CN114813410B - 一种航空液压导管旋转弯曲疲劳s/n曲线拟合试验方法 - Google Patents

一种航空液压导管旋转弯曲疲劳s/n曲线拟合试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种航空液压导管旋转弯曲疲劳S/N曲线拟合试验方法，根据液压导管的抗拉强度极限值，分别给试验件施加不同的弯曲应力，将试验件安装于旋转弯曲疲劳试验设备上，分别进行每个试验件的旋转弯曲疲劳试验；至少选取8个试验件进行试验，保证循环次数为104～105、105～106、106～107、＞107区间内分别有2个试验件失效；根据试验所得的弯曲应力和循环次数，采用三参数幂函数拟合S/N曲线；本发明简化了试验过程、缩短了试验周期、降低了试验成本，能够很好地、直观地反映出液压导管的疲劳特性。

Description

一种航空液压导管旋转弯曲疲劳S/N曲线拟合试验方法
技术领域
本发明属于管件性能测试技术领域，具体地是涉及一种航空液压导管旋转弯曲疲劳S/N曲线拟合试验方法。
背景技术
飞机的液压系统是飞机的重要组成部分，飞机液压系统中的液压导管必须要保证可靠工作，其工作可靠性影响着飞机的安全飞行。因液压导管的局部所受弯曲应力过大而发生液压导管疲劳破坏至断裂，是液压导管的主要失效形式；制造液压导管的材料为铝合金或者其他金属材料，在远低于材料抗拉强度的循环应力作用下材料就发生破坏的现象称为疲劳破坏。为了避免液压导管失效给飞机飞行带来安全隐患，必须保障液压导管的可靠性。
因此，对所述的液压导管进行疲劳试验以测试其性能，是十分关键的，旋转弯曲疲劳试验是液压导管的性能试验之一，用于检验液压导管处于循环的弯曲应力下的使用寿命。液压导管的旋转弯曲疲劳试验分为定应力旋转弯曲疲劳试验和S/N曲线旋转弯曲疲劳试验，通过S/N曲线能更清楚地了解各应力水平下液压导管的弯曲疲劳特性。S/N曲线是以材料标准试件疲劳强度为纵坐标，以疲劳寿命的对数值lg N为横坐标，表示一定循环特征下标准试件的疲劳强度与疲劳寿命之间关系的曲线，也称应力－寿命曲线。一般金属材料的疲劳S/N曲线由两部分组成，如图1所示，其中左分支AB段呈幂函数关系，右分支BC段呈水平线；两分支的交点B所对应的纵坐标为疲劳极限σ-1，所对应的横坐标为循环基数N0；S/N曲线图可分成两个区域：N0右边区域为无限寿命区、N0左边区域为有限寿命区，工程实践中，将金属材料经受107次循环时不发生破坏的最大应力称为疲劳极限σ-1；对于一些铝合金材料，在经受107次循环后仍未发生破坏的，此时把107次所对应的最大应力称为条件疲劳极限σ-1N。
但是，目前航空液压导管旋转弯曲疲劳S/N曲线拟合试验方法存在着试验过程复杂、所需试验件数量多、试验周期长的问题。因此，目前需要研制出一种能够简化试验过程、缩短试验周期以及降低试验成本的航空液压导管旋转弯曲疲劳S/N曲线拟合试验方法。
发明内容
本发明就是针对上述问题，弥补现有技术的不足，提供一种能够简化试验过程、缩短试验周期以及降低试验成本的航空液压导管旋转弯曲疲劳S/N曲线拟合试验方法；此种疲劳S/N曲线拟合试验方法极其合理、有效，能够快速拟合出所需S/N曲线，且拟合得到的S/N曲线能够很好地、直观地反映出液压导管的疲劳特性。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
本发明为一种航空液压导管旋转弯曲疲劳S/N曲线拟合试验方法，包括如下步骤：
首先，根据液压导管的抗拉强度极限值，确定试验分组和试验弯曲应力值，各组分别取1个试验件安装于旋转弯曲疲劳试验设备上，进行在规定的不同弯曲应力水平下的旋转弯曲疲劳试验，记录试验件失效时的旋转循环次数；
然后，根据以上试验结果调整试验分组和试验弯曲应力值，保证旋转循环次数为104～105、105～106、106～107、＞107区间内分别有2个试验件失效；
最后，根据记录下的8个试验件的试验数据，采用三参数幂函数拟合出S/N曲线，拟合得到的三参数幂函数S/N曲线如下式：
Figure 933941DEST_PATH_IMAGE001
