一种疲劳裂纹扩展测试的方法技术

本发明专利技术公开了一种疲劳裂纹扩展测试的方法。该方法在疲劳试验过程中进行扫频试验，获取在受迫振动条件下试验系统的振动响应随试件裂纹扩展的变化情况。利用一种数值方法对扫频数据进行拟合，得到共振频率随循环次数的变化曲线；在试件断裂之后，根据实际观测的裂纹尺寸和形态，对ＣＡＤ模型进行裂纹预制，并进行有限元模态分析，得到系统的共振角频率和试件裂纹尺寸之间的关系曲线；利用以上曲线的对应关系，可获得试件裂纹的动态扩展规律进而得到其变化率曲线。最后结合应力强度因子范围△Ｋ的计算，即可得到裂纹扩展速率曲线。本发明专利技术方法不受到试件尺寸、结构、工艺特征以及裂纹位置、形态的限制，可以对任意零部件进行裂纹扩展测试。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种应用于机械零部件疲劳试验的裂纹扩展测试方法。
技术介绍
机械构件的疲劳破坏是其发生失效的一种主要形式。从各种统计资料归纳来看，其比例约为80％～95％左右。因此疲劳破坏问题是机械可靠性研究的一个重点领域。疲劳破坏是一个很复杂的问题，影响疲劳强度的因素众多，而且大多数的影响因素目前还无法给出严格的物理机理解释，从数学上也难以给出较周密的定量描述。人们在大量的生产实践中，从不同的观察角度，逐渐形成了一些疲劳破坏的工程近似描述方法。其中，疲劳裂纹扩展的速率曲线在很多实际工程问题的疲劳可靠性估算中取得了很好的效果。疲劳裂纹扩展速率(da/dN-ΔK)不仅是表征材料抗疲劳断裂韧性的一个重要指标，也是对传统的疲劳强度设计和试验内容的重要补充。随着断裂力学理论的逐步发展和完善，这一参数在疲劳设计中得到了越来越广泛的应用。疲劳裂纹扩展试验的主要任务之一就是测定裂纹扩展速率。该数据的测定则依赖于裂纹尺寸a的动态测量，即裂纹尺寸a随试验加载次数N的动态变化曲线。该测量的准确与否对试验结果具有重大影响，是疲劳裂纹扩展试验的关键问题。现有的裂纹尺寸的动态测量方法很多，在实验室中常用的有移动式测量显微镜直接读数法、电位法、柔度法、涡流法、声发射法及基于实验模态分析的力学法等；而现场部件裂纹测定常用的有涡流法、荧光法及磁力探伤法等。对于不同的试验对象，不同环境中的试验过程，各种试验方法不同程度的都有应用。但这些方法都有同样一个局限性，即往往只能应用于材料试验或简单试件。对于众多的实际零部件，如发动机曲轴等，由于其结构的复杂性以及裂纹位置和形态的特殊，这些方法均难以施行。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服原有疲劳裂纹试验方法的局限性，提供一种新型的疲劳裂纹扩展测试的方法，使得一些具有复杂结构和特殊工艺或裂纹位置、形态特殊而不便于观测的零部件可以直接进行裂纹扩展速率的测试。本专利技术的疲劳裂纹扩展测试的方法，包括以下步骤1)将被测试件安装到由主、被动摆臂和偏心轮激振器组成的加载机构上；2)加载进行疲劳试验，每间隔一定的时间进行一次扫频试验，并将扫频所得到的激振角频率-振动响应加速度数据按式(1)所确立的原型函数按最小二乘法进行拟合α=A+Bω21-Cω2,ω∈(0.3p,0.85p)---(1)]]>式中ω为激振角频率；α为振动响应加速度；p为振动系统的共振角频率；A、B和C为待定系数，拟合后得到共振角频率p随试验循环次数N的动态变化N-p曲线；3)在疲劳试验完成，试件发生断裂之后，通过实际观测断口形貌疲劳辉纹得到实际裂纹的形态特征和尺寸a；4)利用实际观测数据进行CAD模型预制，并对各裂纹尺寸a下模型的共振角频率p进行有限元分析，得到a-p关系曲线；5)利用a-p曲线和N-p曲线的对应关系，绘制a-N曲线；据a-N曲线，用七点递增二次多项式或割线法计算得到da/dN-N曲线，结合有限元方法计算得到的应力强度因子变程ΔK，得到裂纹扩展速率曲线，即da/dN-ΔK曲线。本专利技术的有益效果在于由该试验方法的流程来看，它是在试件发生断裂后，而使裂纹的具体位置、形态和尺寸特征完全可测的情况下，再对照试验过程中的监控信息利用有限元仿真技术对裂纹的扩展速率进行精确的计算。因此，本专利技术方法充分发挥了谐振加载式疲劳试验机的技术优点并巧妙利用了“后验”数据，能够最大程度的容忍疲劳试验过程中裂纹出现位置、裂纹形态以及裂纹扩展方式的复杂性和多变性。实际上在有限元模型足够精细的情况下，其测量精度几乎不受到这些因素的影响。本专利技术方法在其技术实施路线上体现出了一些与以往试验方法所不同的特有思路。使得一些具有复杂结构和特殊工艺或裂纹位置、形态特殊而不便于观测的零部件可以直接进行裂纹扩展速率的测试。