弯曲疲劳性能（共7篇）
弯曲疲劳性能 篇1
引言
众所周知, 航空涡轮发动机的关键部件———发动机叶片的劣势为:工作环境复杂、数量多、叶片故障占比例大。在研制新型发动机中, 为提高叶片性能常需要投入大量的人力、物力、财力。在航空涡轮发动机中, 叶片容易产生振动。国内外大量数据统计数据表明, 叶片故障大部分是振动引起的。而对于发动机的核心技术中国长期受到外国技术的控制, 中国能借鉴的技术资料少之又少, 我国现在是孤军奋战。在中国为了发展航空领域发展, 对于叶片相关研究, 不仅仅需要现有的资料, 还需要有大量的试验支撑。钛合金具有强度高、耐腐蚀好、耐热性高等特点。自上世纪中期开始钛合金逐步被世界发达国家重视[1]。近年来, 钛合金成为航空航天领域的重要材料, 在涡轮发动机中压气机盘与叶片广泛采用。本实验是针对钛合金的振动疲劳试验, 这是为了在今后设计、制造和使用中为确定其可靠性水平进行的试验研究, 为飞机发动机可靠性设计、故障分析提供技术数据。
1 叶片疲劳试验目的
在发动机工作过程中叶片如同一个个悬臂梁, 在受到气体产生的振动后, 叶片将受到更多的振动载荷。叶片在实践工作中受到众多形式的振动影响, 其中以弯曲疲劳断裂失效最为常见, 并且危害最大。通过表1统计资料可以看出叶片振动疲劳是导致叶片的故障原因, 振动疲劳断裂甚至将造成发动机及其危险的重点事故。
叶片断裂是从裂纹产生、裂纹发展直至断裂几个过程逐步发展产生的。通过对振动疲劳断裂的研究可以看出断裂正是遵循疲劳断裂的规律, 在振动循环力与叶片内里相互影响来实现的。当内力超过裂纹产生的振动力时叶片将不会出现振动疲劳断裂, 反之则会出现。因此, 本实验采用弯曲疲劳加载试验获得数据[2]。
2 弯曲疲劳试验系统
弯曲疲劳试验是利用振动试验系统完成的, 该系统主要由振动台、专用夹具、传感器、测量放大器、频率计、动态应变检测系统、功率放大系统和振荡器等组成, 如图1所示。振动发生系统产生振动并传至振动台;通过调整频率, 被夹具固定在振动台上的工件类似悬臂梁, 将处弯曲谐振下, 通过功率放大器的作用加载使叶片振动振幅增大;并产生一阶弯曲, 利用传感器及检查系统得到数据;通过应力幅, 叶片位移, 与系数的关系来处理数据。
3 试样要求及数据分析
标准试样采用某Ti AL合金材料, 试样尺寸为:L1=10 mm, L2=10 mm, L3=5 mm, L4=3.2 mm, R1=3 mm, R2=1 mm, h=3 mm, b=10 mm, 试样去注意消除表面加工缺陷同时保证光洁度达。在振动台终端对试样进行牢固固定。
试验结果分析:通过钛合金弯曲振动疲劳试验的疲劳寿命曲线分析 (图2) 可以看出。在改系统钛合金试验加载方式下, 曲线是一个连续下降型曲线, 当在106循环周期内, 曲线图形的下降趋势近似平缓。当到循环2×106次时应力迅速下降, 因此对于发动机转子叶片在该区域要注重可靠性研究。
4 结语
模拟钛合金叶片材料的工作环境下的振动失效, 具有工程应用指导意义。通过分析可以看出对叶片分析失效在循环2×106~2×107次也会产生失效, 而对于高周试验研究较少, 应加大研究。
参考文献
[1]李重河, 朱明, 王宁, 等.钛合金在飞机上的应用[J].稀有金属, 2009, 33 (1) :84-91.
[2]赵萍, 何清华, 杨治国.航空发动机叶片疲劳断裂研究领域与方法概述[J].航空发动机, 2009 (3) :58-61.
弯曲疲劳性能 篇2
随着城市化进程的加快,在旧建筑物的拆迁改造过程中产生了大量的废弃混凝土,开展再生混凝土骨料的应用研究,可为废弃混凝土的资源化利用提供有效的途径。 然而,再生混凝土骨料由于强度低、孔隙率高和吸水性大等特性,导致再生混凝土骨料在工程应用中存在强度偏低以及收缩性和耐久性等方面的问题[1]。 钢纤维能很好地改善混凝土的抗裂、抗收缩和变形性能[2],在很大程度上弥补再生混凝土的不足,为拓宽再生混凝土的应用提供了可能。
在许多土木工程结构,尤其是公路路面、桥面和铁路轨枕等结构中, 混凝土主要承受静载弯曲、动载疲劳以及温度应力的作用[3]。 因此,混凝土尤其是钢纤维混凝土的弯曲疲劳性能得到了广泛的关注[4,5,6,7],但目前对再生混凝土弯曲疲劳性能的研究还较少。 鉴于此,本文通过弯曲疲劳试验,对再生混凝土(RAC)和钢纤维再生混凝土(SFRRAC)的弯曲疲劳性能进行了研究。 作为对比,同时还进行了普通混凝土(NC)和钢纤维混凝土(SFRC)的弯曲疲劳试验,并在试验研究和理论分析的基础上,建立了相应的弯曲疲劳方程,可为再生混凝土和纤维再生混凝土在实际工程中的应用提供理论依据。
1 试验概况
1.1 原材料
水泥:42.5 级普通硅酸盐水泥。
细骨料:级配良好的中砂,细度模数2.67。
粗骨料:天然粗骨料为连续级配的碎石,粒径5~20mm;再生粗骨料由颚式破碎机破碎废弃混凝土制成,孔隙较多,表面附着有硬化水泥浆。 天然粗骨料和再生粗骨料的主要性能指标见表1。
钢纤维:端勾型钢纤维,其物理力学性能指标见表2。
1.2 试件设计
为了比较不同材料的抗疲劳性能,共制作了四组抗弯疲劳试件, 分别为NC、RAC、SFRC和SFRRAC。 试验共设计了两种类型的试件, 分别是尺寸为150mm×150mm×150mm的抗压强度试件和尺寸为100mm×100mm×400mm的弯曲强度和弯曲疲劳试件。
众所周知,混凝土的离散性对弯曲疲劳试验结果有很大影响。 因此,在混凝土的搅拌、成型和养护过程中要进行严格的控制,尽可能降低混凝土离散性的影响。 同时,增加试件的数量,每组弯曲静载试验和同一应力水平下弯曲疲劳试验的试件数量均为5 个。 试验选取3 个应力水平,每组疲劳试件为15 个, 静载抗压和弯曲试件分别为5 个和3 个,每组共23 个试件,试件总数为92 个。
