CN115096689A - 一种十字对称超声共振弯曲加速疲劳实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种十字对称超声共振弯曲加速疲劳实验装置，解决现有技术存在的不足，能够在较短的时间内完成20kHz超声频率高周次多轴疲劳试验，模拟复杂实际工况下工件服役期间的受力状态，包括控制系统、超声发生器、压电换能器、位移放大器、谐振块及双轴弯曲振动头，控制系统控制连接超声发生器，超声发生器连接压电换能器，压电换能器连接位移放大器，位移放大器连接谐振块，谐振块连接双轴弯曲振动头；还包括试件，且试件整体为两方相同的板垂直相交形成的十字型结构，且单板依次为加载段、试验段和加载段，试验段形成内凹弧形，且两板间的试验段叠加形成四个弧形开口，在试件的下方还设置有与控制系统相连接的激光应力记录仪。

Description

一种十字对称超声共振弯曲加速疲劳实验装置
技术领域
本发明涉及材料疲劳测试实验技术等领域，具体地说，是一种十字对称超声共振弯曲加速疲劳实验装置。
背景技术
疲劳失效是构件在交变荷载下主要的失效形式。工程装备中的关键动力部件失效原因主要都是疲劳破坏。在实际的工程事故中，疲劳破坏引起的相关事故比例占到了80％。因此对材料疲劳性质的研究和测试一直是国内外工程界研究和关心的重点问题。与材料的简单单轴疲劳实验不同，实际工程部件的受力状态复杂，基本都是在复杂工况下的多轴循环受力。多轴疲劳是指疲劳发生在多轴应力状态下，即两个或三个主应力(主应变)的方向，幅度随时间而变化。在航空航天、车辆等多个领域中，许多部件包括叶片在内的在实际工况下都是在复杂的多轴应力状态下工作。通过对近100个发动机叶片的失效统计分析，发现大部分叶片是在离心力作用下叠加振动应力产生的多轴疲劳失效。但是目前国内外大部分疲劳领域研究主要还是单轴疲劳，而实际工况疲劳性能指标与单轴疲劳实验结果数据出入大，对于多轴疲劳研究并不深入。而更准确的多轴疲劳性能分析需要进行以双轴疲劳为代表的多轴疲劳实验。主要原因在于多轴疲劳实验加载复杂，所需装置构成需求高，现有设备类型少，成本高，加载类型和频率范围非常有限。
此外，随着新型高铁、飞机等工程装备提速，其关键部件承受的循环疲劳载荷次数显著增加，例如在航空航天等领域中，叶片在服役期间所到达的振动频率超过几百赫兹甚至上万赫兹，在整个服役期间其承受的振动加载次数超过数亿次。材料传统的疲劳极限不再适用，新发布的多个国家标准已经对材料疲劳极限由千万次(107)加载循环提高到十亿次(109)。开展材料长寿命的疲劳性能实验和测试迫在眉睫。然而既有疲劳测试装置较低的加载频率无法在合理的时间内快速完成数以亿次的循环加载，亦或是高频的加载设备无法再现工况下的多轴受力加载方式。亟需研制一种加速疲劳实验装置可同时实现高频率多轴受力加载。
另外，多轴裂纹形貌多为类“I”形裂纹，在完全应力对称情况下，最大应力值处应力沿着各方向应力分量值相同，消除了试件本身的尺寸效应，为学者更好地研究应力对疲劳裂纹的影响提供了一种方法。所以基于促进材料疲劳失效领域进一步发展，更好保障我国在高端制造产品关键动力部件高可靠稳定运行的需求，设计出一种基于高频超高周完全对称弯曲疲劳理念的实验装置成为必然需求。
发明内容
本发明的目的在于设计一种十字对称超声共振弯曲加速疲劳实验装置，解决现有技术存在的不足，能够在较短的时间内完成20kHz超声频率高周次多轴疲劳试验，模拟复杂实际工况下工件服役期间的受力状态。
本发明通过下述技术方案实现：一种十字对称超声共振弯曲加速疲劳实验装置，包括控制系统、超声发生器、压电换能器、位移放大器、谐振块及双轴弯曲振动头，控制系统控制连接超声发生器，超声发生器连接压电换能器，压电换能器连接位移放大器，位移放大器连接谐振块，谐振块连接双轴弯曲振动头；还包括试件，且试件整体为两方相同的板垂直相交形成的十字型结构，且单板依次为加载段、试验段和加载段，试验段形成内凹弧形，且两板间的试验段叠加形成四个弧形开口，试件可拆卸的连接在双轴弯曲振动头上，在试件的下方还设置有与控制系统相连接的激光应力记录仪，通过激光应力记录仪在试件下方测量采集处理信号反馈至控制系统。
