CN113776964B - 一种特征结构模拟件疲劳极限的测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种特征结构模拟件疲劳极限的测试方法，包括步骤在疲劳加载测试，以满足名义循环周次Nlife且未发生断裂为达成条件，每达成条件一次，则初始应力增加5％作为最大应力SMAX，并通过上述的关系得到对应的施加载荷Fi(i＝2,3,…,n)，以施加载荷Fi对特征结构模拟件继续进行疲劳加载测试，直至发生断裂，结束疲劳加载测试。本发明提供的特征结构模拟件疲劳极限的测试方法，适用于几乎所有几何结构复杂的模拟件；同时，对没有或轻微疲劳Coaxing效应的材料均适用，典型如钛铝、钛合金等，适用范围广，且适用的限制条件少。

Description

一种特征结构模拟件疲劳极限的测试方法
技术领域
本发明涉及材料疲劳极限测试技术领域，具体提供一种特征结构模拟件疲劳极限的测试方法。
背景技术
材料应用于实际构件时，往往具有一定的结构特征，在模拟环境下利用实际构件一种或多种几何特征设计的特征结构模拟件进行测试，可真实反映结构特征的服役性能。但是，特征结构模拟件加工成本高、测试成本高，实物取样时样品数量更是极其有限，而传统升降法疲劳极限测试需要大量样品，因此，如何用有限的模拟件获得特征部位的疲劳极限十分关键。
同时，对于如钛铝合金等脆性材料来说，其具有很强的脆性倾向，导致力学性能在不同试样间分散性大、疲劳强度对载荷水平极其敏感等，即便是标准试样的疲劳极限测试，也需要比传统金属更多的试样数量。
申请号为CN201510850219.5的发明专利公开了一种基于应变增量的疲劳极限快速预测方法。在梯度应力载荷下，应变量变化规律与温升变化规律十分相似，Luong法可用梯度载荷下对应的稳定温升值预测疲劳极限，利用梯度载荷下的应变量理论上可以快速预测疲劳极限。但是，上述预测方法难以获得具有复杂几何特征结构试件的疲劳极限。
有鉴于此，有必要设计一种改进的特征结构模拟件疲劳极限的测试方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是：在于提供特征结构模拟件疲劳极限的测试方法。
本发明的技术方案是：
提供一种特征结构模拟件疲劳极限的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，安装好具备预定几何特征设计的特征结构模拟件，利用有限元模拟的计算方式，获得特征结构模拟件的施加载荷F与对应最大应力SMAX之间的关系；
获取所述特征结构模拟件所采用材料的名义疲劳极限Slife和名义循环周次Nlife；
步骤2，由名义疲劳极限Slife和预定比例系数得到初始应力，将初始应力作为最大应力SMAX，并通过上述的关系得到对应的施加载荷F1，以施加载荷F1对特征结构模拟件进行疲劳加载测试；
在疲劳加载测试，以满足名义循环周次Nlife且未发生断裂为达成条件，每达成条件一次，则初始应力增加5％作为最大应力SMAX，并通过上述的关系得到对应的施加载荷Fi(i＝2,3,…,n)，以施加载荷Fi对特征结构模拟件继续进行疲劳加载测试，直至发生断裂，结束疲劳加载测试；
步骤3，由发生断裂时的施加载荷Fn和所述关系得到施加载荷Fn所对应的最大应力Sfail；获取发生断裂时的施加载荷Fn所对应的疲劳循环周次Nn；
步骤4，根据所述疲劳循环周次Nn和疲劳载荷Fn，计算得到所述特征结构模拟件的疲劳极限S′e，公式为：
Figure BDA0003226758300000021
其中，
Figure BDA0003226758300000022
进一步的，疲劳循环周次Nn<名义循环周次Nlife。
进一步的，所述特征结构模拟件的几何特征包括孔、圆角、薄截面、异型截面、非完整性表面中的一种或者多种组合。
进一步的，所述特征结构模拟件的材料为Coaxing效应不明显的金属或合金中的一种。
进一步的，所述疲劳加载测试在80％的名义疲劳极限Slife所对应的疲劳测试载荷下实施。
