高频疲劳试验（共4篇）
高频疲劳试验 篇1
摘要：采用CSDA(客户端/服务器/数据库/应用程序)系统结构,运用TCP/IP网络通讯技术、RS-232串口通讯技术、SQL Server数据库及ADO数据访问技术开发的高频疲劳试验远程监控系统,系统实现了疲劳试验监控的远程化,其原理也可应用于其它工业设备,具有广泛的应用价值。
关键词：高频疲劳试验机,远程监控系统,数据库,网络通讯,ADO技术
1 引言
高频疲劳试验系统主要用于测定金属及其合金材料在室温状态下的拉伸、压缩或拉压交变负荷的疲劳性能。其特点是高负荷、
高频率、低消耗,从而能够缩短试验时间,降低试验费用,是工业发展的主要设备之一。
高频疲劳试验噪声大,时间长,对人体具有一定危害,而高频疲劳试验远程监控系统能够将试验机与人隔离,改善操作人员工作环境,具有实用价值。另一方面网络化也是测控系统发展的一个重要趋势,实现高频疲劳试验监控系统网络化能够提高试验效率、实现资源共享。
本系统采用CSDA(客户端/服务器/数据库/应用程序)系统结构,使用面向对象的程序开发语言Visual Basic 6.0和数据库工具SQL Server 2000进行开发[1]。系统使用了Winsock控件进行控制命令的传输,采用ADO技术进行试验信息的传输;用户在网络中任何支持TCP/IP协议的电脑上使用客户端程序就可以登录服务器进行实时控制和数据查询。另外,服务器端使用MSComm控件与高频疲劳试验机的控制器进行串口通讯,并将采集到的数据进行分析、处理、保存并据此对试验参数(平均载荷、平均载荷、振动频率)进行控制和对试验过程进行管理。
2 高频疲劳试验系统总体组成
本系统是分布式多功能疲劳试验智能监控系统,基于共振式高频疲劳试验机。试件通过夹具固定于试验机,系统通过电磁激振器和可控电机将力作用在试件上,利用激振器(基于DSP技术和FPGA技术研制)产生与系统固有频率一致的激振力使系统处于共振状态。此时作用在试件上的力通过测力传感器采集转换为电压信号,并经信号调理模块调理后进入现场控制器的数据采集与处理模块,经A/D转换、滤波、数据处理后通过RS232传给上位PC机,在此上位PC机也担任服务器的功能,通过网络通讯将数据传给远程监控PC机。原理框图如图1所示。
3 高频疲劳试验远程监控系统
远程监控系统要为远程监控PC和上位机PC之间提供网络通讯,包括试验信息的远程监测和对试验过程进行控制,而且能够按各种查询条件对试验结果、实时数据、实验历程进行远程查询[2]。
主要包括客户端和服务器端两个部分。其中服务器端包含上位机数据采集、管理、控制软件和服务器通讯软件;客户端运行远程监控软件[3]。通过此系统可以在客户端远程监测试验信息,并可根据系统运行的情况发布控制指令操纵上位机、现场控制器控制静载、动载达到设定值,进行频率跟踪,控制试验过程(试验停止、暂停、起振等)。
3.1 软件系统框架
系统的状态信息(振动波形数据、平均载荷、动态载荷、振动次数、振动频率)通过数据库技术传送,控制命令通过Winsock控件进行传输,远程监控系统的软件系统框架如图2所示。
3.2 系统软件流程图
如图3所示,左图为服务器(上位机)程序流程图,右图为客户端主程序流程图。
3.3 通讯模块设计
3.3.1 网络通讯
服务器端和客户端之间的控制命令传递采用了WinSock技术。WinSock控件是Visual Basic中的一种控件,用于将Win Sock接口简化成易于使用的Visual Basic内部接口。利用WinSock控件可以与远程计算机建立连接,并通过用户数据报协议(UDP)或者传输控制协议(TCP)进行数据交[4][7]。这两种协议都可以用来创建客户/服务器应用程序。本系统采TCP协议来进行控制命令的传输。服务器端和客户端之间的通讯流程如图4所示,图中Accept()、GetData()、Connect()、Listen()、SendData()、Close()等均为WinSock控件的相关方法。
客户端和服务器端之间传输的数据都为字符串形式。客户端每间隔1秒向服务器端发送状态查询命令,并且不定时地发送起振命令、紧急停止命令、频率调整命令、静载设置命令、动载设置命令。服务器根据收到的命令做出响应。
每条命令中起始4个字母表示该命令含义。例如动载设置命令:DZSZ*,“*”表示设置的数值,如DZSZ10,表示将动载值设置为10,该命令从客户端发送给服务器端。
又例如状态信息命令:STST*,“*”表示状态字符串,如ST ST 000.00_000.00_000.00_00.00_000.0_0 0 0 0 0 0_2 2 8.3_0.0 0_1 0 0 0 0_0.00_1_0_0_0_1_1_1_1_1_100KN_dsf,字符串中的信息依次为静态载荷、振动峰值、振动谷值、电流、频率、疲劳次数、频率调整值、静载设置值、疲劳次数设置值、动载设置值、4个系统设定标志、4个状态指示标志、1个允许修改标志、量程、状态信息。
