分析工作，对传感器和采集设备的要求不高，从而降低了劳动成本和所需试验设备的成本。
2、本方法可靠性好，本发明中采用Paris-Erdrogan公式的推导公式对试验数据进行拟合，拟合结果与试验结果达到很好的一致性，具有良好的参照性。
3、本发明方法是通过对试验件断裂面的裂纹扩展情况进行观察分析，以裂纹扩展长度为主要研究对象。对单个试验件通过裂纹扩展模拟方法原理计算其寿命，对一组试验对象运用统计学方法拟合，进而预测同一规格零件的疲劳寿命。本发明方法是结合试验件的断口裂纹研究及裂纹扩展计算来预测零件疲劳寿命，而非仅仅通过S-N曲线和线性疲劳累计方法进行疲劳寿命预测。
附图说明
图1疲劳试验系统简图及裂纹扩展模拟示图。
图2裂纹扩展寿命预测方法总流程图。
图3有限宽板示意图。
图4裂纹扩展模拟方法流程图。
图5真实疲劳试验裂纹扩展模拟示图。
图6试验件数量对应变异系数水平列表。
图7常用置信水平90％对应的置信系数SC值。
图8常用可靠度99.9％对应的可靠系数SR值。
具体实施方式
下面对本发明的结构及工作过程作进一步说明：
本发明提出了一种基于应力监测的单细节高锁螺栓连接试验件疲劳试验及裂纹扩展寿命预测方法。本发明研究工作对于我国自主设计疲劳试验和预测疲劳裂纹扩展寿命提供了新的方法和思路。
如图1所示，通过疲劳试验控制系统设置疲劳试验机对高锁螺栓标准试验件施加常幅载荷，在单细节标准试验件孔边粘贴箔式应变片，利用应力监测系统实时监测试验件孔边应力变化，测试信号接入NI数据采集器并发送至计算机进行实时处理，显示整个疲劳试验中应力随时间变化过程，依据单细节标准试验件孔边应力随时间变化规律，通过经典公式推论拟合曲线，得到裂纹扩展到0.8mm的裂纹扩展寿命。
所述疲劳试验件为单细节高锁螺栓连接试验件，所述箔式应变片的连接方式是1/4Ⅱ桥，所述拟合公式根据Paris-Erdrogan公式推导而来，拟合所需常数由疲劳试验中获取。
该系统设置一台疲劳试验机，疲劳试验控制器与疲劳试验机相连控制疲劳试验机拉伸力，应力测量采用箔式应变片粘贴于单细节高锁螺栓连接试验件通孔两侧，箔式应变片与NI采集器间采用1/4Ⅱ桥的方式连接，用于获得高锁螺栓试验件通孔截面的实时应力数据，通过NI采集器将信号输入计算机，应用应力监测软件实时显示孔截面应力变化并保存应力随时间变化的数据。
要求在高锁螺栓孔两侧对称粘贴箔式应变片，监测得到两侧应力相同或相近。本发明针对单一试验件进行裂纹扩展寿命预测，然后可针对一定基数的试验件运用统计学方法计算单细节高锁螺栓连接试验件达到一定可靠度和置信度的裂纹扩展基本可靠性寿命。
如图2所示，图2是运用基于应力监测的高锁螺栓疲劳裂纹扩展寿命预测方法的流程图。
一种基于应力监测的高锁螺栓疲劳裂纹扩展寿命预测方法，具体步骤如下：
步骤1：疲劳试验控制系统设置在应力比0.1常幅载荷下对高锁螺栓试验件进行拉伸疲劳试验直至试验件疲劳断裂；
步骤2：拉伸疲劳试验过程中，在单细节孔边两侧粘贴箔式应变片，将实时应力监测信号接入NI数据采集器，然后发送至计算机；
步骤3：计算软件对传入的应变信号进行实时处理，显示单细节孔截面应力实时变化并保存所有应力随时间变化数据；
步骤4：依据理论推导单细节高锁螺栓疲劳试验孔边应力随时间变化规律，将试验数据通过公式拟合一条平滑的曲线；
步骤5：依据拟合的曲线判断裂纹开始扩展点并应用公式计算裂纹扩展到0.8mm时试验件裂纹扩展寿命；
步骤6：应用统计学方法预测单细节高锁螺栓连接试验件裂纹扩展寿命。
下面以其中一件高锁螺栓标准试验件疲劳试验以及裂纹扩展寿命预测过程说明：