进一步的，步骤S1中，最大应力Smax根据特征结构模拟件所采用的材料特性选择Von Mises等效应力或最大主应力。
进一步的，步骤S1的具体过程为：将特征结构模拟件和卡具连接好以后，设置相应材料与接触属性，卡具采用纯弹性本构，特征结构模拟件利用弹塑性本构，计算载荷F增长过程中模拟件的等效应力分布与最大应力位置，进而获得特征结构模拟件的最大应力Smax和施加载荷F两者之间的关系。
进一步的，步骤S2中，所述特征结构模拟件所采用材料的名义疲劳极限Slife和所述疲劳极限Slife对应的名义循环周次Nlife的获取方法为：查找材料性能手册或利用常规疲劳性能试验方法获得。
本发明的优点是：1、本发明提供的特征结构模拟件疲劳极限的测试方法，适用于几乎所有几何结构复杂的模拟件；同时，对没有或轻微疲劳Coaxing效应的材料均适用，典型如钛铝、钛合金等，适用范围广，且适用的限制条件少。
2、本发明提供的特征结构模拟件疲劳极限的测试方法，结合标准试样疲劳极限与特征结构模拟件载荷―最大应力的有限元计算结果设定初始载荷，上述两者结合，能够提高初始载荷设置的准确度与测试疲劳极限的精确度；另外，使用本发明提供的测试方法理论上1个结构特征模拟件就能获得该预定几何结构的模拟件的疲劳极限，且该阶梯加载法所获得的疲劳极限与传统方法得到的疲劳极限非常接近，表明该方法具备较高的测试精度。
3、本发明提供的特征结构模拟件疲劳极限的测试方法，可获得每个结构特征模拟件的疲劳极限，相比于现有技术采用的升降法测疲劳极限的方法，可显著节省测试结构特征试件的数量，快速且低成本地获得结构特征模拟件的疲劳极限，用于验证模拟件设计方案或进一步优化设计。
4、本发明提供的特征结构模拟件疲劳极限的测试方法，采用有限元方法来确定实验工况的初始载荷，使得结构特征模拟件与真实工况下的结构件保留了具有相同的接触载荷和疲劳损伤形式，在保持接触应力等效的基础上确定疲劳试验的初始载荷，具备快速准确设置初始载荷的优点；并且利用台阶加载确定疲劳极限针对的是具备预定几何形状的结构件而并非纯材料试样，在稳定载荷下疲劳一定的循环周次，如果不发生断裂才增加一级台阶应力，并且最终的疲劳极限以发生断裂的台阶应力和前一级台阶应力以及断裂前疲劳的周次来确定，具备经济且准确获得特征结构模拟件疲劳极限的优点。
附图说明
图1为本发明提供的有限元求解特征结构模拟件最大应力过程及应力分布图。
图2为本发明提供的特征结构模拟件最大应力位置应力水平和外加载荷的对应关系图。
图3为本发明提供的初始疲劳载荷选择示意图。
图4为本发明提供的阶梯加载示意图。
图5为本发明提供的特征结构模拟件阶梯加载得到的疲劳极限图。
具体实施方式
下面就具体实施例对本发明进行详细阐述。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本发明提供了一种特征结构模拟件疲劳极限的测试方法，包括如下步骤：
S1，安装好具备预定几何特征设计的特征结构模拟件，利用有限元模拟的计算方式，获得特征结构模拟件的施加载荷F与对应最大应力SMAX之间的关系；
获取所述特征结构模拟件所采用材料的名义疲劳极限Slife和名义循环周次Nlife；
S2，由名义疲劳极限Slife和预定比例系数得到初始应力，将初始应力作为最大应力SMAX，并通过上述的关系得到对应的施加载荷F1，以施加载荷F1对特征结构模拟件进行疲劳加载测试；
在疲劳加载测试，以满足名义循环周次Nlife且未发生断裂为达成条件，每达成条件一次，则初始应力增加5％作为最大应力SMAX，并通过上述的关系得到对应的施加载荷Fi(i＝2,3,…,n)，以施加载荷Fi对特征结构模拟件继续进行疲劳加载测试，直至发生断裂，结束疲劳加载测试；
S3，由发生断裂时的施加载荷Fn和所述关系得到施加载荷Fn所对应的最大应力Sfail；获取发生断裂时的施加载荷Fn所对应的疲劳循环周次Nn；
S4，根据所述疲劳循环周次Nn和疲劳载荷Fn，计算得到所述特征结构模拟件的疲劳极限S′e，公式为：
Figure BDA0003226758300000051
其中，
Figure BDA0003226758300000052