各个数值信息之间使用“_”符号进行分隔。
3.3.2 串口通讯
服务器端的上位机和现场控制器之间使用串口通讯。服务器每间隔1秒向现场控制器发送查询状态的指令,并且不定时地发送起振指令、结束指令和动载设置指令。现场控制器根据所收到的指令做出响应。
双方发送的数据为十六进制数据,每个数据长度为1个字节。双方发送的指令由3或3个以上的十六进制数据组成。
上位机发送给现场控制器的命令以频率设置指令为例,其格式为:“FF,07,01,X1,X2,X3,02”。其中X1和X2表示频率值,X3表示幅值,都为1个字节的十六进制数。
现场控制器发送给上位机的是系统状态信息命令,其指令长度为1015个字节。具体含义如表1所示。
3.4 数据服务功能设计
客户端和服务器端另外一种数据传递方式是采用了SQL Server 2000和ADO技术来实现。SQL Server2000数据库是Microsoft公司开发的、面向企业用户的大型数据库系统,它提供了完整的数据库高级特性,具有良好的使用界面及很快的速度[5]。它具有特性安装、开发与使用都非常简单;极佳的可伸缩性;完善的数据仓库技术;与Internet高度集成等特点。SQL Server 2000数据库在系统中的主要功能是存储试验数据和提供本地/远程数据查询功能。ADO(ActiveX Data Object)是Microsoft公司开发数据库应用程序面向对象的一种接口。它具有远程数据服务(RDS)功能,通过RDS可以将数据从服务器移动到客户端的应用程序或Web页,并在客户端对数据进行处理后将更新结果返回服务器[6]。ADO Data控件使用Microsoft ActiveX数据对象(ADO)来快速建立数据绑定的控件和数据提供者之间的连接。本系统采用了ADO Data控件和ADO对象编程两种方法来实现数据表的传送和数据的查询。
客户端和服务器端主要传输试验信息、实时数据、试验结果及波形(wave)四个数据表。此处列举了波形数据表如表2所示。
4 系统运行结果
系统在上海同济大学、上海材料研究所、东北大学、沈阳飞机场等多家企业长时间使用,最长连续试验时间为18小时,客户端数据刷新1秒的情况下运行状况良好,系统可靠性、实时性均满足要求。图5为客户端主运行界面,图6为客户数据查询界面。
5 结束语
随着网络技术和工业技术的发展,远程监控系统在工业企业生产中会占据越来越重要的作用。高频疲劳试验机是一个典型的工业检测设备,其远程监控系统的开发必然可以使用现有的成熟技术进行。本系统将实时控制,网络数据交换及数据库等现有成熟技术结合起来,从而实现了远程控制及远程数据查询的功能,具有较高的可移植性和广泛的应用价值。本系统已投入使用,运行状况良好。
参考文献
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高频疲劳试验 篇2
金属、非金属和复合材料等各种结构材料在可变负荷作用下都会产生疲劳现象。疲劳试验的目的即是测出试样在不同交变载荷作用下的疲劳寿命,对于产品结构设计具有十分重要的意义。目前,在各种类型的疲劳试验机中,电磁谐振式高频疲劳试验机因其采用共振原理,具有试验频率高、激振功率低等特点,被各大高校、科研院所、工厂企业等广泛应用[1]。
材料的疲劳寿命试验通常需要对不同刚度的试样进行性能测试,负载的变化与试样的刚度变化是多种多样的,会给电磁谐振式高频疲劳试验系统带来很大的扰动,造成试验过程不稳定、试验数据可靠性差,因此对采用不同试样进行材料疲劳寿命试验时针对系统动态特性的研究是非常重要的。虽然国内外对于高频疲劳试验机的动态特性研究不多,但是作为振动系统的相关领域却有着较多的成就成果。文献[2]提出了应用状态变量分析法分析振动系统的动态特性,无需对非线性因素进行近似处理。文献[3]提出了将模态迭加法和矩阵摄动法相结合应用于非线性转子系统的动态特性分析。文献[4]在机构的动态方程基础上,利用多尺度法对机构的非线性特性进行研究,得到了机构弹性位移的时域和频域响应曲线。文献[5]提出了一种建立在线性时变振动系统动力学方程系数矩阵运算基础上的区间状态转移矩阵逼近算法。
本研究以电磁谐振式高频疲劳试验机主流机型—天水红山试验机有限公司的PLG-100为研究对象[6],建立系统的二自由度线性振动力学模型,通过理论计算、数值仿真及实验验证来分析高频疲劳试验机振动系统的动态特性。
1 谐振式高频疲劳试验机主机模型