首先进行疲劳控制器的设置和试验件的准备：参数设置前将试验次数清零。疲劳试验采用正弦常幅载荷激励，试验应力比为0.1，设置应力中值和幅值以及试验频率。将箔式应变片对称粘贴在高锁螺栓试验件通孔两侧。
然后打开液压动力源，调整压力大小为5Mpa，调整疲劳试验机上下夹具高度大于高锁螺栓试验件最大长度，将疲劳试验件放入夹槽内，调整疲劳试验机上下夹具使试验件保持垂直于地面状态紧固在上下夹具中间。
将液压动力源压力调高至15Mpa，用焊锡将箔式应变片采用1/4Ⅱ桥的连接方式连接到NI数据采集器上。
打开控制器开关，使疲劳试验机按照预定载荷拉伸疲劳试验件。打开数据采集软件，使软件界面实时显示孔截面应力变化，并按保存键实时采集应力随时间变化的数据。
将保存下来的数据绘图，分别得到试验中高锁螺栓试验件孔截面两侧应力随时间变化的曲线，应用Paris-Erdrogan公式推导而来的拟合公式和试验测量参数数据对试验数据进行分析处理，找到应力突变点并计算高锁螺栓试验件裂纹扩展寿命。
本发明的系统和方法原理详细介绍如下：
1、裂纹扩展模拟方法原理
假设试验件的裂纹长度只是试验件宽度的几分之一，因此，试验件可以满足有限宽板中心裂纹假设，如图3所示，其中σ为试验件的拉伸应力，a为裂纹长度。又由于a<<h，故其I型应力强度因子为：
Figure BDA0003048814040000051
由裂纹扩展速率的Paris-Erdrogan公式可知，
Figure BDA0003048814040000052
式中，N为应力循环次数，C为与材料相关的常数，n为指数。
将式(1)代入式(2)可得：
Figure BDA0003048814040000061
由式(3)可得，
Figure BDA0003048814040000062
对式(4)两边分别进行积分得，
Figure BDA0003048814040000063
由式(5)可得，
Figure BDA0003048814040000064
又由于循环次数N与累计循环时间t满足式(7)的关系，其中C1为与疲劳试验频率相关的常数，即
N＝C1t (7)
将式(7)代入式(6)得：
Figure BDA0003048814040000065
所以，
Figure BDA0003048814040000066
Figure BDA0003048814040000067
有
Figure BDA0003048814040000068
代入式(9)得：
Figure BDA0003048814040000069
由此可见，裂纹扩展随时间按指数规律变化，其中，a为裂纹长度，单位为毫米(mm)；t为时间，单位为小时(h)；m为指数；C0(m)为与指数m和材料相关的常数，需要根据试验数据进行拟合。裂缝扩展可以假设按按半圆扩展，其圆半径为裂纹长度a，因此裂纹扩展产生的截面面积损失为：
ΔA＝0.5×π×a2 (11)
设原来试件的截面积为A，试件拉伸力为F，则疲劳裂纹产生后，裂纹处的截面应力为：
Figure BDA0003048814040000071
裂纹扩展模拟方法的主要步骤包括：
(1)给定试验力，从试验数据中得到试件断裂时的最大应力σmax；
(2)由式(12)和(11)得到最大的裂纹长度amax；
(3)从试验数据中得到裂纹扩展的时间t0；
(4)在给定指数m的情况下，由式(10)可以得到常数C0，即，
C0＝amax/t0 m (13)
(5)给定总的模拟时间tT，由式(10)得到裂纹扩展的整个过程；由式(12)得到整个应力变化过程。
(6)给定可检裂纹长度a0，可以计算得到裂纹扩展到可见裂纹长度的总时间。
裂纹扩展模拟方法流程如图4所示，真实拟合曲线如图5所示。
2、单细节高锁螺栓连接试验件裂纹扩展寿命预测统计学方法原理