试件养护28d后开始试验。 弯曲疲劳试验前先进行静载破坏试验,测量各组试件的抗压强度和弯曲强度。 将测得的弯曲强度fft作为疲劳试验加载的依据。
1.3 弯曲疲劳试验
弯曲疲劳试验在美国MTS322电液伺服式疲劳试验机上进行,采用三分点(50+3×100+50)加载,加载前先对梁预加300N的荷载,并反复几次,从而消除因试件与试验机接触不良造成的误差。试验采用正弦波加载,加载频率为10Hz。循环次数超过200万次未破坏时停止试验。
疲劳加载应力水平S定义为循环荷载产生的最大应力幅值 σmax与静载弯曲强度fft的比值,本试验釆用0.9、0.8 和0.7 三个应力水平。 疲劳荷载循环特征值R用最小荷载Pmin和最大荷载Pmax的比值表示,本试验采用等幅疲劳加载,取R=0.1。
2 弯曲疲劳性能试验结果与分析
2.1 疲劳寿命
各组试件在不同应力水平下的疲劳寿命试验结果如表3 所示,括号内数据不能反映实际的疲劳寿命,在分析时剔除。
由表3 可以看出,各组试件在各应力水平下的疲劳寿命均有很大的离散性,变异系数最大的达到0.488,最小的也有0.174。 但从中依然可以得到一些规律性的结论。
首先,随应力水平的增大,各组试件的疲劳寿命均大幅减小,离散性也明显增大。应力水平从0.7增大到0.9,NC、RAC、SFRC和SFRRAC的平均疲劳寿命分别减小了159倍、167倍、89倍和108倍,变异系数分别增大了11.7%、22.0%、57.5%和26.1%。这是因为混凝土内部不可避免地存在微缺陷和不均质性,在疲劳荷载作用下,微缺陷逐步扩展和贯通,最终导致破坏。荷载越大,微缺陷的发展速度越快,疲劳寿命越低;同时,随着荷载的增大,裂缝发展的随机性等偶然因素的影响增加,导致试验结果的离散性随之增大。
其次,再生混凝土疲劳寿命明显低于天然骨料混凝土,离散性也更大。应力水平分别为0.7、0.8和0.9时,RAC试件的平均疲劳寿命比NC试件分别降低了44.3%、51.3%和46.9%,变异系数分别增大了6.4%、10.6%和16.2%;SFRRAC试件的平均疲劳寿命比SFRC试件分别降低了40.2%、41.8%和50.4%,变异系数分别增大了69.5%、35.7%和35.8%。这是由于与天然骨料相比,再生骨料本身的微缺陷更多,材料的不匀质性也就更大。因此,再生混凝土的疲劳寿命更低,离散性更大。
再次,钢纤维混凝土疲劳寿命显著高于未掺纤维的混凝土,离散性也更小。应力水平分别为0.7、0.8和0.9时,SFRC试件的平均疲劳寿命比NC试件分别提高了2.18倍、5.31倍和4.67倍,变异系数分别减小了53.7%、33.3%和34.8%;SFRRAC试件的平均疲劳寿命比RAC试件分别提高了3.41倍、8.25倍和5.29倍,变异系数分别减小了26.3%、18.2%和23.8%。这是因为钢纤维发挥了很好的阻裂作用和桥接作用,有效地降低了裂缝尖端的应力集中,同时提高了裂缝扩展所需的拉应力,从而有效提高了混凝土的疲劳寿命,并降低了试验结果的离散性。
2.2 疲劳寿命的威布尔分布拟合
如前所述,各组试件的疲劳寿命测试结果离散性较大,即使同组试件在同一应力水平下的疲劳寿命相差都超过一个数量级甚至更多。 因此,考虑采用两参数的威布尔分布理论来描述疲劳寿命的概率分布。
式中:Y= ln[ln(1/P)],X=ln NP,β=bln Na,b为威布尔形状参数,P为可靠度,NP表示可靠度为P时的疲劳寿命,Na为特征寿命参数。
利用式(1),并结合疲劳寿命试验数据,即可拟合出参数b和 β 的值,拟合结果见表3。 各应力水平下各组试件的威布尔分布情况见图1。
由表3 可以看出,ln[ln(1/P)]与ln NP之间呈现很好的统计线性关系,除了RAC试件在应力水平为0.7 时的相关系数R2为0.88,其余均大于0.93。 说明各组试件在各应力水平下的弯曲疲劳寿命均很好地服从两参数的威布尔分布。
2.3 弯曲疲劳方程
为了再生混凝土的工程应用以及与其他研究成果进行比较,建立了各组试件的弯曲疲劳方程:
单对数疲劳方程:
双对数疲劳方程:
式中:A、C、lga、c为疲劳方程系数,其取值由方程所能够保证的安全程度来确定。
利用式(2)和式(3),结合疲劳寿命试验数据,即可拟合出不同失效概率下的疲劳方程系数A、C、lga和c,从而得到不同失效概率所对应的疲劳方程。限于篇幅,本文仅给出失效概率为0.5时的疲劳方程。各疲劳方程及其与试验结果的拟合情况如图2所示。由图2可以看出,所建立的弯曲疲劳方程与试验值相关性良好,其相关系数R2均在0.95以上。因此,本文建立的疲劳方程完全可以满足工程应用的需要。
3 结论
(1)随着应力水平的增大,普通混凝土、再生混凝土、纤维混凝土和纤维再生混凝土的疲劳寿命均大幅减小,离散性也明显增大。
(2) 与天然骨料混凝土相比, 再生骨料混凝土在相同应力水平下的疲劳寿命更低,离散性更大。
(3)掺入钢纤维可以显著提高混凝土的疲劳寿命,并有效降低离散性。
(4)普通混凝土、再生混凝土、纤维混凝土和纤维再生混凝土的疲劳寿命均很好地服从两参数的威布尔分布。
(5)建立的单对数和双对数弯曲疲劳方程与试验值的相关性均良好,可为再生混凝土和纤维再生混凝土的工程应用提供参考。
参考文献
[1]侯星宇.再生混凝土研究综述[J].混凝土,2011(7):97-103.
[2]高丹盈,赵军,海堂.钢纤维混凝土设计与应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.
[3]Sun Wei,Yan Yun.Study of the fatigue performance and damage mechanism of steel fibre reinforced concrete[J].ACI Materials Journal,1996,93(3):206-211.