PLG-100高频疲劳试验机主机结构如图1所示。为建立系统动力学模型,本研究对其主机结构进行分析。机座、力传感器、滚珠丝杠、直流电机、移动横梁是连接在一起的,因此这几个物理机构可以考虑为一个整体,认为是机座质量M4。这个整体机座通过两个减振弹簧K6与大地相连接,从而可以简单地表示成一个质量块M4通过弹簧K6与大地连接。接头和试样(刚度为K5)通过测力传感器与外围机座相连接,机座质量M4通过静载环(两个板簧K4)与试台相连接,而通过接头及试样则直接和试台相连接。这里的试台包括工作台及衔铁(主振质量M2)和附加砝码M3。试台又通过动载环(两个板簧K3)与平衡铁相连,平衡铁上面连接着铁芯,铁芯和衔铁构成电磁铁。平衡铁和电磁铁合成一块称为激振质量M1,而激振质量块与滚珠丝杠间是有间隙的,即不和机座或大地连接[7]。
主机结构经简化后的模型如图2所示。
2 谐振式高频疲劳试验振动系统动态特性分析
2.1 系统固有频率计算
高频疲劳试验机的振动系统在试样未出现裂纹前,研究者可将其所受的弹性力简化为线性模型;忽略阻尼对系统的作用,可根据图2将其简化为一个双自由度线性振动系统进行分析。
其受力分析图如图3所示。
本研究根据图3对主振模块M2和激振模块M1进行受力分析,取向下为正,令k2=2k3,k1=2k4+k5,由牛顿第二定律得系统自由振动微分方程为:
对于一个双自由度无阻尼系统而言,它具有两个固有频率,当系统按任意一个固有频率作自由振动时,系统的运动是一种同步运动,称为主振动。令主振动为:
将式(2)代入式(1),令系数行列式为零,可得系统的特征方程为:
解得系统第一主振动的固有频率表达式为:
电磁谐振式高频疲劳试验机的工作频率范围一般为50 Hz~300 Hz,本研究采用系统第一主振动的固有频率为工作频率。
2.2 工作台共振振幅计算
高频疲劳试验机工作过程中,必然有阻尼的存在,如材料阻尼、相对运动阻尼等。阻尼系数是高频疲劳试验机较为重要参数之一。为分析系统的振幅,考虑阻尼的影响,所得主机模型的力学分析图如图4所示。
从而得到此时系统的运动微分方程为:
考虑谐波激振,即Fe(t)=F0eiωt,其稳态位移响应x1(t)=X1eiωt,x2(t)=X2eiωt。根据力学模型系统的运动方程可表示为:
式中:[Z]—位移阻抗矩阵,{X}—位移列向量幅值,{F}—激振力向量幅值。
根据式(6),本研究将式(5)中各系数矩阵行列所对应的值代入,可得主振模块的振幅为:
本研究根据相关材料及对系统的进一步分析发现:一般情况下有阻尼线性系统的固有频率与系统的质量、刚度和阻尼有关,但是对于小阻尼系统,它和无阻尼系统的固有频率相差不大。因此,研究者在估算小阻尼情况下高频疲劳试验机的固有频率时,可应用无阻尼时固有频率计算公式。本研究根据式(3)将固有频率代入式(8),再令阻尼系数C2=C1=C,则得主振模块共振振幅为[8]:
2.3 试样刚度对系统固有频率和工作台共振振幅的影响
由高频疲劳试验机设计手册得:m1=280.4 kg,m2=520.25 kg,k2=4.98×108N/m,k4=3.16×108N/m;同时为体现阻尼对振幅的作用,本研究取阻尼比ζ=0.06及ζ=0.1,根据式(4)和式(9),用Matlab仿真分析试样刚度对系统固有频率和共振振幅的影响,结果如图5、图6所示。
由仿真结果分析可得:
(1)固有频率fn1(由ωn1=2πfn1转换得到)随着试样刚度k5的增大而增大,共振振幅X1 max则随着刚度的增大而减小;且其曲线变化趋势皆由快而慢,最后趋于平缓,即随着k5的增大,两者的变化速率在逐渐减小;
(2)在试样刚度k5较小时(如图6所示,约小于5×109N/m)阻尼比对系统振幅影响较大。
通过调整对试验机工作性能有影响的输入参数及编程仿真计算,本研究可以预先了解系统的动力学特性,最终实现对试验机的优化设计。
3 动态特性实验及结果分析
3.1 实验平台及实验方法
根据系统动态特性及设备输入条件和实验采样精度要求,本研究搭建了基于Lab VIEW实验平台[9,10](实物图如图7所示)。当上位机发出振动信号开始实验,所得扫频的共振频率作为激振器工作频率,使试验机工作在共振状态。为求得系统位移响应,本研究将安装在试样上的力传感器转换成电信号经NI9237调理,再通过NI USB-9162转化为串口输出,经PC机标定程序测得试样受力值,由虎克定律可得系统稳态位移x(t)=F/k5,即可得系统最大振幅[11]。
3.2 实验结果及数据分析
该实验中采用5个不同直径的圆柱试样,通过有限元分析计算得到试样的刚度,经实验测得不同试样刚度下系统固有频率及工作台共振振幅,并与仿真结果进行对比,实验数据如表1所示。
动态特性实验中所得系统固有频率和工作台共振振幅的实验数据及仿真数据如图8所示。由于系统阻尼系数无法精确测定,本研究在理论上计算了ζ分别为0.06和0.1的仿真数据,由实验结果可知:实验数据分布在ζ分别为0.06和0.1的两组仿真数据之间。