；
式中，S——液压导管弯曲疲劳强度，其单位为MPa；N——旋转循环次数；a，b，c——拟合参数。
作为本发明的一种优选方案，所述试验件至少选取8个，所述试验件包括液压导管、平管嘴、外套螺母，液压导管的两端均设置有平管嘴、外套螺母,外套螺母设置于平管嘴外侧。
进一步地，所述液压导管的两端均进行扩口加工。
进一步地，所述液压导管两端的扩口处均设置平管嘴、外套螺母，平管嘴配合连接于液压导管的扩口处，外套螺母配合连接于平管嘴上，试验件两端分别通过外套螺母连接于旋转弯曲疲劳试验设备上。
作为本发明的另一种优选方案，所述旋转弯曲疲劳试验设备包括电机、试验台、计数器、应变调试仪，试验件的两端固定连接于试验台上，电机的旋转动力输出轴与试验台固定连接，电机用于带动试验件旋转；电机的旋转动力输出轴上安装计数器，计数器用于记录试验件旋转循环次数；试验件上安装有应变片，应变片与应变调试仪连接，应变片用于测量施加给试验件的弯曲应力值，由应变调试仪采集、记录。
进一步地，所述试验件的两端与试验台之间均设置有转换接头，试验件的两端均通过转换接头连接于试验台上。
进一步地，所述试验台包括支架、头座以及尾座，头座安装于支架上，头座一端穿过支架并与电机的旋转动力输出轴连接，头座另一端与转换接头固定连接，尾座上也连接有转换接头，头座上的转换接头与尾座上的转换接头之间固定连接试验件。
进一步地，所述头座内部设置有自动调心轴承，自动调心轴承与转换接头的一端固定连接，头座内的自动调心轴承上端还设置有顶丝，顶丝一端连接于自动调心轴承上，顶丝另一端与设于头座上方的挠曲度调定把手相连。
本发明有益效果：
本发明所提供的一种航空液压导管旋转弯曲疲劳S/N曲线测试及拟合方法，简化了试验过程、缩短了试验周期以及降低了试验成本，此种疲劳S/N曲线测试及拟合方法极其合理、有效，能够快速拟合出所需S/N曲线，且拟合得到的S/N曲线能够很好地、直观地反映出液压导管的疲劳特性。
附图说明
图1是一般金属材料的疲劳S/N曲线图。
图2是试验件的结构示意图。
图3是在旋转弯曲疲劳试验设备上安装一个试验件的结构示意图。
图4是通过本发明的航空液压导管旋转弯曲疲劳S/N曲线测试及拟合方法所得到的S/N曲线图。
图中标记：1为支架、2为头座、3为自动调心轴承、4为挠曲度调定把手、5为转换接头、6为应变片、7为尾座；61为外套螺母、62为平管嘴、63为液压导管。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
结合图2至图4所示，本发明实施例提供的一种航空液压导管旋转弯曲疲劳S/N曲线测试及拟合方法，包括如下步骤：
首先，根据液压导管63的抗拉强度极限值，确定试验分组和试验弯曲应力值，各组分别取1个试验件安装于旋转弯曲疲劳试验设备上，进行在规定的不同弯曲应力水平下的旋转弯曲疲劳试验，记录试验件失效时的旋转循环次数；
然后，根据以上试验结果调整试验分组和试验弯曲应力值，保证旋转循环次数为104～105、105～106、106～107、＞107区间内分别有2个试验件失效；
最后，根据记录下的8个试验件的试验数据，采用三参数幂函数拟合出S/N曲线，拟合得到的三参数幂函数S/N曲线如下式：
Figure 306541DEST_PATH_IMAGE001
；
式中，S——液压导管63弯曲疲劳强度，其单位为MPa；N——旋转循环次数；a，b，c——拟合参数。
如图2所示，所述试验件包括液压导管63、平管嘴62、外套螺母61，液压导管63的两端均设置有平管嘴62、外套螺母61,外套螺母61设置于平管嘴62外侧，液压导管63采用Φ6×1的6061冷拉管材，为了排除表面光洁度的影响，所述液压导管63的内、外表面粗糙度均≤Ra1.6；液压导管63在室温下的抗拉强度为267.5MPa。
所述液压导管63的两端均进行扩口加工，所述液压导管63两端的扩口处均设置平管嘴62、外套螺母61，平管嘴62配合连接于液压导管63的扩口处，外套螺母61配合连接于平管嘴62上，试验件两端分别通过外套螺母61连接于旋转弯曲疲劳试验设备上。