[4]孙伟,高建明.路用钢纤维混凝土抗折疲劳特性研究[J].东南大学学报,1991,21(2):80-87.
[5]贡金鑫,黄承逵,赵国藩.钢纤维混凝土的抗折疲劳方程[J].土木工程学报,2001,34(4):72-77.
[6]邓宗才.钢纤维混凝土疲劳断裂与损伤特性的试验研究[J].土木工程学报,2003,36(2):20-25.
渗碳齿轮弯曲疲劳强度研究 篇3
目前, 国内关于齿根弯曲疲劳试验方法的研究已经取得了丰富的经验和成果, 但与国外先进水平相比, 还存在一定的差距, 很多材料齿轮的弯曲疲劳强度还缺乏试验数据的支持, 这主要是由于我国关于疲劳的研究起步较晚。不过随着国内各行业对于疲劳强度研究的重视, 我国关于齿轮弯曲疲劳强度的试验研究也愈加深入。利用试验的方法进行齿轮齿根弯曲疲劳强度研究, 所得试验数据较为真实可靠, 但是疲劳试验周期较长, 试验成本较高;通过较少试验点的统计分析预测试验对象的疲劳强度能否达到精度要求也存在疑问, 因而通过疲劳试验进行齿轮弯曲疲劳强度的研究还需要不断完善。
1 齿轮弯曲疲劳强度试验方法
本文通过试验的方法研究确定齿轮齿根的弯曲疲劳强度。为保证试验设计可行, 试验结果可靠, 以GB/T 14230-1993《齿轮弯曲疲劳强度试验方法》为指导, 选用B类试验法中的单齿加载方式。B类试验法是在脉动疲劳试验机上利用专门的夹具, 对试验齿轮的轮齿进行脉动加载, 直至轮齿出现弯曲疲劳失效或越出, 试验终止并获得轮齿在试验应力下的一个弯曲疲劳寿命数据。试验中, 脉动载荷仅施加在试验轮齿上, 试验齿轮不做啮合转动。所选取的试验轮齿与加载过的轮齿至少间隔一个轮齿, 每个试验齿轮可测得若干个试验点。GB/T14230-1993中B类单齿试验方法规定了试验条件 (试验机及试验齿轮要求) 、试验点选择、试验步骤、齿轮齿根弯曲应力计算方法等内容。
2 研究方案设计
2.1 试验齿轮
该试验中齿轮材料为20Cr2Ni4A, 采用渗碳淬火工艺进行处理, 表面硬度达HRC58~HRC62。齿轮为标准渐开线圆柱直齿轮, 模数m=6 mm, 齿数z=20, 压力角α=20°, 齿顶高系数ha*=1, 顶隙系数c*=0.25, 齿宽b=25mm, 表面粗糙度Rz=10μm, 齿根圆角参数qs=2.5。
2.2 疲劳试验机及试验夹具
本试验选用长春第一机床厂生产的高频疲劳试验机。通过试运行及调试, 试验机满足GB/T 14230-1993的规定, 能够承担本次试验任务。选用的试验机及齿轮夹具结构如图1所示, 可以看出该试验中齿轮为单齿加载, 但与国标中B试验法单齿加载方式存在不同, 该试验中加载的轴向力可以直接作用在齿顶中部。
2.3 应力计算
由于载荷作用在轮齿顶端, 因而在计算弯曲应力时要按照GB/T3480-97中的方法二, 这与GB/T14230-1993中的单齿加载存在一些差别, 齿根应力的计算公式为:
其中:Ft为齿轮分度圆上名义切向力;YFa为载荷作用于齿顶时的齿形系数;YSa为载荷作用于齿顶时的应力修正系数;YST为齿轮的应力修正系数;Yδrelt为相对齿根圆角敏感系数;YRrelt为相对齿根表面状况系数;YX为尺寸系数。
根据以上齿根弯曲应力的计算方法, 确定疲劳试验的应力水平后, 即可求得试验机的输入载荷。应力水平的选择及对应的循环载荷见表1。
按照表1中的载荷值, 每个应力水平选择一定的试验点, 在所选疲劳试验机上进行加载, 激振频率取90Hz。规定越出点循环次数为3×106, 即可得到齿轮弯曲疲劳强度试验的寿命数据。
3 R-S-N曲线的设计
3.1 引入R-S-N曲线的原因
研究齿轮齿根弯曲疲劳强度, 是希望找到在确定的试验条件下, 试验应力与齿轮弯曲疲劳寿命之间的关系, 作为齿轮弯曲疲劳强度的表征。由于疲劳寿命数据的分散性特点, 即使在同一应力水平下进行的齿轮弯曲疲劳试验, 采集的试验寿命数据也存在较大的散差。因而, 在各应力水平下直接选取试验采集的弯曲疲劳数据进行疲劳曲线的拟合是行不通的, 这也是为什么S-N (应力-寿命) 曲线不能准确表征齿轮弯曲疲劳强度的原因。针对以上情况, 考虑到弯曲疲劳试验寿命数据的分散性特点, 将可靠度概念引入到疲劳强度的描绘中。可靠度是基于概率统计理论定义的, 是指完成某个特定事件的概率, 应用在疲劳试验中, 可靠度可以认为是试件在达到某一给定的寿命 (或循环次数) 而没有发生破坏的概率。与之相对应的便是失效率, 是指进行疲劳试验的试件在未达到某一给定的寿命 (或循环次数) 便发生失效的概率。
在进行齿轮弯曲疲劳试验时, 首先规定了越出界点 (即应力循环次数为3×106) 。各应力水平下测得的试验数据大都没有达到越出时的循环次数, 即为失效点。这些失效点的弯曲疲劳寿命数据虽然随机性较大, 但通过概率统计分析可以得到它们的分布形式。通过分布函数, 可以计算出试件在某一应力水平下的累积失效概率, 根据累积失效率与可靠度之间的关系, 可以估计出给定可靠度下, 试件的疲劳寿命值。根据各应力水平下按概率统计分布估计出的具有可靠度指标的疲劳寿命数据绘制疲劳强度曲线, 即为R-S-N曲线 (可靠度-应力-寿命曲线) 。
3.2 设计应力水平
为了使所拟合的R-S-N曲线能够较好地反映试验应力与齿轮齿根弯曲疲劳寿命之间的关系, 各应力水平的选择应符合一定的要求。GB/T 14230-1993规定了成组试验法中各应力水平的选择方法:用于绘制R-S-N曲线的齿轮弯曲疲劳试验, 应选取多个应力级, 最高应力级下的弯曲疲劳试验循环次数应大于疲劳强度极限次数;最高应力级与次高应力级之间的大小间隔应为总的试验应力范围的40%;按照应力水平的递减, 相邻两个应力级之间的应力间隔呈逐步减小的趋势;最低应力水平下的试验数据至少应包含一个越出点。根据GB/T 14230-1993的要求, 结合试验条件, 选取以下5个应力水平绘制R-S-N曲线, 如表2所示。