实际的试验机谐振系统弹簧刚度系数和摩擦阻尼系数并非是完全线性,与简化线性化模型参数存在一定差距是误差存在的主要原因,此外本研究采用的双自由度离散集中质量模型中,主振质量和激振质量计算存在一定误差也造成固有频率和共振振幅实验值和理论值存在误差。但实验数据与仿真数据变化趋势能够较好吻合,说明本研究动力学模型的建立和计算方法是正确的,可以满足试验机动态性能预测要求。
4 结束语
为研究谐振式高频疲劳试验机的动态特性,本研究建立了振动系统的动力学模型,并通过仿真得到了试样刚度对系统固有频率及共振振幅的影响。对试验机进行的实验测试结果与仿真结果相吻合,证明了本研究动力学模型的建立和计算方法的正确性;通过调整输入参数,可以预测试验机在不同情况下的动态特性,为试验机性能的进一步优化和控制系统的设计奠定了基础。
参考文献
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高频疲劳试验 篇3
疲劳破坏是机械零部件失效的主要形式,材料或构件在交变载荷的作用下,疲劳裂纹的产生和扩展是造成疲劳破坏的主要原因。由于目前尚不能完全通过有效的理论方法来进行研究,故采用特定的材料疲劳裂纹扩展试验来探索零部件扩展断裂过程的规律,对提高机械产品的可靠性和使用寿命有着十分重要的意义[1]。实际工程构件中裂纹形式大多属于I型张开裂纹,也是最危险的一种裂纹形式。疲劳裂纹扩展试验一般采用具有I型预制裂纹的标准的紧凑拉伸(CT)试件来进行试验,通过测量试件在交变载荷作用下疲劳裂纹扩展速率da/dN和裂纹尖端应力强度因子幅 ΔK之间的关系来研究材料的疲劳裂纹扩展规律,由此可见,应力强度因子KI是判断裂纹结构是否断裂失效和计算裂纹扩展速率的重要参数[2,3]。另外,裂纹的萌生、扩展和断裂不能完全由宏观裂纹形态和尺寸a来表征,要系统全面研究疲劳裂纹扩展机理,除了研究宏观裂纹的扩展规律da/dN和 ΔK的关系外,研究疲劳裂纹扩展过程中裂纹尖端位移、应变、应力场等力学特征参数的变化规律是非常必要的。
疲劳裂纹扩展试验[4,5]包括基于电液式强迫振动系统的低频疲劳试验和基于电磁谐振式振动系统的高频疲劳试验。前者,试验振动频率一般为1~10Hz;后者则是基于共振原理的用于测定金属材料及其构件在高频谐振载荷作用下疲劳特性的测 试装置,试验振动 频率一般 为80~300 Hz,由于其工作频 率高、能量消耗 低、试验时间 短、试验波形好等优点而被力学实验室广泛用来进行材料疲劳试验。对于电液式强迫振动疲劳裂纹扩展试验,裂纹尖端位移、应变、应力场和应力强度因子可以采用静力学的方法进行计算,但在采用标准CT试件进行的高频谐振式疲劳裂纹扩展试验中,试件在高频谐振载荷作用下高速振动, 由于要考虑惯性效应和应力波传播效应[6,7],使得裂纹尖端位移、应变及应力强度因子的计算问题变得更加复杂,其动态应力强度因子解析解至今还未得到。多年以来,已有众多学者对裂纹尖端位移、应变场及应力强度因子进行了试验和理论研究[8,9,10],但基本是在静态和准静态的情况下进行研究的。本文针对高频谐振式疲劳裂纹扩展试验中的标准CT试件进行了动态有限元计算,研究在恒幅高频正弦交变载荷的作用下疲劳裂纹扩展过程中I型裂纹尖端动态应力强度因子、位移、 应变场的变化规律,为进一步研究高频谐振载荷作用下疲劳裂纹扩展机理和扩展参数的测量奠定理论基础。
1高频谐振式疲劳裂纹扩展试验
电磁谐振式高频疲劳试验机是基于共振原理的用于测定金属材料及其构件在高频谐振载荷作用下疲劳特性的测试装置,目前国内的主流机型结构PLG-100如图1所示,其为一双自由度的谐振式振动系统,当电磁激振器的激振频率与试验机振动系统本身的固有频率基本一致时,试验机振动系统便发生共振,在共振状态下工作台的振幅将增加数倍,这样作用在CT试件上的正弦交变载荷的幅值也随之增加,使试验在功率消耗很小的情况下进行。图2为疲劳裂纹扩展试验标准CT试件尺寸图,图3为疲劳裂纹扩展试验CT试件和夹具安装图,图4所示为谐振式疲劳裂纹扩展试验正弦交变载荷,其中Fmax为最大载荷,Fmin为最小载荷,Fm为平均载荷,Fa为振幅。谐振式疲劳裂纹扩展试验在一个应力循环内,CT试件均处于拉应力状态,这样在图3所示的安装方式下,可认为定位销轴与CT试件的上加载孔的上半圆柱面和试件的下加载孔的下半圆柱面均为面接触,从而将载荷传递到试件上。
采用图1所示试验装置进行了多种材料的标准CT试件谐振式疲劳裂纹扩展试验,试验结果表明,在稳态裂纹扩展阶段,系统的谐振频率范围为90~135Hz。为简化计算过程,在研究高频谐振载荷作用下疲劳裂纹尖端位移、应变、应力强度因子的变化规律时采用125Hz的正弦交变载荷进行计算。
2高频谐振载荷作用下疲劳裂纹尖端应力强度因子的变化规律
2.1疲劳裂纹尖端动态应力强度因子计算方法