进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述试件和双轴弯曲振动头皆满足20KHz超声共振频率，且两者固定后形成满足20KHz纵横协同共振模态，双轴弯曲振动头为纵波振动模态，试件在十字的两个方向分别为三阶横波弯曲振动模态，且两板正交共振，在试件内凹弧形中心和4个加载段各形成1个弯曲转角驻点，弯曲振动时最大位移位置在内凹弧形中心弯曲转角驻点处。
进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：每一个所述加载段上设置有一个狭长型第一连接孔，且第一连接孔位于近试验段侧的中部，在所述双轴弯曲振动头上设置有等间距的第二连接孔，试件的第一连接孔和双轴弯曲振动头的第二连接孔通过连接件连接；试件的狭长型第一连接孔可保障试件弯曲共振时4个加载段的弯曲转角驻点处与双轴弯曲振动头的等间距的第二连接孔之一两两连接，且试件的中心与双轴弯曲振动头的中心处同轴且平行。
进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：在所述双轴弯曲振动头的试件连接侧设置有双轴弯曲振动头凹槽，在双轴弯曲振动头的谐振块连接侧的中心设置有第三连接孔。
进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述控制系统控制超声发生器产生超声频率电信号，进而激励压电换能器产生超声频率振动位移，通过位移放大器、谐振块及双轴弯曲振动头调幅传导至试件，使其形成离面弯曲变形，并在内凹弧形处形成转角驻点且产生最大应力，经由激光应力记录仪测量采集处理信号反馈至控制系统形成闭环控制。
所述实验装置机械运动部分构成的纵横协同共振模态，是通过在双轴弯曲振动头与试件的连接处实现纵波振动到横波振动的转换。根据所要求的试件在十字的两个方向分别为三阶横波弯曲振动模态，因为试件的对称设计，必然在加载段各存在一个弯曲转角驻点，该弯曲转角驻点可保证加载振动时，通过连接件连通的试件(横波振动)与双轴弯曲振动头(纵波振动)在变形时无相对转角，从而不在此处受力发生疲劳破坏。保证实验过程持续振动，只在试件试验段中心形成疲劳破坏点。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
本发明实验装置加载频率高达20KHz，采用双向谐振模态加载方案，解决了现有技术无法同时实现超声频率和双轴加载的不足，能够在较短的时间内进行高频率高周次多轴疲劳实验，填补了此类实验装置的空白。能够保证试件的疲劳裂纹产生位置在十字中心相交处，模拟复杂实际工况下工件服役期间的受力状态。
本发明装置循环受力试件呈往复离面弯曲变形，基于弯曲时微段平均曲率与弯曲截面内弯矩和应力的理论关系，可以激光入射与反射光路由试件弯曲引起的变化获得实时应力。不同于其他单轴20kHz高频疲劳加载设备实验段既无法非接触测量应力，也因接触式应变片测量频率响应和寿命问题不便测量。本发明利用离面弯曲变形和激光夹角变化的应力测量结果可直接用于应力闭环控制。
本发明加载通过超声波激励试件共振离面弯曲，压电换能器、位移放大器、谐振块及双轴弯曲振动头构成纵波谐振变形部分，十字形试件为横波谐振变形部分。在全部长周期加载时间内整个机械运动部件构成20kHz纵横协同共振模态，无非共振运动部件。相较现有技术能耗需求极低，绿色环保。
本发明双轴弯曲振动头采用四孔一凹槽设计，针对完全对称弯曲试件，合理的加载方式，避免试件激振时试验段上凸与双轴弯曲振动头碰撞。
本发明用于实验的试件采用完全对称的正交共振试件来设计，加载位置也为四点对称，使试件能够在悬臂连接形式下实现两个方向的横波振动，并且试件应力场分布均匀且完全对称，在完全应力对称情况下，消除了试件本身的尺寸效应。
本发明以工业装备核心部件长寿命耐久性需求为背景，以对称弯曲双向受力理论为基础，超声加载技术为设计理念，为产业领域对长寿命多轴循环加载的实验室再现及超高周多轴疲劳研究提供可靠、高效、低成本的实验装置。
附图说明
图1为本发明试件、谐振块和双轴弯曲振动头三者间配合结构示意图。
图2为本发明所述试件结构示意图。
图3为本发明所述双轴弯曲振动头结构示意图(试件连接侧)。
图4为本发明所述双轴弯曲振动头结构示意图(谐振块连接侧)。
图5为本发明超声加载时的结构示意图。
图6为试件通过连接件安装在双轴弯曲振动头上的示意图。