最高应力水平 (682.9 MPa) 下, 测得的试验寿命数据均大于5×104次。根据表2数据可以看到, 最高应力级与次高应力级间的应力间隔为总的试验水平范围的40%;随着应力的减小, 相邻两个水平间的应力间隔逐渐变小。最低应力水平 (611.5 MPa) 下存在1个越出点。用于绘制R-S-N曲线的5个应力水平的选择符合GB/T 14230-1993的规定。
3.3 R-S-N曲线设计
R-S-N曲线拟合时选择幂函数表达式:
其中:Smax为极限应力;m1为指数;C为常数。
为了使拟合曲线更加直观, 拟合过程更为简便, 对式 (2) 两边同时取自然对数, 得:
设定越出循环次数为3×106, 取可靠度分别为25%、50%、75%、90%、99%, 代入R-S-N曲线方程 (3) 中, 即可求得不同可靠度下的齿轮弯曲疲劳强度极限值, 如表3所示。
根据同样的方法, 计算当越出循环次数定为107次时的疲劳强度极限, 结果列于表4中。
通过表3、表4结果可知, 越出界点为循环次数3×106时, 齿轮弯曲疲劳强度极限为607.91 MPa;越出点界点选定循环次数107时, 求得齿轮弯曲疲劳强度极限为599.17 MPa。
4 结束语
通过对20Cr2Ni4A材料标准渐开线圆柱直齿轮 (m=6) 进行齿根弯曲疲劳试验, 求得能够反映其疲劳强度的R-S-N曲线, 该曲线从概率统计的角度揭示了在中短寿命区间内齿轮所受载荷与工作寿命之间的关联性。
摘要：根据GB/T 14230-1993中规定试验设备、方法、应力水平和试验点, 通过试验方法研究20Cr2Ni4A材料渗碳淬火齿轮弯曲疲劳强度。分析了引入R-S-N曲线的原因, 并根据试验获得的数据分析拟合出R-S-N曲线, 估计出相应循环次数所对应的齿轮弯曲疲劳强度极限。
关键词：齿轮,弯曲应力,疲劳强度
参考文献
[1]王国军.MSC.Fatigue疲劳分析[M].北京:机械工业出版社, 2009.
超声弯曲疲劳试验方法及其应用 篇4
随着工程机械的运行速度不断提高,其零部件疲劳工作寿命已超过传统定义的107周次的范围,达到109周次以上.研究工程材料在107周次以上的疲劳寿命和疲劳损伤机理,对机械构件的安全设计和选材具有重要意义.1950年,Mason基于压电磁致伸缩原理并利用高能超声波谐振技术建立了超声疲劳试验方法,其工作频率一般在15～22 kHz.目前超声疲劳加载方式有对称拉压[1],非对称拉压[1],三点弯曲非对称拉压[2]和扭转[3]等.为了进一步拓宽超声疲劳试验研究范围,实现多种加载方式,本实验室开发了对称弯曲拉压超声疲劳试验技术,并运用该方法测定了50#车轴钢的S-N曲线.
1 弯曲超声疲劳试验系统
1.1 弯曲超声疲劳试验系统及其原理
本文在三点弯曲非对称拉压疲劳试验系统原理的基础上开发了对称弯曲拉压超声疲劳试验系统,如图1所示,主要由超声频率发生器,压电陶瓷换能器和位移放大器组成.
由压电陶瓷换能器、位移放大器和试样组成的超声疲劳试验机构成了一个力学振动系统.试验中,首先将试样用螺栓固定在位移放大器上,然后由外加信号激励试样发生谐振,这样试样在外加信号激励下产生对称弯曲变形,图中A,C截面的位移为零.试样的最大应力截面上的应力幅值σmax与试样端部(D截面)输入位移幅A0之间满足正比例关系:σmax=CsA0,式中Cs为对称弯曲试样的应力位移系数,单位为MPa/μm.Cs与试样的动态弹性模量、密度及几何尺寸有关.试验过程中通过控制试样端部位移幅值,即可达到控制试验应力幅值的目的.
1.2 弯曲试样的设计
根据三点弯曲疲劳试样设计计算[2],我们设计出如图2所示的超声弯曲试样图,并用ANSYS有限元软件进行了弯曲试样的振动模态分析,控制其频率在20kHz左右,模拟得到其正应力分布云图,如图3所示.
由图3可以看出,直角处出现明显的应力集中现象,为改善其应力状态,在直角处添加圆弧过渡,修改后的超声弯曲试样如图4所示.
用ANSYS有限元软件分析得到试样的正应力分布云图如图5所示.由图可见,应力集中现象明显得到缓解.
1.3 试样几何尺寸偏差对超声振动特性的影响
试样的机加工难免存在几何尺寸加工误差.超声疲劳试验中,系统的振动频率保持在(20±0.5) kHz的范围内,超过这个范围,试验系统自动停止.试样实际加工尺寸与设计尺寸间的误差将引起试样的固有谐振频率和位移应力系数偏离设计值,影响试验精度和试验过程,应该予以考虑.现以50#车轴钢的加工误差为例,设计计算的标准试样尺寸为:L=21.35 mm,h=5 mm,R=7 mm,f=20 010 Hz,应力位移系数Cs=23.37MPa/μm.
1.3.1 试样半长L加工误差的影响
图6给出了半长L变化对试样固有谐振频率和应力位移系数的影响.可见,L的误差对谐振频率和应力位移系数的影响较大.当半长L的加工误差在(21.35±0.25) mm时,试样的谐振频率超过了系统要求控制的频率误差范围;当半长L的加工误差在(21.35±0.05) mm时,引起的试样固有谐振频率变化在(20010±112) Hz之间,引起的位移应力系数变化在(23.37±0.13)MPa/μm之间.因此建议半长L的加工误差控制在L±0.2mm以内.
1.3.2 试样高度h加工误差的影响
图7给出了高度h变化对试样固有谐振频率和应力位移系数的影响.在标准尺寸和标准材料特性情况下,当高度h的加工误差为(5±0.3) mm时,试样的谐振频率超过了系统要求控制的频率误差范围,当高度h的加工误差在(5±0.05) mm时,引起的试样固有谐振频率变化在(20 010±98) Hz之间;引起的位移应力系数变化在(23.37±0.11)MPa/μm之间.建议试样尺寸h的加工误差控制在h±0.2mm范围内.