Ⅰ型裂纹尖端局部坐标系如图5所示,裂纹附近各点位移方程为
式中,r、θ 为裂纹尖端处极坐标的极径和极角;u(t)、v(t) 分别为t时刻x、y方向的位移分量;G为材料的剪切弹性模量;KI(t)为t时刻 Ⅰ 型裂纹应力强度因子;k为与材料泊松比有关的系数。
k与材料泊松比μ的关系为
用ANSYS软件的动态计算方法,得到裂纹面上张开位移的动态响应,从而可得出KI(t)。 由于裂纹面上张开位移显著,可得到较准确的近似值,因此在任意时刻t,取θ=0时裂纹的位移场进行求解,由式(1)得
将KI(t)与r进行最小二乘法拟合,反推得到r=0时的动态应力强度因子值。由此确定t时刻裂纹尖端的动态应力强度因子值KI(t)。
2.2疲劳裂纹尖端动态应力强度因子的有限元计算
动态应力强度因子的求解,是在保证CT试件计算模型建立正确的前提下完成的。为了验证计算模型的正确性,本文取裂纹扩展长度为5mm的紧凑拉伸试件为研究对象,利用ANSYS有限元计算试件的静态应力强度因子,与现有的理论值进行比较,定量地分析计算模型的正确性。然后采用动态有限元方法计算疲劳裂纹在高频正弦交变载荷作用下的动态应力强度因子,从而得出裂纹扩展到不同阶段时应力强度因子幅与裂纹尺寸的关系。
2.2.1裂纹尖端奇异性处理
由断裂力学的理论知道,在裂纹尖端附近的应力场具有奇异性,即在靠近裂纹尖端的各应力分量都与r-1/2成正比,当r→0时,应力急剧 增长。在常规的有限元法中,用多项式表示单元内部应力和位移,在奇异点附近不能很好地反映应力的变化。为了克服这个困难,一般采用两种办法:一种办法是在裂纹尖端附近把网格分得非常细,这样做的结果就是节点很多,计算量很大;另一种办法是在裂纹尖端附近设置特殊 的奇异单元,以反映应力场的奇异性,在这些特殊奇异单元的外面,仍采用常规的单元。本文采用奇异等参数单元(1/4边中点法),即把八结点等参数单元的边中点从正常位置移至1/4边长处,在角点附近即出现r-1/2级的应力奇异性,如图6所示。在裂纹尖端处,布置4个奇异等参数单元,如图7所示,即能较好地反映裂纹尖端附近的应力场。
2.2.2静态应力强度因子的有限元计算
图2所示为含预制裂纹的紧凑拉伸试件,圆心到右侧边缘距离W为50mm,厚度B为12.5 mm,裂纹长度a为5mm,该试件材料为45钢, 弹性模量E为206GPa,泊松比为0.27,密度为7800kg/m3。通常CT试件的W/B值为2~4时满足平面应变条件,文中W/B=4,即满足平面应变条件。本文采用逐节点直接建模方法:先生成节点,再由节点生成单元和结构。使用ANSYS建立有限元模型时,首先选用平面八结点四边形等参单元PLANE82建立二维模型,划分网格时, 在裂纹尖端通过ANSYS命令KSCON将其在裂纹尖端附近退化成六节点三角形等参数单元,并将有关边的中节点向裂纹尖端靠拢,都移至1/4边长处,以圆周的方式布置在裂纹尖端周围。然后使用SOLID95单元拉伸成体单元,网格划分如图8所示。将CT试件上孔的上半圆柱面设置为固定状态,在试件下孔的下半圆柱面设置为受力面,施加44.8 MPa的均匀分 布的拉应 力,在从ANSYS的计算结果中提取裂纹的应力强度因子之前,必须定义一条路径。在裂纹模型上依次选取1、2、3节点定义路径,且节点1必须在裂纹的尖端(图5)。通过ANSYS计算,该CT试件的静态应力强度因子为434.67N·mm-3/2。
CT紧凑拉伸试件的应力强度因子理论计算公式为
根据式(5)计算得该CT试件的应力强度因子理论解为。应力强度因子有限元计算值和理论值的误差为2.51%。证明该CT计算模型及网格划分良好,计算结果精确。
2.2.3高频谐振载荷作用下疲劳裂纹尖端动态应力强度因子的变化规律
模型建立与网格划分的方法和求静态应力强度因子相同,所加高频谐振载荷如图4所示,其中Fmax=8.35kN,Fmin=5.65kN,Fm=7kN,频率为125Hz,周期T=8ms。先对试件模型进行静力学分析,对其施加7kN的静载,提取裂纹尖端处延长线上每个节点的位移。再将试件模型进行动力学分析,施加正弦载荷,提取裂纹尖端处延长线上每个节点的位移。最后将相应的位移值进行叠加,得到裂纹尖端处延长线上每个节点在一个应力周期内任意时刻的位移。把数值代入式(4), 将KI(t)与r进行最小二乘法拟合,即可得到动态应力强度因子响应图。反推即可得到r=0时, 也就是裂纹尖端处的动态应力强度因子值。
CT试件裂纹扩展到不同阶段,所得裂纹尖端处的动态应力强度因子如图9所示。通过图9可以得出,在一个应力循环周期内,对于同一Ⅰ型疲劳裂纹,其裂纹尖端处的动态应力强度因子与施加的载荷有着相同的变化规律。所得裂纹尖端处的动态应力强度因子幅随裂纹长度的变化关系如图10所示。通过图10可以看出,随着Ⅰ型疲劳裂纹不断地扩展,其裂纹尖端处的动态应力强度因子幅也在不断地增大。