优选的，所述预定比例系数为70％～80％。
优选的，所述疲劳循环周次Nfail＜名义循环周次Nlife。
优选的，步骤S2中，所述特征结构模拟件所采用材料的名义疲劳极限Slife和所述疲劳极限Slife对应的循环周次Nlife的获取方法为：查找材料性能手册或利用常规疲劳性能试验方法获得。
优选的，步骤S1中，最大应力Smax根据特征结构模拟件所采用的材料特性选择VonMises等效应力或最大主应力。
优选的，步骤S1的具体过程为：将特征结构模拟件和卡具连接好以后，设置相应材料与接触属性，卡具采用纯弹性本构，特征结构模拟件利用弹塑性本构，计算载荷F增长过程中模拟件的等效应力分布与最大应力位置，进而获得特征结构模拟件的最大应力Smax和施加载荷F两者之间的关系。
优选的，所述特征结构模拟件的几何特征设计包括但不限于为孔、圆角、薄截面、异型截面、非完整性表面、连接等结构特征中的一种或者多种组合。
优选的，所述特征结构模拟件的材料为钛铝合金、钛合金、钛基复合材料、高温合金等Coaxing效应不明显的金属或合金中的一种。
实施例1
本发明实施例1提供了一种特征结构模拟件疲劳极限的测试方法，包括如下步骤：
S1，安装好具备预定几何特征设计的特征结构模拟件，利用有限元模拟的计算方式，获得特征结构模拟件的最大应力Smax和施加载荷F两者之间的关系，具体过程为：
如图1所示，采用几何特征设计为榫齿连接的特征结构模拟件作为测试对象，将特征结构模拟件和卡具连接好以后，设置相应材料(钛铝合金)与接触属性，卡具采用纯弹性本构，特征结构模拟件利用弹塑性本构，计算载荷F增长过程中模拟件的等效应力分布与最大应力位置，进而获得特征结构模拟件的最大应力Smax和施加载荷F两者之间的关系，如图2所示；
S2，利用常规疲劳性能试验方法，获取所述特征结构模拟件所采用钛铝合金材料的名义疲劳极限Slife和所述名义疲劳极限Slife对应的名义循环周次Nlife；其中，名义疲劳极限Slife为460MPa；名义循环周次Nlife-107。
S3，在80％的名义疲劳极限Slife(即0.8×Slife)所对应的疲劳载荷下进行疲劳加载测试，所述疲劳载荷由步骤S1中的最大应力Smax和施加载荷F之间的关系计算得到；如图3所示，通过计算，本实施例中，疲劳载荷的具体值为368MPa，对应拉伸载荷31.5kN。
S4，在进行名义循环周次Nlife的周次循环后，如果所述特征结构模拟件未发生断裂，则按照步骤S3的操作工艺，并将所述疲劳载荷的幅值增加5％，得到下一个疲劳载荷，继续进行疲劳加载测试，如此循环进行阶梯式疲劳加载测试，如图4所示，直至所述特征结构模拟件发生断裂。
S5，记录所述特征结构模拟件在最后一阶段阶梯式疲劳加载测试接近断裂时所对应的疲劳循环周次Nfail和疲劳载荷Sfail，计算得到所述特征结构模拟件的疲劳极限S′e，具体计算公式为：
Figure BDA0003226758300000071
其中，
Figure BDA0003226758300000072
为最后一个经历Nlife周次循环仍未发生断裂阶段对应的应力；
Figure BDA0003226758300000073
为最后一次疲劳载荷增量；其中一个试样Nfail＝5×104；Sfail＝425MPa；
如图5所示，根据上述公式，计算得到本实施例1提供的特征结构模拟件的平均疲劳极限S′e为446MPa。
需要注意的是，本领域的技术人员应当理解，所述特征结构模拟件的几何特征设计还可以为孔、圆角、薄截面、异型截面、非完整性表面等结构特征中的一种或者多种组合；所述特征结构模拟件的材料还可以为钛合金、钛基复合材料、高温合金等Coaxing效应不明显的金属或合金中的一种，通过本发明提供的测试方法均能够快速且低成本地获得结构特征模拟件的疲劳极限，同时，且该阶梯加载法所获得的疲劳极限与传统方法得到的疲劳极限非常接近，表明该方法具备较高的测试精度。