1.3.3 试样半径R加工误差的影响
在标准尺寸和标准材料特性情况下,当半径R加工误差在(7±1.3)mm之间时,试样的谐振频率在系统要求控制的频率误差范围内.因此R的加工误差对试样的谐振频率的影响较小,建议试样半径R的加工误差控制在R±1 mm以内.
综合以上分析可见,为了保证试验的精确性,试验所用试样L的加工误差应控制在L±0.2 mm范围内,h的加工误差应控制在h±0.2mm范围内,R的加工误差控制在R±1mm范围内.在以上的加工误差范围内,对应力位移系数的影响可以忽略不计.
2 在材料高周疲劳性能研究中的应用
2.1 试验材料
超声弯曲疲劳试验材料为50#车轴钢,其主要化学成分(质量分数%)为0.47C,0.78Mn,0.26Si,0.02 Cr,0.007 S,0.014 P,0.15 Cu,0.021 Al,0.028 Ni.热处理工艺为两次正火一次回火:860℃加热风冷,800℃加热风冷,570℃回火空冷;热处理后材料的机械性能为Ed=206 GPa,σb=660MPa,σs=365 MPa,ρ=7 820 kg/m3,ψ=51%.δ=26%.
根据三点弯曲超声疲劳试样解析解[2]得到对称弯曲超声疲劳试样形状如图4所示,试样的实际尺寸为:h=5mm,b=10mm,R=7mm,2L=42.6 mm,L1=10 mm,f=20122 kHz,应力位移系数Cs=23.50MPa/μm.
2.2 试验过程
在不同应力幅下对试样进行加载试验,共振频率为20kHz,应力幅是通过控制共振位移来实现对试样加载的,应力幅σa等于共振位移A乘以应力位移系数Cs,即σa=CsA,试验在室温下进行.试样共振时,由于吸收超声振动能量和内部的摩擦,会产生升温现象,试验中采用水冷方式,使试样表面温度与室温相当.
2.3 试验结果与分析
图8给出了50#车轴钢对称弯曲超声疲劳试验曲线和对称拉压超声疲劳试验曲线[4]由图8可见,对称弯曲加载下的50#车轴钢的S-N曲线是一条连续下降型曲线.超声疲劳试验可以得到常规疲劳试验难以得到的大于107周次超长寿命的疲劳性能,当疲劳循环数超过109后,仍发生疲劳断裂.
另外,50#车轴钢对称弯曲加载下的超声疲劳数据点拟合的S-N曲线是一条对数曲线,可以用方程式σa=In(Nf)b+σf表示,其中σa为疲劳强度,b为疲劳强度指数,σf为当Nf=1时的疲劳强度.用本试验数据拟合得b=-20.48,σf=666.17MPa,方差R2=0.968 2.当Nf=107,条件疲劳强度σa=336.07 MPa;当Nf=109,条件疲劳强度σa=241.76 MPa.可见,用107下的疲劳强度作为109周次服役构件的强度设计条件是偏于危险的.因此工程疲劳强度设计中应该对材料的超长寿命进行更加深入的研究.
与对称拉压加载下50#车轴钢的S-N曲线相比,对称拉压加载下50#车轴钢的S-N曲线在106循环周次处出现水平平台,是一条阶梯下降型曲线.对称弯曲加载下的50#车轴钢的S-N曲线在106循环周次处未出现水平平台,是一条连续下降型曲线.结果表明,加载方式对S-N曲线有明显影响.如图8所示,在高周阶段,弯曲加载下的疲劳性能明显提高,由对称拉压加载下50#车轴钢的S-N曲线的Basquin方程式[5]拟合结果,在105循环周次处,对应的疲劳强度为372.17MPa,由本文对称弯曲加载下的50#车轴钢的S-N曲线的拟合结果,在105循环周次处的疲劳强度为430.39MPa,两者疲劳强度之比为0.86,两种加载方式的疲劳强度满足σ-1拉≈0.86σ-1弯,文献[6]给出的修正结果与本文相近.但在超高周阶段两种载荷的S-N曲线基本重合.表明加载方式对超高周疲劳性能无明显影响.综上所述,在分析超声疲劳试验的S-N曲线时,应该考虑加载方式的影响.
3 结论
(1)本文开发的对称弯曲试验技术作为一种加速疲劳试验方法,为超高周疲劳性能研究提供了一种新的加载方式.对称弯曲加载下的50#车轴钢的S-N曲线是一条连续下降型曲线.
(2) 50#车轴钢在104～1010周次范围内的S-N曲线始终保持下降趋势,将50#车轴钢用于107周次以上工作寿命的构件时,应该考虑107以上的疲劳性能,才能保证构件的安全性.
(3)与对称拉压加载下50#车轴钢的S-N曲线相比,对称弯曲加载下的50#车轴钢的S-N曲线在106循环周次处并未出现水平平台,曲线下降趋势也未明显变化.在高周阶段,两种加载方式的疲劳强度满足σ-1拉≈0.86σ-1弯,在超高周阶段,两种加载方式的S-N曲线基本重合.加载方式对超高周疲劳性能无明显影响.