1.a=5mm 2.a=8mm 3.a=10mm 4.a=12mm 5.a=15mm 6.a=18mm 7.a=20mm 8.a=23mm
3高频谐振载荷作用下CT试件疲劳裂纹尖端的位移场、应变场
3.1疲劳裂纹无扩展时CT试件位移、应变场在一个应力周期下的变化规律
研究具有一定长度疲劳裂纹的CT试件在高频谐振载荷一个应力周期下,在裂纹没有扩展时裂纹尖端区域位移、应变场的变化规律。以疲劳裂纹长度a为5mm的CT试件为例进行计算, 得到裂纹尖端区域位移、应变场的变化规律。试件尺寸及裂纹尖端计算区域如图2所示。首先对其进行动态有限元分析,所施加谐振载荷、有限元建模及求解方法与上文的动态应力强度因子计算方法类似,为了更直观地观察裂纹尖端位移场、应变场的变化,采用自编的MATLAB程序进行有限元计算结果的后处理,得到裂纹尖端矩形区域位移场的三维图及裂纹尖端处位移的二维图,从而得到一个应力循环周期内CT试件尖端区域位移场及应变场的变化规律。图11a体现的是在一个应力循环周期内,裂纹尖端区域内D处(图2) 最大位移值、F处(图2)最小位移值以及裂纹尖端处位移值随时间的变化。可以看出,裂纹尖端区域内最大位移、最小位移以及裂纹尖端处位移是正弦变化的,与施加的载荷有着相同的变化规律。图11b体现了在一个应力循环内,裂纹尖端处应变随时间的变化。可以看出,裂纹尖端处的应变也是正弦变化的,与载荷有着相同的规律变化,计算表明:裂纹尖端区域其他点的应变值具有和裂纹尖端点同样的变化规律。
3.2高频谐振载荷作用下疲劳裂纹扩展时位移幅场的变化规律
疲劳裂纹扩 展时,需对不同 裂纹长度 下的CT试件重新建模并进行动态有限元分析。在高频疲劳裂纹扩展试验中,试件施加的载荷是正弦变化的,为了方便研究CT试件在高频谐振载荷作用下疲劳裂纹扩展过程中位移场的变化规律, 引入位移幅场的概念,将同一应力循环下载荷最大处的位移场与载荷最小处的位移场进行相减得到裂纹尖端位移幅场的分布规律。图12所示为疲劳裂纹扩展到不同长度时裂纹尖端区域位移幅场,由图12a可以看出,当a=5mm时,裂纹尖端的位移幅场比较平缓。而由其余7组图片可以看出,随着裂纹长度的增加,裂纹尖端的位移幅场越来越陡峭。这说明在疲劳裂纹扩展过程中,随着裂纹长度的增加,裂纹尖端位移场的变化也会越来越大。
3.3高频谐振载荷作用下疲劳裂纹扩展时应变幅场的变化规律
同样,为了方便研究CT试件在高频谐振载荷作用下疲劳裂纹扩展过程中应变场 的变化规律,引入应变幅场的概念,将同一应力循环下载荷最大处的应变场与载荷最小处的应变场进行相减得到裂纹尖端应变幅场的分布规律。图13所示为疲劳裂纹扩展到不同长度时裂纹尖端区域应变幅场,由图13a可以看出,当a=5mm时,裂纹尖端的应变幅场比较平缓。而从其余7组图片可以看出,随着裂纹长度的增加,裂纹尖端的应变幅场越来越尖锐,尤其是裂纹尖端处的应变。这说明在疲劳裂纹扩展过程中,随着裂纹长度的增加,裂纹尖端应变场的变化也会越来越大。
4疲劳裂纹尖端处应变值的试验验证
为验证上述疲劳裂纹在无扩展时裂纹尖端处应变的动态有限元计算结果,在带有5mm疲劳裂纹的CT试件表面贴上电阻应变片并进行疲劳裂纹扩展试验,试验是在自行研制的电磁谐振式高频疲劳试验平台(图14)上进行的,试验装置包括试验载荷加载系统、裂纹尺寸在线测量系统、固有频率跟踪系统和载荷控制系统,试验载荷加载系统由高频疲劳试验机、试件、电磁激振器及其放大电路组成,主要是将电磁激振器所产生的正弦激振力作用在主机工作台上,使工作台产生同频率的正弦振动,从而使正弦波试验载荷作用在试件上。裂纹尺寸在线测量系统包括CCD图像传感器、光学镜头、光源、图像采集卡及计算机,此系统主要完成疲劳裂纹扩展过程中裂纹尺寸在线测量的功能。固有频率跟踪系统和载荷控制系统用于跟踪裂纹扩展过程中的固有频率并控制试验载荷。其中试验机采用图1所示红山PLG-100谐振式高频疲劳试验机,图像采集卡为美国NI公司所生产的PCI-1014图像采集卡,镜头为SONY35mm定焦镜头,CCD为XC-XT50CE黑白CCD摄像头,分辨率为724像素×568像素,试件材料为退火处理后的45钢。
