本公開(kāi)涉及材料或零件動(dòng)態(tài)應(yīng)力-疲勞壽命預(yù)測(cè)，更具體地，涉及一種疲勞試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)樣件s-n曲線獲取方法。

背景技術(shù)：

1、s-n曲線，即疲勞曲線，用于描述材料在交變應(yīng)力作用下，達(dá)到疲勞破壞所需的循環(huán)次數(shù)（n）與應(yīng)力水平（σ）之間的關(guān)系曲線，以反應(yīng)不同應(yīng)力水平下材料所能承受的循環(huán)次數(shù)。

2、目前，獲取s-n曲線的試驗(yàn)一般采用拉壓試驗(yàn)或三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。上述的試驗(yàn)方法屬于準(zhǔn)靜態(tài)法，加載頻率一般控制在在5～10hz。這樣，會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，且無(wú)法體現(xiàn)結(jié)構(gòu)固有頻率對(duì)疲勞損傷的影響。

3、在此基礎(chǔ)上，也可采用振動(dòng)試驗(yàn)法，通過(guò)控制加速度載荷的方式對(duì)試驗(yàn)樣件施加輸入載荷，以縮短試驗(yàn)周期。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析看，隨著試驗(yàn)樣件疲勞損傷的累計(jì)，試驗(yàn)樣件的結(jié)構(gòu)固有頻率會(huì)發(fā)生變化，這將會(huì)導(dǎo)致加速度載荷與應(yīng)力響應(yīng)之間的映射關(guān)系發(fā)生變化，因此，采用控制加速度載荷的方式獲取結(jié)構(gòu)s-n曲線與實(shí)際情況存在較大的差異。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本公開(kāi)提供了一種疲勞試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)樣件s-n曲線獲取方法，通過(guò)將試驗(yàn)樣件懸設(shè)于振動(dòng)組件的方式，可有效的提升試驗(yàn)過(guò)程的加載頻率，以縮短試驗(yàn)周期。并且，基于配置在試驗(yàn)樣件的應(yīng)力標(biāo)定點(diǎn)、應(yīng)力控制點(diǎn)及應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的檢測(cè)組件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力的監(jiān)測(cè)，并在試驗(yàn)過(guò)程中維持應(yīng)力保持不變，從而提高了應(yīng)力控制精度。

2、本公開(kāi)的一個(gè)方面提供了一種疲勞試驗(yàn)設(shè)備，包括：振動(dòng)組件，適用于裝配待檢測(cè)的試驗(yàn)樣件的第一端，并使上述試驗(yàn)樣件的遠(yuǎn)離上述第一端的第二端懸設(shè)于上述振動(dòng)組件之外，以對(duì)上述試驗(yàn)樣件施加沿第一方向的輸入載荷；配重組件，可拆卸地設(shè)置于上述第二端，以調(diào)節(jié)上述試驗(yàn)樣件的彎曲應(yīng)力；以及檢測(cè)組件，適用于至少監(jiān)測(cè)設(shè)置于上述試驗(yàn)樣件上的應(yīng)力標(biāo)定點(diǎn)、應(yīng)力控制點(diǎn)及應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變。

3、根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例，疲勞試驗(yàn)設(shè)備還包括加速度檢測(cè)組件，適用于監(jiān)測(cè)上述振動(dòng)組件沿上述第一方向的上述輸入載荷。

4、根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例，上述應(yīng)力標(biāo)定點(diǎn)、上述應(yīng)力控制點(diǎn)及上述應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)由上述第一端向上述第二端依次間隔的設(shè)置于上述試驗(yàn)樣件上。

5、根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例，上述檢測(cè)組件包括至少三個(gè)應(yīng)變片，三個(gè)上述應(yīng)變片分別設(shè)置于上述應(yīng)力標(biāo)定點(diǎn)、上述應(yīng)力控制點(diǎn)及上述應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

6、根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例，上述振動(dòng)組件對(duì)上述試驗(yàn)樣件施加的上述輸入載荷的加載頻率為上述試驗(yàn)樣件的固有頻率。

7、本公開(kāi)的另一個(gè)方面還提供了一種基于疲勞試驗(yàn)設(shè)備的試驗(yàn)樣件s-n曲線獲取方法，包括：設(shè)計(jì)試驗(yàn)樣件，并建立上述試驗(yàn)樣件的第一有限元模型；基于上述第一有限元模型獲取上述試驗(yàn)樣件的應(yīng)力標(biāo)定點(diǎn)及應(yīng)力控制點(diǎn)；將上述試驗(yàn)樣件裝配于上述疲勞試驗(yàn)設(shè)備上，并依據(jù)上述應(yīng)力控制點(diǎn)和預(yù)設(shè)間距獲取應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)；在上述應(yīng)力標(biāo)定點(diǎn)、上述應(yīng)力控制點(diǎn)及上述應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置應(yīng)變片，并對(duì)上述試驗(yàn)樣件定頻的施加輸入載荷，以獲取上述試驗(yàn)樣件的疲勞循環(huán)次數(shù)；基于上述疲勞循環(huán)次數(shù)及應(yīng)力水平形成上述試驗(yàn)樣件的s-n曲線。