参考文献
[1]闫桂玲．非对称超高周疲劳实验研究．[硕士论文]．成都：西南交通大学，2004(Yan Guiling．Study of ultra-long fatigue test- ing at non-symmetric loading.[Master Thesis].Chengdu: Southwest Jiaotong University,2004(in Chinese))
[2]闫桂玲，王弘，高庆．超声疲劳试验方法及其应用．力学与实践，2004,26(6):25～29(Yan Guiling,Wang Hong,Gao Qing. Method of ultrasonic fatigue and applications.Mechanics in Engineering,2004,26(6):25～29(in Chinese))
[3]王弘，高庆．超声疲劳扭转试样谐振长度的解析法计算．西南交通大学学报，2001，36(6)：595～598(Wang Hong，Gao Qing．Analytical solution of the resonance length for ultrasonic torsional fatigue samples.Journal of Southwest Jiaotong University,2001,36(6):595～598(in Chinese))
[4]王弘．40Cr、50车轴钢超高周疲劳性能研究及疲劳断裂机理探讨．[博士论文]．成都：西南交通大学，2004(Wang Hong．Study of fatigue behavior and mechanism of fatigue failure in the ultra-long-cycle regime in 40Cr and 50 axles steels. [Ph D Thesis].Chengdu:Southwest Jiaotong University, 2004(in Chinese))
[5] Suresh S．材料的疲劳(第二版)．王中光译．北京：国防工业出版社，1999(Suresh S．Fatigue of Materials(Ⅱ)．Beijing：Defense Industry Press，1999(in Chinese))
高强度齿轮单齿弯曲疲劳强度试验 篇5
为弥补齿轮表面强化的不足, 工程上常同时使用几种表面强化方法使齿轮达到较理想的强化效果。渗碳淬火后, 齿轮材料表面会形成一种软化层, 为了改善这种软化层, 通常会增加喷丸工艺提高齿轮的强度。本文选择的研究对象为两种国产轿车变速箱齿轮, 齿轮材料均为应用极广泛的低碳合金结构钢, 且都经过渗碳淬火加喷丸处理。通过试验得到这两种齿轮经同种表面工艺强化后的弯曲疲劳强度和疲劳寿命。
120MnCr5齿轮试验
第一种齿轮材料为20MnCr5, 齿数20, 变位量1.5mm, 模数3mm, 压力角17.5°, 变位系数1.5。疲劳极限427MPa, 抗拉强度930MPa。材料的化学成分质量分数如表1所示。齿轮经渗碳淬火加喷丸处理后齿面硬度为59~63HRC, 硬度为52HRC的有效硬化层深度为0.7~1.0mm, 齿根心部硬度为36~47HRC。齿轮表面马氏体中有17%保留奥氏体。
单位:%
做试验前, 我们采取两种方法对经表面强化的齿轮抗拉强度进行预测。
第一种预测方法:根据热处理条件和硬化层深度采用查手册图表方法, 预测抗拉强度为1847MPa。
第二种预测方法:根据表面强 化后的齿轮硬度, 对照Wilson表, 将硬度转化成抗拉强度, 估算齿轮的最大抗拉强度为2305MPa。
1.1静强度试验
齿轮试验均在德国产RoellAmslerHFP100型高频疲劳试验机上完成。最大加载载荷10t, 试验用加载频率为74Hz, 试验地点及试验齿轮的装夹形式如图1所示。对齿轮材料施加静压直到断裂, 试验3个齿测定单齿断裂的载荷F。若3组测得的数据差别较大, 则需另取齿进行压断, 以减少误差。试验结果如表2所示。
齿轮的静压断裂载荷为26.4kN (1kN对应86.35MPa) , 屈服强度为1700MPa, 静强度均值为2279.6MPa。将两种预测结果与试验结果对比, 第一种查表预测误差23.4%, 第二种根据硬度转化抗拉强度误差1.1%。说明第二种方法预测方法准确性很高, 在工程设计中, 宜根据零件的硬度估算其抗拉强度。
1.2疲劳试验
疲劳试验仍在RoellAmslerHFP100型高频疲劳试验机上进行。试验时循环比r取0.11, 加载频率取74Hz。所有齿轮的疲劳试验中, 若加载频率下降5Hz或轮齿发生断裂则认为该齿轮发生了失效, 将失效时对应的应力循环次数NO作为齿轮弯曲疲劳寿命。当NO超过300万次后停止, 认为该应力下齿轮不发生疲劳破坏。
合金结构钢S—N曲线在中寿命段处, 双对数坐标下是一条直线。选取几组当量应力对其加载, 试验结果如表3所示。
对齿轮的试验数据进行处理, 得到失效率为50%时的单齿弯曲S—N曲线方程:
根据厂家提供的疲劳极限数据 (1100MPa) , 接着稍微降低应力到1100MPa以下时, 试验中循环数均超过300万次而未失效, 所以可认为厂家提供的疲劳极限是准确的, 该齿轮疲劳极限确实为1100MPa左右。
试验中发现, 当齿轮弯曲疲劳寿命大于十几万次后, 应力的微小变化就会造成疲劳寿命的巨大变化, 甚至不会失效。试验发现, 按常规材料的S—N曲线测定方法很难测到单齿弯曲疲劳寿命为40100万次左右的应力。
注:* 表示超过该循环未失效。
220CrMnMo齿轮试验
另取材料为20CrMnMo的齿轮为研究对象。模数3mm, 齿数19, 齿宽12mm, 压力角20°。疲劳极限436MPa, 抗拉强度930MPa。表面采用渗碳淬火, 渗层深度0.5mm。齿面硬度50~54HRC, 心部硬度30~42HRC。经超声波进行探伤, 未发现有缺陷。
齿轮材料的化学成分如表4所示。
单位:%
做试验前, 为证明上述试验结论, 仍采取两种方法对经表面强化的齿轮抗拉强度进行预测。
第一种预测方法:根据热处理条件和硬化层深度查手册图表, 预测齿轮的抗拉强度为1395MPa。
第二种预测方法:根据表面强化后齿轮硬度, 对照Wilson表, 将硬度转化成抗拉强度, 估算齿轮的最大抗拉强度为1742MPa。