首先将带有预制裂纹的CT试件安装在疲劳试验机上,此时系统的谐振频率为126.4Hz,施加试验载荷:Fmax=11.65kN,Fmin=6.35kN,Fm= 9kN,频率为126.4Hz,进行疲劳试验,由裂纹尺寸在线测量系统实时测量扩展疲劳裂纹长度,固有频率跟踪系统和载荷控制系统实时跟踪固有频率和控制试验载荷,当裂纹扩展至5mm时停机, 取下试件,在试件表面粘贴电阻应变片,由于裂纹尖端存在三维效应及应变梯度,所以电阻应变片不能过于接近裂纹尖端,但为了保证裂纹尖端应变值的测量精度,电阻应变片也不能过于远离裂纹尖端[11]。本文采用的贴片方式如图15所示, 根据现有 经验,θ=54.27°,r=12.5 mm, = 68.01°。按仪器要求组桥连线,为了测量CT试件裂纹尖端 处随时间 变化的动 态应变,试验采用XL2102A型动态电 阻应变仪,其工作频 率在100kHz(DC),电磁谐振式高频疲劳试验系统的工作频率为50~300Hz,可见,此仪器完全满足试验条件。将带有5mm疲劳裂纹并贴有电阻应变片的试件安装在谐振式疲劳试验机上,此时系统谐振频率为125Hz,为防止裂纹快速扩展,将试验载荷降 至Fmax=8.35kN,Fmin=5.65kN, Fm=7kN,系统在此参数下起振进行试验,采用动态电阻应变仪测得一个载荷周期内,裂纹尖端处的应变值,并与有限元法得出的应变值做比较, 结果如表1所示。
由表1可知,运用动态有限元法在求解CT试件裂纹尖端处应变时,具有较高的精度。与用贴应变的试验方法做比较,最大的误差是2.93%。 有限元计算结果高于实际测量结果,这是由于裂纹尖端附近应变梯度非常大,而应变片法测量的是测试范围内的平均应变。
5结束语
高频疲劳试验 篇4
然而,由于高频加载条件的影响,超声疲劳试验常伴随着材料的热耗散以及材料内摩擦引起的试样温度升高,许多试验研究结果显示[6,7,8],即使在完全弹性加载范围,高频循环加载下,温度的升高也不可忽略。疲劳试样温度的升高不仅会影响材料的疲劳性能,更重要的是,温度的变化是材料内部局部塑性变形的反映,进而反映出材料内部疲劳损伤过程。因此,研究超声疲劳载荷下,材料的热耗散特性对进一步理解材料的超高周疲劳损伤机理是非常重要的。
本工作应用超声疲劳试验机和先进的红外热成像系统,测试分析高强度钢42CrMo4和100Cr6的超高周疲劳性能,通过温度场的测量表征其疲劳裂纹萌生和裂纹扩展过程,进而研究这两种高强度钢在疲劳载荷下的热耗散与疲劳损伤的关系。
1 试验
1.1 材料和疲劳试验
试验所用材料为高强钢42CrMo4和100Cr6。42CrMo4钢的化学成分(质量分数/%)为:C 0.43, Mn 0.83, P 0.01, S 0.024, Si 0.254, Ni 0.17, Cr 1.03, Mo 0.22,100Cr6钢的化学成分为:C 1.01,Si 0.23,Mn 0.36,Cr 1.45,P ≤0.025, S ≤0.015, Mo≤0.1。两种高强度钢精加工前需经热处理,热处理工艺均为:850℃淬火,1h+170℃回火。所有的疲劳试样最终加工成最小直径为3mm的狗骨形状,其几何尺寸由解析计算结合有限元法确定[9],使试样满足20kHz频率的共振条件(图1)。疲劳试验过程中,为了减少表面缺陷对疲劳寿命的影响,对粗加工试样在热处理后,分别用200,400,500,800,1000,1200号金相砂纸沿试样轴向打磨试样表面。
疲劳试验是在20kHz的超声疲劳试验机上完成,应力比采用R=-1,实验环境为室温。实验时通过空气冷却枪冷却试件,以控制试样温度升高。另外,分别从两种高强钢中各选取4件试样,在无压缩空气冷却的条件下进行疲劳试验,以检测疲劳试验过程中试样温度的变化。应用20kV JOEJ-Cambridge 型扫描电镜观察两种高强度钢的疲劳断口形貌。
根据超声疲劳试验原理[9],在超声疲劳试验过程中,疲劳试样受到沿轴向的谐振动激励,最大应力在试样中部产生。应力值不能够直接测量,需通过测量应变或试样端部最大位移计算确定。为使计算机控制系统准确监控试样的振动位移,获得准确的应力幅值,实验前分别采用光纤位移传感器、高频应变片对系统振动位移和试样的最大应变值进行标定。试验中,系统的振动频率保持在(20±0.5)kHz,当试样发生疲劳断裂时,系统不再满足谐振条件,疲劳试验系统自动停止。
1.2 温度测量
非接触式红外温度成像系统用于监测试样温度场的变化。红外成像系统的照相频率范围为0.83～100Hz。试验前用一个黑体标定温度的计量。为了减少不确定的试样表面辐射对温度测量的影响,超声疲劳试验前,需将疲劳试样涂黑。
2 结果与分析
表1给出两种高强钢的力学性能,可见两种钢的拉伸强度均超过1500MPa。
2.1 S -N曲线
图2为两种高强度钢的超高周疲劳S -N曲线,未断试样用箭头表示。可以看出,在低周疲劳循环范围(<106周), 随着加载循环应力幅的下降,疲劳寿命在不断提高。疲劳寿命大约为106周时,S -N曲线出现平台。42CrMo4钢的S -N曲线在525MPa应力幅下出现平台,在高周疲劳循环范围,尽管有2个试样发生疲劳破坏,但未改变S -N曲线在超长寿命区的水平线。然而,100Cr6钢的S -N曲线显示,尽管在106周附近出现了平台,平台段的应力幅为872MPa,但在超高周疲劳循环范围,S -N曲线再次呈现连续下降的趋势(图2b中的虚线段),100Cr6钢的S -N曲线为台阶式曲线。应用阶梯法计算100Cr6钢106和109循环数下的疲劳极限,分别为872±12MPa和833MPa±19MPa,疲劳极限差为39MPa。