8、根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例，上述基于上述第一有限元模型獲取上述試驗(yàn)樣件的應(yīng)力標(biāo)定點(diǎn)及應(yīng)力控制點(diǎn)，包括：基于上述第一有限元模型配置上述試驗(yàn)樣件的受力狀態(tài)及約束條件獲取應(yīng)力標(biāo)定點(diǎn)及疲勞危險(xiǎn)區(qū)域；以及對(duì)上述第一有限元模型進(jìn)行進(jìn)一步處理，形成在上述疲勞危險(xiǎn)區(qū)域具有裂紋的第二有限元模型，并獲取應(yīng)力控制點(diǎn)。

9、根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例，上述基于上述第一有限元模型配置上述試驗(yàn)樣件的受力狀態(tài)及約束條件獲取應(yīng)力標(biāo)定點(diǎn)及疲勞危險(xiǎn)區(qū)域，包括：依據(jù)上述試驗(yàn)樣件的尺寸及形狀建立幾何模型；對(duì)上述幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分以形成上述第一有限元模型，并定義上述試驗(yàn)樣件的材料屬性；以及設(shè)置受力狀態(tài)及約束條件進(jìn)行應(yīng)力相應(yīng)分析，將識(shí)別的最大應(yīng)力發(fā)生位置作為上述應(yīng)力標(biāo)定點(diǎn)，并將上述應(yīng)力標(biāo)定點(diǎn)與上述第二端之間的部分作為上述疲勞危險(xiǎn)區(qū)域。

10、根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例，上述對(duì)上述第一有限元模型進(jìn)行進(jìn)一步處理，形成在上述疲勞危險(xiǎn)區(qū)域具有裂紋的第二有限元模型，并獲取應(yīng)力控制點(diǎn)，包括：將裂紋發(fā)生位置模擬至上述疲勞危險(xiǎn)區(qū)域，并配置裂紋路徑，以模擬裂紋拓展形成第二有限元模型；在上述裂縫發(fā)生位置與上述第二端之間選取觀察區(qū)域，并在上述觀察區(qū)域內(nèi)設(shè)置若干觀察單元；以及對(duì)上述第二有限元模型施加單位載荷，通過(guò)比較上述試驗(yàn)樣件的上表面及下表面的應(yīng)力的絕對(duì)值差，識(shí)別應(yīng)力變化不明顯的臨界位置作為上述應(yīng)力控制點(diǎn)。

11、根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例，上述將上述試驗(yàn)樣件裝配于上述疲勞試驗(yàn)設(shè)備上，并依據(jù)上述應(yīng)力控制點(diǎn)和預(yù)設(shè)間距獲取應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，包括：將上述試驗(yàn)樣件的第一端連接于疲勞試驗(yàn)設(shè)備的振動(dòng)組件上，并將上述試驗(yàn)樣件的第二端懸設(shè)于上述振動(dòng)組件之外；將配重組件裝配于上述第二端上；以及在上述應(yīng)力控制點(diǎn)和上述第二端之間，依據(jù)預(yù)設(shè)間距獲取應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

12、根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例，上述在上述應(yīng)力標(biāo)定點(diǎn)、上述應(yīng)力控制點(diǎn)及上述應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置應(yīng)變片，并對(duì)上述試驗(yàn)樣件定頻的施加輸入載荷，以獲取上述試驗(yàn)樣件的疲勞循環(huán)次數(shù)，包括：在上述應(yīng)力標(biāo)定點(diǎn)、上述應(yīng)力控制點(diǎn)及上述應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置應(yīng)變片；依據(jù)上述試驗(yàn)樣件的固有頻率及振型施加上述輸入載荷；獲取上述應(yīng)力控制點(diǎn)的應(yīng)力檢測(cè)值，并依據(jù)上述應(yīng)力標(biāo)定點(diǎn)和上述應(yīng)力控制點(diǎn)的應(yīng)力標(biāo)定系數(shù)，定頻的維持輸入載荷不變；以及獲取上述應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力響應(yīng)，并進(jìn)行雨流循環(huán)計(jì)數(shù)，以獲取上述試驗(yàn)樣件的疲勞循環(huán)次數(shù)。

