等截面超声扭转疲劳试样设计方法技术

本发明专利技术提出一种等截面超声扭转疲劳试样设计方法，首先根据试样材料参数和几何设计尺寸，通过扭转疲劳试样的谐振长度解析公式，得到扭转疲劳试样的谐振长度，然后利用有限元方法分析试样扭转振型对应的固有频率，根据分析结果修正扭转试样谐振长度，使试样的实际固有频率在F±0.5kHz范围内接近设计频率，并在标距段获得相等的最大扭转应力，满足超声扭转疲劳试验的要求，提高试验数据的准确性。本发明专利技术丰富了超声疲劳试验的试样类型，扩展了超声疲劳试验方法的应用范围，提高了超声疲劳疲劳试验的准确性，为金属材料的超高周扭转疲劳性能研究奠定了基础。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属材料扭转疲劳性能、耐久性测试领域，具体是一种等截面超声扭转疲劳试样的设计方法。
技术介绍
疲劳是材料在应力或应变的反复作用下，在某点或局部产生永久性损伤，一定循环加载周次后形成裂纹、裂纹进一步扩展到完全断裂，这种由应力应变反复作用引起材料性能变化，导致材料失效的现象被称为材料的疲劳。疲劳失效是结构件在承受循环交变载荷作用下主要的失效形式，如轴、曲柄、叶片、齿轮等以及压力容器、管道、车辆、飞机等构件的主要失效形式都是疲劳破环，随着生产实践发展，人们发现，根据循环次数在107左右确定出的耐久极限而设计出的构件在承受更高周次循环作用时，仍然会发生疲劳破坏，这促使广大科研工作者和工程人员探寻更高循环周次下结构材料的疲劳极限。但若采用传统的疲劳测试手段，测试频率一般在100Hz左右，若以此试验频率为例，进行循环次数超过109周的疲劳试验，需耗时100多天，这在工程上完全不能接受，然而上世纪超声疲劳试验系统的出现，试验加载频率达到20kHz，同样进行109周的疲劳试验，只需13.9小时，使得进行超过109周次的超高周疲劳试验成为可能，应用超声疲劳试验技术，国内外开展了很多金属材料的超高周拉压疲劳试验，对其拉压超高周疲劳性能进行了研究，但实际工程应用中，如轴、曲柄、叶片、齿轮等结构件承受的主要载荷，并非轴向拉压载荷，而是扭转剪切载荷，由于受超声疲劳试验装置和扭转疲劳试样设计等因素的影响，国内很少开展材料的超高周扭转疲劳试验及性能研究。国内外针对材料的超高周疲疲劳试验及装置开展了很多工作，其中，专利技术专利CN201520691782.8和CN201510828131.3分别设计了等截面圆弧和等截面板状金属材料拉压载荷下的超声疲劳试样，实现了不同形状金属材料的超高周拉压疲劳性能测试，技术专利CN201320391869.4设计了一种超声扭转位移标定装置，解决了超声扭转疲劳试验中扭转位移的测定问题，然而针对金属材料的超声扭转疲劳试验仍然存在一些不足之处，超声扭转疲劳试验通常采用狗骨形超声扭转疲劳试样，在中间最小截面处获得最大扭转应力，但是对于大多数含有缺陷(夹杂、缩孔、内部组织不均匀)的材料，最大等应力区过小，难以获得准确的试验数据，因此，为了获得准确的超声疲劳试验数据，需要加大超声扭转疲劳试样的最大扭转应力区。
技术实现思路
为解决现有技术中由于缺乏等截面超声扭转疲劳试样设计方法，难以获得准确超高周扭转疲劳试验数据的问题，本专利技术提出了适用于不同材料的等截面超声扭转疲劳试样的设计方法，在试样中间等截面区(标距段)获得相等最大扭矩，加大最大扭转应力区，并使其扭转振型对应的固有频率在超声扭转疲劳试验机工作频率附近，能够在超声扭转疲劳试验机上实现扭转谐振加载。本专利技术的技术方案为：所述一种等截面超声扭转疲劳试样设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：获得制作超声扭转疲劳试样的金属材料的剪切模量G和密度ρ；步骤2：根据制作超声扭转疲劳试样的金属材料的性能和疲劳强度，确定试样设计的固有频率f、最小截面半径R1、最大截面半径R2、标距段长度L1和过渡段长度L2，其中固有频率f处于F±0.5kHz范围内，其中F为超声扭转疲劳试验机工作频率；步骤3：根据公式 L 3 = 1 K a r c t a n { 1 K [ β β s i n ( KL 1 ) sinh ( KL 2 ) - K c o s ( KL 1 ) cosh ( KL 2 ) β sin ( KL 1 ) cosh ( KL 2 ) + K c o s ( KL 1 ) sinh ( KL 2 ) ]本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种等截面超声扭转疲劳试样设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：获得制作超声扭转疲劳试样的金属材料的剪切模量G和密度ρ；步骤2：根据制作超声扭转疲劳试样的金属材料的性能和疲劳强度，确定试样设计的固有频率f、最小截面半径R1、最大截面半径R2、标距段长度L1和过渡段长度L2，其中固有频率f处于F±0.5kHz范围内，其中F为超声扭转疲劳试验机工作频率；步骤3：根据公式L3=1Karctan{1K[ββsin(KL1)sinh(KL2)-K cos(KL1)cosh(KL2)βsin(KL1)cosh(KL2)+K cos(KL1)sinh(KL2)]}]]>计算超声扭转疲劳试样谐振长度L3，其中ω＝2πf，c是材料中的波速，ω是角频率，步骤4：根据步骤1、2、3得到的超声扭转疲劳试样参数，在有限元软件中建立超声扭转疲劳试样模型，并进行模态分析，得到试样扭转振型对应的固有频率f1，根据模态分析结果对超声扭转疲劳试样的几何尺寸进行修正：步骤a：如果试样扭转振型对应的固有频率f1小于设计固有频率f‑20Hz，则减小试样谐振长度L3，然后再次通过有限元软件进行模态分析，直到模态分析得到的试样扭转振型对应的固有频率f1处于f±20Hz范围内为止，最后确定试样的几何尺寸，完成试样设计；步骤b：如果试样扭转振型对应的固有频率f1大于设计固有频率f+20Hz，则增加试样谐振长度L3，然后再次通过有限元软件进行模态分析，直到模态分析得到的试样扭转振型对应的固有频率f1处于f±20Hz范围内为止，最后确定试样的几何尺寸，完成试样设计。...

【技术特征摘要】
1.一种等截面超声扭转疲劳试样设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：获得制作超声扭转疲劳试样的金属材料的剪切模量G和密度ρ；步骤2：根据制作超声扭转疲劳试样的金属材料的性能和疲劳强度，确定试样设计的固有频率f、最小截面半径R1、最大截面半径R2、标距段长度L1和过渡段长度L2，其中固有频率f处于F±0.5kHz范围内，其中F为超声扭转疲劳试验机工作频率；步骤3：根据公式 L 3 = 1 K arctan { 1 K [ β β s i n ( KL 1 ) sinh ( KL 2 ) - K c o s ( ...

【专利技术属性】
技术研发人员：高涛，薛红前，李智，陈修强，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61