在107周以上的高周疲劳循环范围,42CrMo4钢发生疲劳断裂的几率很低,仅有2个试样发生疲劳断裂,断裂试样的最长寿命为8.76×107周, 而100Cr6 钢发生疲劳断裂的几率非常高,疲劳破坏甚至发生在109周以上。未采用压缩空气冷却的试样,疲劳破坏均发生在107周以下,由于疲劳试样数少,未发现冷却空气对疲劳性能的影响。
2.2 疲劳断口分析
扫描电镜观察两种高强钢的疲劳断口形貌,结果显示,较短循环条件下(<107周)发生疲劳断裂的试样,疲劳裂纹都从试样表面萌生,随着疲劳寿命的增加,更多试样的疲劳裂纹萌生于试样内部,两种钢内部起裂的疲劳断口均为典型的“鱼眼”断裂。图3为42CrMo4钢内部起裂疲劳断口形貌。图4为100Cr6钢内部起裂疲劳断口的形貌及疲劳源区夹杂分析。两种钢的内部疲劳裂纹源有明显不同,100Cr6钢内部疲劳起裂主要是由内部非金属夹杂物聚集引起的,非金属夹杂物的成分为MnS,而在42CrMo4钢中仅有2个试样发生内部疲劳破坏,疲劳失效是由内部碳化物的偏聚引起的,疲劳源处未发现明显的夹杂。
以上分析表明,对于高强钢,在高加载应力幅下,对表面缺陷非常敏感,疲劳破坏多源于表面(如图5)。随着加载应力幅的降低,疲劳裂纹由表面基体萌生迁移到内部萌生,这是由于在低应力幅下,夹杂物(或内部缺陷)与基体界面应力集中起主导作用,疲劳裂纹优先在此处萌生。由于42CrMo4钢内部不存在明显的非金属夹杂,因此,在低应力、高周循环条件下很少发生疲劳破坏。
2.3 热耗散现象
疲劳试验过程中,超声疲劳试样在高频载荷作用下,由于材料内摩擦及局部塑性变形,试样温度将发生明显的变化。
图6 给出三应力水平下,42CrMo4钢疲劳试样内部最大温度随疲劳循环数的变化关系曲线,图中清晰地表明,在疲劳循环的初始阶段,试样温度快速升高,随着机械能耗的散失,试样温度的变化逐渐趋于平衡。尽管循环应力幅远低于材料的屈服强度,由于材料内摩擦及微结构处的局部塑性变形,试样温度仍会升高。应力幅值越大,试样温度越高,材料的循环软化现象越明显。
525MPa循环应力下,试样温度在疲劳试验的初始阶段温度上升很快,当试样发生疲劳断裂时,试样温度急剧升高。应用高精度红外温度成像系统以25Hz(每秒输出25张热像图)的速率记录下超声疲劳试验过程中试样标距段温度场的变化过程。图7a给出了42CrMo4试样在525MPa循环应力下,发生疲劳断裂瞬间温度变化的放大图,相应的温度场的变化如图7b所示。在试样发生疲劳断裂的瞬间,存在一个局部高温区,局部温度迅速增加,局部温度的升高发生在材料的疲劳损伤区。疲劳破坏未发生时,试样标距段温度分布均匀,没有局部的温度升高,大约在7.75× 105 周,局部温度开始发生变化,这表明试样表面形成了微裂纹。结合分析图7a和7b,可以通过试样局部温度的升高,检测到疲劳损伤开始的时间,进而确定微裂纹的扩展寿命,该试样的裂纹扩展寿命大约50000周,占疲劳总寿命的6.4%。采用同样方法检测两种钢试样,结果显示,在106～107周之间发生疲劳破坏的试样,裂纹扩展寿命仅为疲劳总寿命的0.7%～4.5%之间,尤其当疲劳寿命接近107周时,裂纹扩展寿命不足其总寿命的1%。因此,在高周或超高周循环条件下,高强钢的疲劳寿命主要由裂纹萌生阶段决定。
图7通过热像图显示了该试样微裂纹的形成、扩展过程,这与该试样的疲劳断口特征相吻合(如图5)。疲劳断口显示,疲劳裂纹从试样近表层处的缺陷萌生(图5),由于材料的塑性变形总伴有热的耗散,因此,在疲劳裂纹源处的塑性变形引起局部的温度升高。通过热像图可清楚地检监测到微裂纹的萌生和扩展过程。在近50000周的疲劳裂纹扩展过程中,局部温度升高近100℃。
3 结论
(1)100Cr6钢在107～1010周之间仍会发生疲劳破坏,S -N曲线为台阶式曲线,不能将107周时的疲劳强度作为该高强度钢的疲劳极限,而42CrMo4 钢存在疲劳极限。
(2)高应力区,两种高强度钢的疲劳破坏均从表面起裂,随着加载应力幅的下降,疲劳裂纹萌生从表面向内部转移,在低应力、高周疲劳循环区,100Cr6钢疲劳破坏由内部非金属夹杂引起,故100Cr6钢不存在疲劳极限,而42CrMo4内部不存在明显的组织缺陷,在长寿命区很少发生疲劳破坏。
(3)疲劳损伤过程可以通过热成像仪来检测,局部温度的升高与材料的塑性变形或微结构的损伤有关,温度的变化反映出材料的疲劳损伤过程。超长寿命疲劳试样(>107周),微裂纹扩展寿命与其总疲劳寿命比不足1%。
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