如图3所示，所述旋转弯曲疲劳试验设备包括电机、试验台、计数器、应变调试仪，试验件的两端固定连接于试验台上，电机的旋转动力输出轴与试验台固定连接，电机用于带动试验件旋转；电机的旋转动力输出轴上安装计数器，计数器用于记录试验件的旋转循环次数；试验件上安装有应变片6，应变片6与应变调试仪连接，应变片6用于测量施加给试验件的弯曲应力值；应变调试仪用于采集试验件自由状态下的微应变并记录。在试验时，旋转弯曲疲劳试验设备的电机转速设置为2280rpm，进行每个试验件在规定次数下的旋转弯曲疲劳试验。
所述头座2内部设置有自动调心轴承3，自动调心轴承3与转换接头5的一端固定连接，头座2内的自动调心轴承3上端还设置有顶丝，顶丝一端连接于自动调心轴承3上，顶丝另一端与设于头座2上方的挠曲度调定把手4相连；通过旋转挠曲度调定把手4，带动头座2内部的顶丝转动，顶丝的转动可以调节自动调心轴承3的位置，这样即可实现对试验件施加偏移量（即挠曲）而产生应变，以达到应变片6读取的弯曲应力数值低于目标弯曲应力值的5%。具体而言，通过调节所述旋转弯曲疲劳试验设备的挠曲度调定把手4对每个试验件产生不同应变，以实现对应施加给每个试验件不同的弯曲应力值。
所述试验件的两端与试验台之间均设置有转换接头5，试验件的两端均通过转换接头5连接于试验台上；所述试验台包括支架1、头座2以及尾座7，头座2安装于支架1上，头座2一端穿过支架1并与电机的旋转动力输出轴连接，头座2另一端与转换接头5固定连接，尾座7上也连接有转换接头5，头座2上的转换接头5与尾座7上的转换接头5之间固定连接试验件。
具体地，将两个位置平行的应变片6分别贴在靠近尾座7侧的试验件上，两个应变片6与试验件的端口之间距离为5mm，两个应变片6在试验件的液压导管63圆周上相隔90°，具体如图3所示。
具体地，本发明一共对8个试验件进行了旋转弯曲疲劳试验，分别为1号试验件、2号试验件、3号试验件、4号试验件、5号试验件、6号试验件、7号试验件、8号试验件，记录下的8个试验件的试验数据如表1所示。
表1 试验数据
序号 弯曲应力（MPa） 旋转循环次数 抗拉强度极限% 试验时间（h）
1号试验件 133.75 44662 50 0.3
2号试验件 120.375 84114 45 0.6
3号试验件 107 121478 40 3
4号试验件 80.25 398179 30 3
5号试验件 66.875 2552569 25 19
6号试验件 53.5 6735066 20 50
7号试验件 45.475 10138029 17 75
8号试验件 40.125 12285871 15 90
表1中的7号试验件和8号试验件均未运行至失效。
所述试验件至少选取8个，本发明实施例所给出的试验件个数即为8个，此试验件个数完全可以保证旋转循环次数在104～105次、105～106次、106～107次、＞107次区间内分别有两组有效试验数据，这样能够绘制出较为完整的S/N曲线。
本发明对各旋转循环次数区间的弯曲应力水平进行预估，确定了8个有效数据，进行了旋转弯曲疲劳试验，节约了试验件数量和试验时间；根据表1试验数据，采用三参数幂函数，即可绘制出试验件的液压导管63旋转弯曲疲劳试验的S/N曲线。该曲线趋于幂函数，处于图1中显示出的有限寿命区，说明该液压导管63在一定的弯曲应力水平下能经受107次旋转循环后不发生破坏。
通过旋转弯曲疲劳试验，使试验件在不同弯曲应力水平下运行至失效，记录试验件在失效时的弯曲应力值和旋转循环次数；如果旋转循环次数超过107次时，无须运行至失效，即可停止试验。
若选取的弯曲应力值未使试验件的失效旋转循环次数落在规定的区间范围内，应重新调整弯曲应力值。可按如下试验方法确定试验弯曲应力值：先进行4个试验件的试验，通过旋转弯曲疲劳试验设备分别给4个试验件施加相当于液压导管63抗拉强度极限的50%、40%、30%、20%的弯曲应力，通过旋转弯曲疲劳试验设备上的计数器记录下试验件失效时的旋转循环次数。若第一个试验件失效时的旋转循环次数大于105，则通过调整旋转弯曲疲劳试验设备的挠曲度调定把手4，适当增加对试验件的弯曲应力。若第四个试验件失效时的循环次数小于107，则适当降低对试验件的弯曲应力。根据以上试验结果，可以预测出后续试验件可能的弯曲应力水平。对试验件所施加的弯曲应力的调整幅度一般为液压导管63抗拉强度极限的2%～5%。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种航空液压导管旋转弯曲疲劳S/N曲线拟合试验方法，其特征在于，包括如下步骤：首先，根据液压导管的抗拉强度极限值，确定试验分组和试验弯曲应力值，各组分别取1个试验件安装于旋转弯曲疲劳试验设备上，进行在规定的不同弯曲应力水平下的旋转弯曲疲劳试验，记录试验件失效时的旋转循环次数；