本专利技术方法相对于传统的直测法、电测法以及基于实验模态分析的力学法等裂纹扩展测试方法。它不受到试件尺寸、结构、工艺特征以及裂纹位置、形态的限制，只要是利用谐振加载原理的疲劳试验，可以对任意零部件进行裂纹扩展测试。附图说明图1是谐振式疲劳试验加载机构的示意图；图2是扫频法曲轴裂纹扩展速率测定流程；图3是扫频图示例；图4是有限元分析模型裂纹预制示意图，其中a)预制裂纹后的谐振机构三维透视图，b)为a)中半椭圆形表面裂纹的放大图。具体实施例方式本专利技术的疲劳裂纹扩展测试的方法，包括以下步骤1)将被测试件，例如图1所示的曲轴1，安装到由主动臂2、被动臂3和偏心轮激振器4组成的谐振式加载机构上。2)加载进行疲劳试验，并每间隔一定的时间，如5万次或10万次，进行一次扫频试验。扫频试验是为了在受迫振动条件下获得振动系统的共振频率，其方法是通过施加不同频率的激励，并记录各频率激励下，系统的响应加速度值。即获取数据序列{ωi，αi|i＝1，2，3...}，将实测的序列绘制于图上，可得到扫频图，图3给出了一些时刻扫频图的一个示例。随着试验循环次数的增加，扫频曲线左移表明其共振频率的下降。将扫频所得到的激振角频率-振动响应加速度数据按式(1)所确立的原型函数按最小二乘法进行拟合α=A+Bω21-Cω2,ω∈(0.3p,0.85p)---(1)]]>式中ω为激振角频率；α为振动响应加速度；p为振动系统的共振角频率；A、B和C为待定系数，应用最小二乘法拟合得到系数A、B和C之后，共振角频率p的计算式为p=1C]]>拟合后得到共振角频率p随试验循环次数N的动态变化情况，即N-p曲线；3)在疲劳试验完成，试件发生断裂之后，通过实际观测断口形貌疲劳辉纹得到实际裂纹的形态特征和尺寸a。4)利用实际观测的裂纹的形态特征和尺寸a对CAD模型进行裂纹预制。具体方法是在原谐振系统的CAD实体模型上，于实际断裂位置处据实测裂纹形态和尺寸a画一椭圆，以此椭圆为轮廓拉伸一个薄片状实体，然后对其边缘做圆角过渡处理以尽量使其与实际裂纹的三维形态形似，最后，以无裂纹CAD模型为被操作实体，用该薄片对其做实体布尔减操作完成裂纹的预制，图4为CAD模型裂纹预制的三维透视图及裂纹的局部放大图。对各裂纹尺寸a下模型的共振角频率p进行有限元分析，得到a-p关系曲线。5)利用a-p曲线和N-p曲线的对应关系，绘制a-N曲线；据a-N曲线，用七点递增二次多项式或割线法计算得到变化率曲线，即da/dN-N曲线。应力强度因子可在第4)步所完成的CAD裂纹预制模型上用有限元方法计算，计算应用1/4位移法，单元采用15节点1/4奇异元。结合计算得到的应力强度因子变程ΔK，得到裂纹扩展速率曲线，即da/dN-ΔK曲线。权利要求1.，包括以下步骤1)将被测试件安装到由主、被动摆臂和偏心轮激振器组成的加载机构上；2)加载进行疲劳试验，每间隔一定的时间进行一次扫频试验，并将扫频所得到的激振角频率-振动响应加速度数据按式(1)所确立的原型函数按最小二乘法进行拟合α=A+Bω21-Cω2,]]>ω∈(0.3p，0.85p) (1)式中ω为激振角频率；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种疲劳裂纹扩展测试的方法，包括以下步骤：１）将被测试件安装到由主、被动摆臂和偏心轮激振器组成的加载机构上；２）加载进行疲劳试验，每间隔一定的时间进行一次扫频试验，并将扫频所得到的激振角频率－振动响应加速度数据按式（１）所确 立的原型函数按最小二乘法进行拟合：＊＊＊，ω∈（０．３ｐ，０．８５ｐ）（１）式中：ω为激振角频率；ａ为振动响应加速度；ｐ为振动系统的共振角频率；Ａ、Ｂ和Ｃ为待定系数，拟合后得到共振角频率ｐ随试验循环次数Ｎ的动态变化Ｎ－ｐ 曲线；３）在疲劳试验完成，试件发生断裂之后，通过实际观测断口形貌疲劳辉纹得到实际裂纹的形态特征和尺寸ａ；４）利用实际观测数据进行ＣＡＤ模型预制，并对各裂纹尺寸ａ下模型的共振角频率ｐ进行有限元分析，得到ａ－ｐ关系曲线； ５）利用ａ－ｐ曲线和Ｎ－ｐ曲线的对应关系，绘制ａ－Ｎ曲线；据ａ－Ｎ曲线，用七点递增二次多项式或割线法计算得到ｄａ／ｄＮ－Ｎ曲线，结合有限元方法计算得到的应力强度因子变程△Ｋ，得到裂纹扩展速率曲线，即ｄａ／ｄＮ－△Ｋ曲线。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：俞小莉，周迅，沈瑜铭，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]