综上所述，本发明提供了一种特征结构模拟件疲劳极限的测试方法。该测试方法首先利用有限元模拟的计算方式，获得特征结构模拟件的最大应力和施加载荷两者之间的关系；然后获取所述特征结构模拟件所采用材料的名义疲劳极限和所述名义疲劳极限对应的名义循环周次；接着，进行阶梯式疲劳加载测试，直至所述特征结构模拟件发生断裂；记录所述特征结构模拟件在最后一阶段阶梯式疲劳加载测试接近断裂时所对应的疲劳循环周次和疲劳载荷，计算得到所述特征结构模拟件的疲劳极限。通过该测试方法，可获得每个结构特征模拟件的疲劳极限，相比于现有技术采用的升降法测疲劳极限的方法，可显著节省测试结构特征试件的数量，快速且低成本地获得结构特征模拟件的疲劳极限，用于验证模拟件设计方案或进一步优化设计。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种特征结构模拟件疲劳极限的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，安装好具备预定几何特征设计的特征结构模拟件，利用有限元模拟的计算方式，获得特征结构模拟件的施加载荷F与对应最大应力SMAX之间的关系；
获取所述特征结构模拟件所采用材料的名义疲劳极限Slife和名义循环周次Nlife；
其中，将特征结构模拟件和卡具连接好以后，设置相应材料与接触属性，卡具采用纯弹性本构，特征结构模拟件利用弹塑性本构，计算载荷F增长过程中模拟件的等效应力分布与最大应力位置，进而获得特征结构模拟件的最大应力Smax和施加载荷F两者之间的关系；
步骤2，由名义疲劳极限Slife和预定比例系数得到初始应力，将初始应力作为最大应力SMAX，并通过上述的关系得到对应的施加载荷F1，以施加载荷F1对特征结构模拟件进行疲劳加载测试；
在疲劳加载测试，以满足名义循环周次Nlife且未发生断裂为达成条件，每达成条件一次，则初始应力增加5％作为最大应力SMAX，并通过上述的关系得到对应的施加载荷Fi(i＝2,3,…,n)，以施加载荷Fi对特征结构模拟件继续进行疲劳加载测试，直至发生断裂，结束疲劳加载测试；
步骤3，由发生断裂时的施加载荷Fn和所述关系得到施加载荷Fn所对应的最大应力Sfal；获取发生断裂时的施加载荷Fn所对应的疲劳循环周次Nn；
步骤4，根据所述疲劳循环周次Nn和疲劳载荷Fn，计算得到所述特征结构模拟件的疲劳极限S′e，公式为：
Figure FDA0004006115740000011
其中，
Figure FDA0004006115740000012
2.根据权利要求1所述的一种特征结构模拟件疲劳极限的测试方法，其特征在于：疲劳循环周次Nn<名义循环周次Nlife。
3.根据权利要求1所述的一种特征结构模拟件疲劳极限的测试方法，其特征在于：所述特征结构模拟件的几何特征包括孔、圆角、薄截面、异型截面、非完整性表面中的一种或者多种组合。
4.根据权利要求1所述的一种特征结构模拟件疲劳极限的测试方法，其特征在于：所述特征结构模拟件的材料为Coaxing效应不明显的金属中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种特征结构模拟件疲劳极限的测试方法，其特征在于：所述疲劳加载测试在80％的名义疲劳极限Slife所对应的疲劳测试载荷下实施。
6.根据权利要求1所述的一种特征结构模拟件疲劳极限的测试方法，其特征在于：步骤1中，最大应力Smax根据特征结构模拟件所采用的材料特性选择Von Mises等效应力或最大主应力。
7.根据权利要求1所述的一种特征结构模拟件疲劳极限的测试方法，其特征在于：步骤2中，所述特征结构模拟件所采用材料的名义疲劳极限Slife和所述疲劳极限Slife对应的名义循环周次Nlife的获取方法为：查找材料性能手册或利用常规疲劳性能试验方法获得。
8.根据权利要求1所述的一种特征结构模拟件疲劳极限的测试方法，其特征在于：所述特征结构模拟件材质为钛铝合金、钛合金或钛基复合材料。
9.根据权利要求4所述的一种特征结构模拟件疲劳极限的测试方法，其特征在于：所述特征结构模拟件的材料为Coaxing效应不明显的合金。
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