图7为激光测应力原理示意图。
其中，1-试件、2-双轴弯曲振动头、3-谐振块、4-连接件、5-第一连接孔、 6-倒角、7-弧形开口、8-加载段、9-试验段、10-内凹弧形、11-双轴弯曲振动头凹槽、12-第二连接孔、13-第三连接孔、14-位移放大器、15-压电换能器、16- 超声发生器、17-控制系统、18-激光应力记录仪。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”、“布设”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体，具体通过什么手段不限于螺接、过盈配合、铆接、螺纹辅助连接等各种常规机械连接方式。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
值得注意的是：在本申请中，某些需要应用到本领域的公知技术或常规技术手段时，申请人可能存在没有在文中具体的阐述该公知技术或/和常规技术手段是一种什么样的技术手段，但不能以文中没有具体公布该技术手段，而认为本申请技术方案不清楚。
名词解释：
螺纹辅助件，指包括螺栓、螺丝、螺钉等在内的任一种用于实现两种结构之间连接的连接件，在下述各实施例中，优选的螺纹辅助件选用的为螺栓。
实施例1：
如图1～图6所示，一种十字对称超声共振弯曲加速疲劳实验装置，解决现有技术存在的不足，能够在较短的时间内完成20kHz超声频率高周次多轴疲劳试验，模拟复杂实际工况下工件服役期间的受力状态，包括控制系统17、超声发生器16、压电换能器15、位移放大器14、谐振块3及双轴弯曲振动头 2，控制系统17控制连接超声发生器16，超声发生器16连接压电换能器15，压电换能器15连接位移放大器14，位移放大器14连接谐振块3，谐振块3连接双轴弯曲振动头2；还包括试件1，且试件1整体为两方相同的板垂直相交形成的十字型结构，且单板依次为加载段8、试验段9和加载段8，试验段9 形成内凹弧形10，且两板间的试验段9叠加形成四个弧形开口7，试件1可拆卸的连接在双轴弯曲振动头2上，在试件1的下方还设置有与控制系统17相连接的激光应力记录仪18，通过激光应力记录仪18在试件1下方测量采集处理信号反馈至控制系统17。
作为优选的设置方案，该实验装置包括能够发出对发明装置进行信号控制的控制系统17，控制系统17将该控制参数传输给与之相连接的超声发生器 16，超声发生器16根据控制参数产生特定电压的20KHz的高频电信号(超声频率信号)，并将该高频电信号传输给与之相连接的压电换能器15，压电换能器15将高频电信号转换为高频机械振动信号，再通过与之相连接的位移放大器14增大位移振幅；在位移放大器14上连接有谐振块3，在谐振块3上连接有双轴弯曲振动头2，在双轴弯曲振动头2上可拆卸的连接有试件1，使得试件1能够在20KHz超声振动下产生相应的20kHz高频弯曲谐振，从而实现循环受力的疲劳加载。
优选的，试件1整体为两方相同的板垂直相交形成的十字型结构，且单板依次为加载段8、试验段9和加载段8，试验段9形成内凹弧形10，且两板间的试验段9叠加形成四个弧形开口7，弧形开口7的内壁为圆弧的倒角6状，避免应力集中，防止疲劳裂纹从倒角6处产生；试件1可拆卸的连接在双轴弯曲振动头2上，在试件1的下方还设置有与控制系统17相连接的激光应力记录仪18，通过激光应力记录仪18在试件1下方测量采集处理信号反馈至控制系统17。
实施例2：
本实施例是在上述实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同部分在此不再赘述，如图1～图6所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述试件1和双轴弯曲振动头2皆满足20KHz超声共振频率，且两者固定后形成满足20KHz纵横协同共振模态，双轴弯曲振动头2为纵波振动模态，试件1在十字的两个方向分别为三阶横波弯曲振动模态，且两板正交共振，在试件1凹弧形中心和4个加载段各形成1个弯曲转角驻点，弯曲振动时最大位移位置在凹弧形10中心弯曲转角驻点处。