依据得到的单个高锁螺栓试验件裂纹扩展寿命，对一定基数的相同结构参数试验件进行统计学分析预测单细节高锁螺栓连接试验件裂纹扩展寿命。
计算一定基数的相同结构参数试验件的对数平均值，
Figure BDA0003048814040000072
计算一定基数的相同结构参数试验件的对数标准差，
Figure BDA0003048814040000073
根据公式(14)和(15)计算变异系数，依照图6确定有效试验件对应的有效数据，
Figure BDA0003048814040000074
依据有效数据的裂纹扩展寿命对数平均值计算裂纹扩展中值寿命，
Figure BDA0003048814040000081
计算可靠度99.9％置信度90％的裂纹扩展基本可靠性寿命，ST通常取1，SC和SR按图7、图8选取。
Figure BDA0003048814040000082

Claims (10)

1.基于应力监测的高锁螺栓连接件疲劳裂纹扩展寿命预测法，其特征在于：包括疲劳试验机、疲劳试验控制系统、应力监测系统、计算机、NI数据采集器，疲劳试验机分别与疲劳试验控制系统NI采集器相连，NI采集器与应力监测系统信号相连，应力监测系统与计算机相连；通过疲劳试验控制系统设置疲劳试验机对高锁螺栓标准试验件施加常幅载荷，在单细节标准试验件孔边粘贴箔式应变片，利用应力监测系统实时监测单细节标准试验件孔边应力变化，由NI数据采集器采集到的测试信号经应力监测系统发送至计算机进行实时处理，显示整个疲劳试验中应力随时间变化过程，依据单细节标准试验件孔边应力随时间变化规律，通过经典公式推论拟合曲线，得到裂纹扩展到0.8mm的裂纹扩展寿命。
2.根据权利要求1所述的基于应力监测的高锁螺栓连接件疲劳裂纹扩展寿命预测法，其特征在于：具体步骤如下
步骤1：疲劳试验控制系统设置在应力比0.05-0.15常幅载荷下对单细节高锁螺栓连接试验件进行拉伸疲劳试验直至试验件疲劳断裂；
步骤2：拉伸疲劳试验过程中，在单细节孔边两侧粘贴箔式应变片，将实时应力监测信号接入NI数据采集器，然后发送至计算机；
步骤3：计算机对传入的应变信号进行实时处理，显示单细节孔截面应力实时变化并保存所有应力随时间变化数据；
步骤4：依据理论推导单细节高锁螺栓疲劳试验孔边应力随时间变化规律，将试验数据通过公式拟合一条平滑的曲线；
步骤5：依据拟合的曲线判断裂纹开始扩展点并应用公式计算裂纹扩展到0.8mm时试验件裂纹扩展寿命；
步骤6：应用统计学方法预测单细节高锁螺栓连接试验件裂纹扩展寿命。
3.根据权利要求1所述的基于应力监测的高锁螺栓连接件疲劳裂纹扩展寿命预测法，其特征在于：所述标准试验件为单细节高锁螺栓连接试验件。
4.根据权利要求2所述的基于应力监测的高锁螺栓连接件疲劳裂纹扩展寿命预测法，其特征在于：所述步骤1中疲劳试验控制系统设置在应力比0.1。
5.根据权利要求2所述的基于应力监测的高锁螺栓连接件疲劳裂纹扩展寿命预测法，其特征在于：所述步骤2中箔式应变片的连接方式是1/4Ⅱ桥。
6.根据权利要求2所述的基于应力监测的高锁螺栓连接件疲劳裂纹扩展寿命预测法，其特征在于：所述步骤3中计算软件利用Visual C++编程，对孔截面应力变化进行实时显示。
7.根据权利要求2所述的基于应力监测的高锁螺栓连接件疲劳裂纹扩展寿命预测法，其特征在于：所述步骤4中拟合公式根据Paris-Erdrogan公式推导而来，拟合所需常数由疲劳试验中获取。
8.根据权利要求2所述的基于应力监测的高锁螺栓连接件疲劳裂纹扩展寿命预测法，其特征在于：
裂纹扩展模拟方法原理为：
假设试验件的裂纹长度只是试验件宽度的几分之一，因此，试验件可以满足有限宽板中心裂纹假设，其中σ为试验件的拉伸应力，a为裂纹长度，h为试验件宽度，又由于a<<h，故其I型应力强度因子为：