13、根據(jù)本公開(kāi)提供的一種疲勞試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)樣件s-n曲線獲取方法，通過(guò)將試驗(yàn)樣件懸設(shè)于振動(dòng)組件的方式，可有效的提升試驗(yàn)過(guò)程的加載頻率，以縮短試驗(yàn)周期。在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)建立含有裂紋的第二有限元模型，分析了裂紋對(duì)觀察單元的的應(yīng)力影響，確定了裂紋對(duì)應(yīng)力變化不產(chǎn)生明顯影響的臨界位置，并以作為應(yīng)力控制點(diǎn)。除此之外，還進(jìn)一步的確定應(yīng)力標(biāo)定點(diǎn)與應(yīng)力控制點(diǎn)之間的應(yīng)力標(biāo)定系數(shù)。

14、在此基礎(chǔ)上，基于配置在試驗(yàn)樣件的應(yīng)力標(biāo)定點(diǎn)、應(yīng)力控制點(diǎn)及應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的檢測(cè)組件，可在試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)應(yīng)力變化，并依此控制應(yīng)力基本保持不變，從而提高了試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)試驗(yàn)樣件的應(yīng)力控制精度。

技術(shù)特征：

1.一種疲勞試驗(yàn)設(shè)備，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，還包括加速度檢測(cè)組件（14），適用于監(jiān)測(cè)所述振動(dòng)組件（11）沿所述第一方向的所述輸入載荷。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征在于，所述應(yīng)力標(biāo)定點(diǎn)、所述應(yīng)力控制點(diǎn)及所述應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)由所述第一端向所述第二端依次間隔的設(shè)置于所述試驗(yàn)樣件（2）上。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，所述檢測(cè)組件（14）包括至少三個(gè)應(yīng)變片，三個(gè)所述應(yīng)變片分別設(shè)置于所述應(yīng)力標(biāo)定點(diǎn)、所述應(yīng)力控制點(diǎn)及所述應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征在于，所述振動(dòng)組件（11）對(duì)所述試驗(yàn)樣件（2）施加的所述輸入載荷的加載頻率為所述試驗(yàn)樣件（2）的固有頻率。

6.一種基于權(quán)利要求1至5中任一所述的試驗(yàn)設(shè)備的試驗(yàn)樣件s-n曲線獲取方法，其特征在于，包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于所述第一有限元模型獲取所述試驗(yàn)樣件的應(yīng)力標(biāo)定點(diǎn)及應(yīng)力控制點(diǎn)，包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述基于所述第一有限元模型配置所述試驗(yàn)樣件的受力狀態(tài)及約束條件獲取應(yīng)力標(biāo)定點(diǎn)及疲勞危險(xiǎn)區(qū)域，包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述對(duì)所述第一有限元模型進(jìn)行進(jìn)一步處理，形成在所述疲勞危險(xiǎn)區(qū)域具有裂紋的第二有限元模型，并獲取應(yīng)力控制點(diǎn)，包括：

10.根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一所述的方法，其特征在于，所述將所述試驗(yàn)樣件裝配于所述疲勞試驗(yàn)設(shè)備上，并依據(jù)所述應(yīng)力控制點(diǎn)和預(yù)設(shè)間距獲取應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，包括：

11.根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一所述的方法，其特征在于，所述在所述應(yīng)力標(biāo)定點(diǎn)、所述應(yīng)力控制點(diǎn)及所述應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置應(yīng)變片，并對(duì)所述試驗(yàn)樣件定頻的施加輸入載荷，以獲取所述試驗(yàn)樣件的疲勞循環(huán)次數(shù)，包括：

技術(shù)總結(jié)
本公開(kāi)提供了一種疲勞試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)樣件S?N曲線獲取方法，涉及材料或零件動(dòng)態(tài)應(yīng)力?疲勞壽命預(yù)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，其中，該疲勞試驗(yàn)設(shè)備，包括：振動(dòng)組件，適用于裝配待檢測(cè)的試驗(yàn)樣件的第一端，并使試驗(yàn)樣件的遠(yuǎn)離第一端的第二端懸設(shè)于振動(dòng)組件之外，以對(duì)試驗(yàn)樣件施加沿第一方向的輸入載荷；配重組件，可拆卸地設(shè)置于第二端，以調(diào)節(jié)試驗(yàn)樣件的彎曲應(yīng)力；以及檢測(cè)組件，適用于至少監(jiān)測(cè)設(shè)置于試驗(yàn)樣件上的應(yīng)力標(biāo)定點(diǎn)、應(yīng)力控制點(diǎn)及應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變。

技術(shù)研發(fā)人員：李廣全,張振先,馬維,呂曉鵬,王玉光
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9