作为优选的设置方案，试件1和双轴弯曲振动头2分别满足20KHz超声共振频率，并且试件1与双轴弯曲振动头2连接固紧后仍满足20KHz超声共振频率(及形成满足20KHz纵横协同共振模态)，其中双轴弯曲振动头2为纵波振动模态，试件1为横波振动模态。由于试件1为完全对称弯曲，其长短方向一致，取试件1的轴线一侧，长度可由理论公式计算为0.0098*(EI/ρ)1/4，即满足20KHz三阶横波振动模态共振频率条件；双轴弯曲振动头2长度由此公式计算：0.000025*(E/ρ)1/2，即满足20KHz纵波振动模态共振频率条件；在 20KHz激振频率下，试件1两轴线各自一侧均处于三阶共振状态，都有三个振动位移极值位置，且极值处转角为零。其中共振最大位移位置为十字交叉中心；以上连接方式和尺寸，能够保证在第一连接孔5处为协调位移条件，实现持续非破坏的纵波振动和横波振动过渡。
实施例3：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同部分在此不再赘述，如图1～图6所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：每一个所述加载段8上设置有一个狭长型第一连接孔5，且第一连接孔5位于近试验段9侧的中部，在所述双轴弯曲振动头2上设置有等间距的第二连接孔12，试件1的第一连接孔5和双轴弯曲振动头2的第二连接孔12通过连接件4连接；试件1的狭长型第一连接孔5可保障试件1弯曲共振时4个加载段8的弯曲转角驻点处与双轴弯曲振动头2的等间距的第二连接孔12之一两两连接，且试件1的中心与双轴弯曲振动头2的中心处同轴且平行。
作为优选的设置方案，在试件1的加载段8上设置有狭长型第一连接孔 5，四段加载段8共计设置4个第一连接孔5，在设置时，第一连接孔5设置在近试验段9侧的中部振动位移极值位置，在双轴弯曲振动头2的与试件1相配合的侧设置有第二连接孔12，优选的第一连接孔5和第二连接孔12皆为内螺纹孔，在运用时，试件1的第一连接孔5和双轴弯曲振动头2的第二连接孔12 通过优选采用螺栓的连接件4连接，实现快速将试件1装配在双轴弯曲振动头 2上，试件1与双轴弯曲振动头2为采用四螺孔设计，不仅保证了试件1在加载过程中的全固定，还减小了试件1加载处的应力集中，防止试件1在加载处断裂；优选的，试件1的中心位于双轴弯曲振动头2的中心处。
实施例4：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同部分在此不再赘述，如图1～图6所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述试件1的试验段9的两个面板上均设有内凹弧形10，内凹弧形10为圆形结构，并且那好像10位于四个弧形开口7的中央位置处，那好像10为打磨形成的凹陷，即对四个弧形开口7中央位置处的试验段9进行打薄处理，进一步加大试验段9的应力，保证试件试验段9的中心相交处为疲劳断裂的产生位置，通过监测试验段9以达到对超高频多轴完全对称弯曲疲劳实验进行闭环控制目的。
实施例5：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同部分在此不再赘述，如图1～图6所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：在所述双轴弯曲振动头2的试件1连接侧设置有双轴弯曲振动头凹槽11，在双轴弯曲振动头2的谐振块3连接侧的中心设置有第三连接孔13。
作为优选的设置方案，双轴弯曲振动头2与试件1连接的端通过机械加工形成双轴弯曲振动头凹槽11，双轴弯曲振动头凹槽11为圆柱形凹槽，其目的在于试件1发生上下往复离面振动弯曲变形时避免两者相互碰撞，在双轴弯曲振动头2的谐振块3连接侧的中心设置有第三连接孔13，使得第三连接孔13 位于双轴弯曲振动头2的轴线上，优选的第三连接孔13通过螺纹杆连接在谐振块3上，谐振块3能够与超声振动位移放大后的振动端面连接，谐振块3为圆锥结构，通过修改谐振块3的锥度与长度，使得装置纵横协同共振的机械运动部件共振频率偏离超声设备所激励的20kHz频率时，可修改谐振块3锥度与长度实现改变机械运动部件整体共振频率的目的，以匹配经由压电换能器15 所激发的20kHz振动。