Figure FDA0003048814030000021
由裂纹扩展速率的Paris-Erdrogan公式可知，
Figure FDA0003048814030000022
式中，N为应力循环次数，C为与材料相关的常数，n为指数；
将式(1)代入式(2)可得：
Figure FDA0003048814030000023
由式(3)可得，
Figure FDA0003048814030000024
对式(4)两边分别进行积分得，
Figure FDA0003048814030000025
由式(5)可得，
Figure FDA0003048814030000026
又由于循环次数N与累计循环时间t满足式(7)的关系，其中C1为与疲劳试验频率相关的常数，即
N＝C1t (7)
将式(7)代入式(6)得：
Figure FDA0003048814030000031
所以，
Figure FDA0003048814030000032
令
Figure FDA0003048814030000033
有
Figure FDA0003048814030000034
代入式(9)得：
Figure FDA0003048814030000035
裂纹扩展随时间按指数规律变化，其中，a为裂纹长度，单位为毫米；t为时间，单位为小时；m为指数；C0(m)为与指数m和材料相关的常数，需要根据试验数据进行拟合；裂缝扩展可以假设按按半圆扩展，其圆半径为裂纹长度a，因此裂纹扩展产生的截面面积损失为：
ΔA＝0.5×π×a2 (11)
设原来试件的截面积为A，试件拉伸力为F，则疲劳裂纹产生后，裂纹处的截面应力为：
Figure FDA0003048814030000036
9.根据权利要求8所述的基于应力监测的高锁螺栓连接件疲劳裂纹扩展寿命预测法，其特征在于：
裂纹扩展模拟方法的主要步骤包括：
(1)给定试验力，从试验数据中得到试件断裂时的最大应力σmax；
(2)由式(12)和(11)得到最大的裂纹长度amax；
(3)从试验数据中得到裂纹扩展的时间t0；
(4)在给定指数m的情况下，由式(10)可以得到常数C0，即，
C0＝amax/t0 m (13)
(5)给定总的模拟时间tT，由式(10)得到裂纹扩展的整个过程；由式(12)得到整个应力变化过程。
(6)给定可检裂纹长度a0，可以计算得到裂纹扩展到可见裂纹长度的总时间。
10.根据权利要求9所述的基于应力监测的高锁螺栓连接件疲劳裂纹扩展寿命预测法，其特征在于：
单细节高锁螺栓连接试验件裂纹扩展寿命预测统计学方法原理为：
依据得到的单个高锁螺栓试验件裂纹扩展寿命，对一定基数的相同结构参数试验件进行统计学分析预测单细节高锁螺栓连接试验件裂纹扩展寿命；
计算一定基数的相同结构参数试验件的对数平均值，
Figure FDA0003048814030000041
计算一定基数的相同结构参数试验件的对数标准差，
Figure FDA0003048814030000042
根据公式(14)和(15)计算变异系数，依照图6确定有效试验件对应的有效数据，
Figure FDA0003048814030000043
依据有效数据的裂纹扩展寿命对数平均值计算裂纹扩展中值寿命，
Figure FDA0003048814030000044
计算可靠度99.9％置信度90％的裂纹扩展基本可靠性寿命，ST通常取1，SC和SR按照常规参数选择。
Figure FDA0003048814030000045
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