所述试验件包括液压导管、平管嘴、外套螺母，液压导管的两端均设置有平管嘴、外套螺母，外套螺母设置于平管嘴外侧；
然后，根据以上试验结果调整试验分组和试验弯曲应力值，保证旋转循环次数为104～105、105～106、106～107、＞107区间内分别有2个试验件失效；
若选取的弯曲应力值未使试验件的失效旋转循环次数落在规定的区间范围内，应重新调整弯曲应力值；可按如下试验方法确定试验弯曲应力值：先进行4个试验件的试验，通过旋转弯曲疲劳试验设备分别给4个试验件施加相当于液压导管抗拉强度极限的50%、40%、30%、20%的弯曲应力，通过旋转弯曲疲劳试验设备记录下试验件失效时的旋转循环次数；若第一个试验件失效时的旋转循环次数大于105，则通过调整旋转弯曲疲劳试验设备适当增加对试验件的弯曲应力；若第四个试验件失效时的循环次数小于107，则适当降低对试验件的弯曲应力；根据以上试验结果，可以预测出后续试验件可能的弯曲应力水平；对试验件所施加的弯曲应力的调整幅度为液压导管抗拉强度极限的2%～5%；
最后，根据记录下的试验数据，采用三参数幂函数拟合出S/N曲线，拟合得到的三参数幂函数S/N曲线如下式：
Figure 287178DEST_PATH_IMAGE001
；
式中，S——液压导管弯曲疲劳强度，其单位为MPa；N——旋转循环次数；a，b，c——拟合参数。
2.根据权利要求1所述的一种航空液压导管旋转弯曲疲劳S/N曲线拟合试验方法，其特征在于：所述试验件至少选取8个。
3.根据权利要求1所述的一种航空液压导管旋转弯曲疲劳S/N曲线拟合试验方法，其特征在于：所述液压导管的两端均进行扩口加工，所述液压导管的内、外表面粗糙度均为≤Ra1.6。
4.根据权利要求3所述的一种航空液压导管旋转弯曲疲劳S/N曲线拟合试验方法，其特征在于：所述液压导管两端的扩口处均设置平管嘴、外套螺母，平管嘴配合连接于液压导管的扩口处，外套螺母配合连接于平管嘴上，试验件两端分别通过外套螺母连接于旋转弯曲疲劳试验设备上。
5.根据权利要求1所述的一种航空液压导管旋转弯曲疲劳S/N曲线拟合试验方法，其特征在于：所述旋转弯曲疲劳试验设备包括电机、试验台、计数器、应变调试仪，试验件的两端固定连接于试验台上，电机的旋转动力输出轴与试验台固定连接，电机用于带动试验件旋转；电机的旋转动力输出轴上安装计数器，计数器用于记录试验件旋转循环次数；试验件上安装有应变片，应变片与应变调试仪连接，应变片用于测量施加给试验件的弯曲应力值，由应变调试仪采集、记录。
6.根据权利要求5所述的一种航空液压导管旋转弯曲疲劳S/N曲线拟合试验方法，其特征在于：所述试验件的两端与试验台之间均设置有转换接头，试验件的两端均通过转换接头连接于试验台上。
7.根据权利要求6所述的一种航空液压导管旋转弯曲疲劳S/N曲线拟合试验方法，其特征在于：所述试验台包括支架、头座以及尾座，头座安装于支架上，头座一端穿过支架并与电机的旋转动力输出轴连接，头座另一端与转换接头固定连接，尾座上也连接有转换接头，头座上的转换接头与尾座上的转换接头之间固定连接试验件。
8.根据权利要求7所述的一种航空液压导管旋转弯曲疲劳S/N曲线拟合试验方法，其特征在于：所述头座内部设置有自动调心轴承，自动调心轴承与转换接头的一端固定连接，头座内的自动调心轴承上端还设置有顶丝，顶丝一端连接于自动调心轴承上，顶丝另一端与设于头座上方的挠曲度调定把手相连。
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