实施例6：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同部分在此不再赘述，如图1～图6所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述谐振块3能够与20KHz超声振动的疲劳加载机连接。
实施例7：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同部分在此不再赘述，如图1～图6所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述控制系统17控制超声发生器16产生超声频率电信号，进而激励压电换能器15产生超声频率振动位移，通过位移放大器14、谐振块3及双轴弯曲振动头2调幅传导至试件1，使其形成离面弯曲变形，并在内凹弧形10处形成转角驻点且产生最大应力，经由激光应力记录仪18测量采集处理信号反馈至控制系统17形成闭环控制。
进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述超声发生器 16为压电换能器15加载20KHz频率信号，使振动噪音不在人耳听力范围。
实施例8：
如图1至图6所示，该实施例提供一种十字对称超声共振弯曲加速疲劳实验装置，通过控制系统17振幅等控制参数，再通过超声发生器16产生相应电压可调控的20KHz的高频电信号，同时高频电信号(AO)也会反馈给控制系统17以检测振动频率等振动状态。基于压电原理，高频电信号通过压电换能器15转为高频机械振动信号，再通过位移放大器14增大位移振幅，最后，所述谐振块3与位移放大器14连接。谐振块3下端连有双轴弯曲振动头2，所述双轴弯曲振动头2的一端位于双轴弯曲振动头2的轴线上设有第三连接孔13，第三连接孔13内设有螺纹杆，螺纹杆通过螺纹与第三连接孔13连接，在谐振块3与双轴弯曲振动头2相连接侧亦设置与螺纹杆相配合的螺纹孔，通过设置螺纹杆，能够使得谐振块3快速与双轴弯曲振动头2进行装卸。谐振块3为锥台结构，通过修改谐振块锥台锥度调整装配后整体机械系统的谐振频率以匹配压电换能器15所产生的机械振动达到系统共振状态，从而便于超声疲劳试验的进行。
所述双轴弯曲振动头2的另一端上还设有试件1，双轴弯曲振动头2另一端通过加工形成双轴弯曲振动头凹槽11，双轴弯曲振动头凹槽11为圆柱形凹槽，其目的在于试件1发生激振产生弯曲时，最大扰度点不接触到双轴弯曲振动头凹槽11底面，避免两者相互碰撞。试件1为两相同薄板垂直相交形成的十字型板状结构，试件1以板状钛合金为例，其中任意一个薄板的长度为85mm，宽度为25mm，厚度为4mm，两个薄板均满足三阶横波共振模态，在20KHz实验频率下，试件1两轴线各自一侧均处于三阶共振状态，都有三个振动位移极值位置，即该处转角为零，其中最大弯曲振动位移位置为十字交叉中心，两侧位移极值位置用于连接且连接处在共振时无相对转动趋势；试件1按功能的不同可以被划分为加载段8和试验段9，加载段8用于试件1通过双轴弯曲振动头2与其他机械振动部件连接，形成整体谐振机构。连接位置为试件 1的其中四个关于内凹弧形10对称的最大振动位移产生位置，原因在于此位置在共振弯曲实验时，四点的相对点相互连线交于内凹弧形10，使得应力分布均匀且关于试件1中心对称，最大振动位移产生位置偏角相对于水平面为零，与四点加载方向垂直，与双轴弯曲振动头2自然贴合的最后，最大程度减小了紧固连接对振动模态的影响，薄板的两段加载段8上分别设有一个狭长型第一连接孔5，所述第一连接孔5内均设有采用螺栓的连接件4，所述连接件4优选为螺栓，所述双轴弯曲振动头2朝向试件1方向的末端上还设有与第一连接孔 5匹配的第二连接孔12，并且连接件4能够通过螺纹与第二连接孔12连接，实现快速将试件1装配在双轴弯曲振动头2上，试件1与双轴弯曲振动头2为采用四螺孔设计，不仅保证了试件1在加载过程中的全固定，还减小了试件1 连接处的应力集中，防止试件1在连接处断裂。