2.1静强度试验
试验在MTS880电液伺服疲劳试验机上完成。分别在不同齿轮上随机抽取不同的齿进行静压试验, 加载的速度为0.1kN/s。在试验过程中, 每隔1s记录一次试验的载荷及位移, 以齿轮突然断裂作为轮齿破坏的依据。加载过程中的位移—力曲线如图2所示。
从图中可看出, 在静压试验过程中齿轮的塑性变形不明显, 基本上是脆断过程。静强度试验结果如表5所示。
齿轮的静压断裂载荷为55.18kN, 对应的静强度值为1785MPa。将两种预测结果与试验结果对比, 第一种查表预测误差27.9%, 第二种根据硬度转化抗拉强度误差5%。
2.2疲劳试验
试验时加载频率范围为110~120Hz, 循环比r=0.15。所有齿轮疲劳试验都以试验机加载力下降到原加载力的40%~50%作为齿轮失效判据, 将失效时的应力循环次数NO作为单齿弯曲疲劳寿命。当NO超过300万次后停止, 认为该应力下齿轮不发生疲劳破坏。
结果如表6所示。
注:*表示超过该循环未失效。
对齿轮的试验数据进行处理, 得到失效率为50%时的单齿弯曲S—N曲线方程:
由表6可知, 当应力为830MPa时, 疲劳寿命为570000次, 而应力稍微低于814MPa时, 两次试验中一次循环数超过了300万次而未失效, 所以可认为热处理后齿轮疲劳强度为814MPa。
试验中也同样发现, 当齿轮弯曲疲劳寿命大于几十万次后, 应力的微小变化会造成疲劳寿命的巨大变化, 甚至不会失效。试验发现, 按常规材料的S—N曲线测定方法很难测到单齿弯曲疲劳寿命为60100万次左右的应力。
3结论
通过以上试验, 可得到如下结论:
(1) 这种表面处理能使不同材料的齿轮疲劳特性得到显著提高。采用查图表方法预测工艺处理后材料的强度特性, 预测结果存在很大误差。应根据硬度、强度转化关系预测。
(2) 对经表面强化的齿轮做疲劳试验, 疲劳失效的寿命循环次数均只达到几十万次, 然后不断降低应力, 循环次数就超过300万次而未失效。不同材料的两组齿轮都存在这样的问题, 以前并没有引起试验人员的注意。
参考文献
[1]石振华, 陶印华, 王越.大功率机车齿轮钢 (16Cr2Ni2A) 性能的研究[J].马钢科技, 1995 (3)
[2]廖正中.渗碳齿轮钢的冲击—弯折性能与应用[J].川汽科技, 1992 (2)
[3]李建华.汽车齿轮轮钢20MnCr5及其热处理工艺研究[D].南京林业大学, 2003
弯曲疲劳性能 篇6
4RC球铁曲轴是东方红4B5自然吸气系列柴油机机使用最为广泛的曲轴品种之一。近年来,由于不断提高柴油机的动力性,致使4RC球铁曲轴的工作条件越来越苛刻,为此有必要对4RC球铁曲轴进行疲劳强度试验,用以验证4RC球铁曲轴在4B5自然吸气系列柴油机上不同存活率下的极限疲劳弯矩及安全性。
1 曲轴弯曲疲劳试验设备
目前,国内曲轴弯曲疲劳试验的设备主要分为机械式和电磁激振式两大类。其中由于电磁激振式曲轴疲劳试验机具有较高的设备能力和指示精度、较小的电耗功率以及可以较为灵敏的判断试验件破坏程度等诸多优点,与机械式曲轴疲劳试验机相比应用更为广泛。现以我公司使用的NQP300电动谐振曲轴疲劳试验机为例,对电磁激振式曲轴疲劳试验机进行介绍。
NQP300电动谐振曲轴疲劳试验机见图1,其由机械谐振和电子控制两大系统构成。机械谐振系统主要由电动激振器、龙门架、惯性摆臂等构成,电子控制系统主要由功率放大器、加速度计、电荷放大器、控制器等构成。试验样品必须是独立的曲拐单元,试验时两相同的惯性摆臂对称地固定在曲拐单元两主轴颈上,构成音叉谐振系统,再用钢丝绳悬挂起来。电动激振器通过推杆与其中一摆臂相连,当它以一定的频率 (该频率等于机械系统的谐振频率) 和幅度激励系统时,摆臂的惯性力所产生的弯矩就施加到曲拐单元上。放置在另一摆臂上的加速计产生的电荷经电荷放大器放大并转成标准量化的电压信号后,便作为系统的响应送至电子控制部分参与运算与处理,即进入正常的工作状态。根据共振频率下降的情况来判断曲拐单元的破坏情况。
2 曲轴弯曲疲劳试验环境条件及方法
为保证弯曲疲劳试验的准确性,试验在室温20~25℃条件下进行,实验设施周围无腐蚀性介质,工作电源电压的波动范围不超过额定电压的10%,工作频率在20~150 Hz之间。并 按照《QC/T 637-2000汽车发动机曲轴弯曲疲劳试验方法》进行曲轴单拐弯曲疲劳试验,试验的循环基数为1×107次,定义系统的共振频率下降1 Hz为试件失效,相应的裂纹长度约10~15 mm。
弯曲疲劳试验载荷的标定和控制都是通过在连杆轴颈上贴应变片,见图2,再通过测量该应变片的应变来实现的。为了保证试验准确,对每件试验的曲拐一一标定。试验循环基数需要取1×107次。曲轴弯曲疲劳试验的危险部位一般为连杆轴颈过渡圆角和主轴颈过渡圆角。考察曲轴疲劳强度时通常需要计算曲轴,曲轴名义工作弯矩为:
式中,M -1 为名义工作弯矩;D为气缸直径;L1 为曲拐中心至主轴颈中心距离;G为柄臂中心至主轴颈中心距离;p为爆发压力;K为支承系数(全支承K = 0.75,非全支承K = 0. 85、滚动轴承K = 0.90);L为相邻两主轴颈中心距离。
按照《QC/T 637-2000汽车发动机曲轴弯曲疲劳试验方法》中升降法获取具有50%存活率的条件疲劳极限,测定曲拐的确定曲轴的疲劳极限。首批试样数量不得小于16个,弯矩增量一般在疲劳极限的5% 以内,保证6对有效数据,结果应满足置信度≥95%,相对误差≤5%的要求。主要考察曲轴50%存活率下的弯曲疲劳极限,99.9%存活率下的弯曲疲劳极限及存活率为99.9%的安全系数,可分别按式(2)、式(3)计算:
式中,S n-1为M -1 对应的标准差;a为对应概率为p的单侧正态分布位值;K为与有效数据的对子数目有关的修正系数;n为存活率为99.9%的安全系数。
3 4RC曲轴弯曲疲劳试验数据分析
4RC曲轴基本技术条件:材料为QT800-3球墨铸铁,主轴颈及连杆颈的轴颈外圆经过感应淬火处理,主轴颈及连杆颈的圆角经过圆角滚压工艺处理,为全支撑形式,4RC曲轴尺寸参数及东方红4B5机型缸内爆发压力参考数值见表1。
通过公式(1)计算,得出曲轴名义工作弯矩:
试件为从4RC.040301成品曲轴上截取的单拐,取其第2,4曲拐进行试验,相应编号为“-2”和“-4” ,共计16个单拐。曲轴弯曲疲劳试验在NQP-300电动谐振式疲劳试验装置上进行,载荷为对称的正弦波,加载频率约65 Hz。试验前对系统的载荷进行了标定,标定后在所使用的载荷范围内,弯矩的相对误差不大于1.5%。并按照《QC/T 637-2000汽车发动机曲轴弯曲疲劳试验方法》进行曲轴单拐弯曲疲劳试验,试验的循环基数为1×107 次,定义系统的共振频率下降1 Hz为试件失效,相应的裂纹长度约10~15 mm。从16个试拐原始试验数据中选取6对试拐的试验数据,见表2,绘制4RC曲轴弯曲疲劳试验升降图,见图3,并进行疲劳极限弯矩的计算。
根据表2中的数据,按照QC/T637-2000的标准,可算出该批试件不同存活率下的疲劳极限弯矩为:
通过公式(3)计算,可得出东方红4B5机型的存活率为99.9% 的安全系数:
n = 1.43
4 结束语
弯曲疲劳性能 篇7
汽车所有的机械结构中车轮是最重要的部件之一, 它是连接于轮胎和车轴之间承受负荷的旋转组件, 通常由轮辋和轮辐组成。车轮承受着汽车行驶过程中的各种力和力矩, 起着承载车身、转向、驱动、制动等重要作用, 所以车轮的安全也就直接关系着汽车的使用安全[1], 若车轮在使用过程中发生疲劳断裂会直接导致安全事故, 威胁驾驶员的生命。
我国将车轮的弯曲疲劳试验定为汽车出厂时的重要试验项目, 并对试验方法与标准作了严格规定。
1 车轮弯曲疲劳试验机的现状
车轮弯曲疲劳试验是由弯曲疲劳试验机来完成的。试验机有立式与卧式两种, 卧式试验机如图1 (a) 所示, 车轮动, 载荷不动;立式试验机如图1 (b) 所示, 车轮不动, 加载载荷旋转。现代的试验机多为立式试验机, 其加载方式为悬臂式, 悬臂上装有偏心的配重, 电机带动悬臂旋转给被测车轮不断地提供试验弯矩。与卧式试验机相比, 立式试验机弯矩调整范围大, 可以完成高速重载项目的试验, 备受厂家的欢迎, 卧式试验机已经慢慢地淡出了市场。
在电机的选择上, 现有试验机仍然以传统的驱动电机为主, 因此必须使用传动机构带动悬臂旋转。图2为带有传动机构的试验机, 动力均来自驱动电机, 通过带传动 (如图2 (a) 所示) 或齿轮传动 (如图2 (b) 所示) 带动悬臂与配重旋转。带有传动机构的试验机虽然也是以立式试验机为蓝本, 但是仍然有传动机构的参与, 增加了设备制造成本以及后期的设备维护费用, 而且会造成动力损耗。
2 新型悬臂式车轮弯曲疲劳试验机的优势
新型悬臂式车轮弯曲疲劳试验机做了根本性的改变:省去了传动机构, 采用空心轴电机, 令动力源与悬臂直接相连, 从而带动配重旋转, 使试验弯矩更快、更直接地作用于试验车轮;此外, 它还包含了许多先进技术的应用, 除了空心轴电机技术外, 还有应变片动态弯矩检测技术、激光式位移检测技术、应力圆处理技术、非正交误差角修正技术等, 而且该弯曲疲劳试验机是一种组态灵活的标准化产品, 在其使用范围内可适应不同型号的车轮与标准, 没有必要对每一种型号的产品进行独立的参数设定。
3 新型悬臂式车轮弯曲疲劳试验机的设计
3.1 工作原理
试验用弯矩的生成是由加载轴系统完成的, 其原理为:空心轴电机带动悬臂旋转, 由于悬臂上安装有配重, 因此会产生一个离心力, 在加载臂的参与下, 该离心力最终在被测车轮上转变成试验弯矩;电机带动悬臂与配重不停地旋转, 试验弯矩就不停地作用在被测车轮上, 在车轮上形成了一个循环的、连续不断的动态弯矩, 用来模仿车轮的工作状态, 直至车轮破裂完成试验。
新型悬臂式车轮弯曲疲劳试验机工作原理图如图3所示。试验车轮一端固定在机架上, 另一端与加载臂连接, 悬臂由空心轴电机带动旋转。该设计试验弯矩变化范围较大, 输出稳定、灵活, 试验结果便于控制与观察。设配重块的质量为m, 偏心距为r, 电机转速为ω, 力臂长为L, 则向车轮提供的试验弯矩为:
试验机的主要设计参数如表1所示。
3.2 悬臂式车轮弯曲疲劳试验机的结构
新型悬臂式车轮弯曲疲劳试验机是由加载臂延长部件、应变片、加载臂、轴承、加载臂套、悬臂、配重、空心轴电机、机壳、升降气缸、升降托盘、减震地脚等部件组成, 其装配图如图4所示。
由图4可以看到, 加载臂延长部件与加载臂通过螺栓连接, 加载臂延长部件上贴有应变片;加载臂套与加载臂通过轴承连接, 加载臂套与悬臂通过螺栓连接;空心轴电机穿过加载臂底端, 与加载臂套通过螺栓连接;悬臂与配重通过螺栓连接;升降托盘与加载臂连接, 通过升降气缸控制加载臂的升降;加载轴系统的底部即空心轴电机安装处为自由端无约束设计, 这种无约束的设计方案可以起到稳定输出弯矩的作用。
4 新型悬臂式车轮弯曲疲劳试验机的有限元分析
根据图4, 利用三维设计软件制作了其三维模型 (简化图) , 如图5所示。
运用ANSYS Workbench有限元分析软件, 对试验机进行了线性静力结构分析, 并利用其中的疲劳工具获得了其疲劳寿命云图 (见图6) 、损伤云图 (见图7) 和安全系数云图 (见图8) 。
图6为试验机在最大工作载荷状态下, 即加载臂在最大离心力作用下的使用寿命。从图6中可以看出:加载臂在满载荷情况下的平均使用寿命已经远远超过100万次, 符合设计要求。
根据文献[2, 3]可知:损伤云图显示的数值是加载臂的设计使用寿命与实际使用寿命的比值, 数值小于1时可认为不会发生疲劳破坏。从图7中可以看到最大损伤数值为1.089 7, 此处可能出现损伤, 但加载臂整体安全。
图8反映了加载臂作用材料的失效应力与设计应力的比值, 当数值小于1.1时可认为不安全。图8中, 最小安全系数为0.975 78, 在此处可能出现不安全情况, 加载臂其他部位均无问题。
5 结论
本文对悬臂式车轮弯曲疲劳试验机的优势及工作原理进行了简单的介绍, 并对设计出的试验机进行了三维建模与有限元分析, 得到了如下结论:
(1) 悬臂式车轮弯曲疲劳试验机与传统的车轮弯曲疲劳试验机相比优势明显。
(2) 从有限元分析所得到的疲劳寿命云图、损伤云图以及安全系数云图来看, 本文研制的试验机符合设计使用要求, 能满足工厂以及科研工作的需要。
参考文献
[1]闫胜昝, 童水光, 张响, 等.汽车车轮弯曲疲劳试验分析研究[J].机械强度, 2008, 30 (4) :687-691.
[2]李先锋, 杨建伟, 贾志绚.基于Workbench车辆减振器弹簧盘的疲劳分析[J].北京建筑工程学院学报, 2012, 28 (2) :53-55.