所述试验段9为试件1疲劳断裂的产生和观察实验结果的位置，通过设计使得两薄板最大振动位移在垂直相连处重合，使得试件1在此处的振动位移和应力有明显的集中；十字型结构的试件1的四个交叉处均设有弧形开口7，四个弧形开口7的形状一致，并且弧形开口均位于试验段9，所述试件1的弧形开口7的内壁上均设有倒角6，即将四个弧形开口7的弧形侧边均通过设置倒角6，尽量减小试件1除了试验段9十字交叉中心之外位置的应力集中，所述试件1的试验段9的两个面板上均设有内凹弧形10，内凹弧形10为圆形结构，并且内凹弧形10位于四个弧形开口7的中央位置处，内凹弧形10为打磨形成的凹陷，即对四个弧形开口7中央位置处的试验段9进行打薄处理，进一步加大试验段9的应力，保证试件1试验段9的中心相交处为疲劳断裂的产生位置，通过观察实验段9以达到对超高频多轴完全对称弯曲疲劳进行研究的目的。
所述实验装置机械运动部分构成的纵横协同共振模态，是通过在双轴弯曲振动头2与试件1的连接处实现纵波振动到横波振动的转换。根据所要求的试件1在十字的两个方向分别为三阶横波弯曲振动模态，因为试件1的对称设计，必然在加载段各存在一个弯曲转角驻点，该弯曲转角驻点可保证加载振动时，通过连接件连通的试件(横波振动)1与双轴弯曲振动头(纵波振动)2 在变形时无相对转角，从而不在此处受力发生疲劳破坏。保证实验过程持续振动，只在试件试验段中心形成疲劳破坏点。
激光测应力原理如图7所示，其中激光光斑距试件最大应力截面距离d、试件材料弹性模量E、薄板试件厚度t、激光入射角α和无弯曲反射光斑距离L 皆为已知量；试件弯曲转角造成的光斑位移△L为直接测量量；弯曲时光斑所在截面转角θ和最大应力截面应力幅σa(两边对称光斑间试件表面的平均应力)是计算得到的间接测量结果。公式如下：
Figure RE-GDA0003799552910000141
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种十字对称超声共振弯曲加速疲劳实验装置，其特征在于：包括控制系统（17）、超声发生器（16）、压电换能器（15）、位移放大器（14）、谐振块（3）、双轴弯曲振动头（2）及激光应力记录仪（18），控制系统（17）控制连接超声发生器（16），超声发生器（16）连接压电换能器（15），压电换能器（15）连接位移放大器（14），位移放大器（14）连接谐振块（3），谐振块（3）连接双轴弯曲振动头（2）；还包括试件（1），且试件（1）整体为两方相同的板垂直相交形成的十字型结构，且单板依次为加载段（8）、试验段（9）和加载段（8），试验段（9）形成内凹弧形（10），且两板间的试验段（9）叠加形成四个弧形开口（7），试件（1）可拆卸的连接在双轴弯曲振动头（2）上，在试件（1）的下方还设置有与控制系统（17）相连接的激光应力记录仪（18）。
2.根据权利要求1所述的一种十字对称超声共振弯曲加速疲劳实验装置，其特征在于：所述试件（1）和双轴弯曲振动头（2）皆满足20KHz超声共振频率，且两者固定后形成满足20KHz纵横协同共振模态，双轴弯曲振动头（2）为纵波振动模态，试件（1）在十字的两个方向分别为三阶横波弯曲振动模态，且两板正交共振，在内凹弧形（10）中心和4个加载段（8） 各形成1个弯曲转角驻点，最大位移位置在内凹弧形（10）中心弯曲转角驻点处。
3.根据权利要求1所述的一种十字对称超声共振弯曲加速疲劳实验装置，其特征在于：每一个所述加载段（8）上设置有一个狭长型第一连接孔（5），且第一连接孔（5）位于近试验段（9）侧的中部，在所述双轴弯曲振动头（2）上设置有等间距的第二连接孔（12），试件（1）的第一连接孔（5）和双轴弯曲振动头（2）的第二连接孔（12）通过连接件（4）连接，且试件（1）的中心与双轴弯曲振动头（2）的中心处同轴且平行。
4.根据权利要求1所述的一种十字对称超声共振弯曲加速疲劳实验装置，其特征在于：在所述双轴弯曲振动头（2）的试件（1）连接侧设置有双轴弯曲振动头凹槽（11），在双轴弯曲振动头（2）的谐振块（3）连接侧的中心设置有第三连接孔（13）。
5.根据权利要求1~4任一项所述的一种十字对称超声共振弯曲加速疲劳实验装置，其特征在于：所述控制系统（17）控制超声发生器（16）产生超声频率电信号，进而激励压电换能器（15）产生超声频率振动位移，通过位移放大器（14）、谐振块（3）及双轴弯曲振动头（2）调幅传导至试件（1）形成离面弯曲变形，并在内凹弧形（10）处形成转角驻点且产生最大应力，经由激光应力记录仪（18）测量采集处理信号反馈至控制系统（17）形成闭环控制。
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