使用高频疲劳试验机检测材料的疲劳寿命

工程 与试 验 使用高频疲劳试验机材料的疲劳寿命 姬战国，尹芳芳 (长春试验机研 究所有限公 司，吉林 长春 130012) 摘 要：主要论述了使用高频疲劳试验机测定材料的疲劳寿命曲线的方法和实现过程 ；用最小二乘法进行曲线拟 合的原理和处理方法。对于测试材料的疲劳寿命具有一定的实际意义。 关键词：高频疲劳试验机；疲劳寿命；曲线拟合 中图分类号 ：TH87 文献标识码 ：B · Using High—frequency Fatigue Testing M achine testing Fatigue Life of M aterials Abstract：This paper discusses the method and process of using high—frequency fatigue testing ma— chine test material fatigue life curve，and the principle and approach of curve fitting by the least square method．It has some practical significance in testing material fatigue life field． Keywords：high—frequency fatigue testing machine；fatigue life；curve fitting 1 前言 在工业生产 中，材料或结构的疲劳损坏是其主 要失效形式 ，因此材料或结构 的疲劳强度和疲劳寿 命是其强度和可靠性研究的主要内容之一。材料的 疲劳寿命曲线，即“S—N”曲线，是反映材料的疲劳 强度与疲劳寿命对应关系的曲线，是最常用的一种 疲劳试验结果的表示方法。 2 原理及实现过程 微机控制高频疲劳试验机是一种通用 的电磁激 励共振型疲劳试验机。主要用于测量金属材料及构 件在拉、压或拉压交变负荷下的疲劳性能。计算机 直接参与控制，因而系统稳定性好，数据波动度小， 精度高；该机应用电磁谐振原理，电控系统采用先进 的脉冲调制宽度型控制方式及新型功率放大器，系 统稳定可靠，工作效率高，耗能低，是测试材料疲劳 性能较理想的测试设备。 绘制“S—N”曲线时 ，以试验力或试验应力为纵 坐标，以疲劳寿命为横坐标，疲劳寿命采用对数坐 标 ，试验力或试验应力采用线性坐标或对数坐标 ，曲 线的绘制用回归分析的方法进行曲线拟合，将同一 种材料不同应力比或不同平均应力下的曲线画在同 一 张图中。 在工作中，根据用户需要，在高频疲劳试验机软 件部分数据处理上增加了该项功能。具体原理及实 现过程如下。 (1)静力试验 取一个试件测定材料或构件的强度 O'b或破坏载 荷 ，以检验材料或构件 的静强度是否符合要求 ， 并且根据 或 P 选定各级应力水平。 (2)确定应力 比或平均应力 应力比R是材料或构件在试验中所受最小应 力 S i 与最大应力 S 的比值。即 尺一 [收藕 日期] 2008—04—14 [作者简介] 姬战国(1974一)，男，吉林长春人，工程师，专业方向：自动控制 · 7 。 O 0 n 矗 g n C L n ‰ h 丁 Z r ．二 n R ^ C g 口 ^ C 维普资讯 http://www.cqvip.com 工程与试验 R==一1为对称循环，R为其他任何数值时为 非对称循环 。应力比的大小是根据生产和要求 来确定的。如果为了了解材料抗拉 的疲劳性能，常 取 R 一 0．1。S N 曲线一般是在给定应力比条件 下做出的，但有时根据需要，5一N曲线也在给定平 均应力 S 的条件下做出。 (3)确定应力水平和载荷 应力水平代表一对应力 s⋯和 S⋯。应力水平 至少分为五级，高应力水平间隔大些 ，随着应力水平 的降低间隔越来越小。在所取的各级应力水平中， 一 般情 况 下 S⋯ 一 (0．6～ 0．7) 。即加 载 系数 K⋯ 一 0．6～0．7。然后 K 逐渐递减 。对于轴 向加 载疲劳试验 ，当已知各级最大载荷 s⋯ 和应力 比 R 时，可求 出最小载荷 S 和平均载荷 P 、交变载荷 P⋯ 即 P⋯ 一 R × P⋯ 一 ÷ P。一 x二 由于疲劳寿命 的分散性较大，在每个应力水平 只用一个试件所测定的 S—N 曲线，精度较差。如 希望得到较精确的 S—N 曲线。一般每个应力水平 取 3～5个试件来进行试验，取其中值疲劳寿命为该 应力水平的疲劳寿命 。 (4)处理数据及绘制 S—N 曲线 大量疲劳试 验 的结果 表 明，各 种不 同材 料 的 s—N曲线，具有一定的形式。一般将应力 S与疲 劳寿命 表示成幂指数的关系 ，即： (S⋯ 一 C) ×N： D 取对数得 ：mlg(S 一C)十lgN=lgD ’ 式中 m、C、D为常数 ，与材料性质 、试件形式等 有关 ；C相当于 』＼f—D。时的应力 S 可近似代表疲 劳极限。令 A === D，A：—川，C—S。则上式拟合方 程可写为： lgN—Al—A2 lg(S 一 S0) 式表明，lg(S—S。)与 lgN成线性关系，可见 S和 N 的幂 函数关系相 当于在双对数坐标中成直 线关系，在单对数坐标中，将 S作为 自变量 ，上式可 写为： lgN—a+ 6(S— S．．) 按照最小二乘法拟 合直线的原理 ，使各数据点 到直线 的水平距离 的平 方和为最小 。根据这 个条 件 ，即可由微积分中求极值 的方法，推知常数 “和 b 分别为 ： · 8 · i p 一 , lgN 一 旦 ／7∑ i= t s s lgN 一去( 5 )( lg『＼『 ) 一 ———__————÷ — — —一 ∑s 一 1(∑S ) 按照上述过程，利用可视化编程工具 Vb实现了该 功能，舒单方便，而且根据不同需要，可进行简单或 复杂的处理。 (5)实际试验获得数据 按照以上试验方 法，在 100 kN高频疲劳试 验 机上对一种焊接板材进行 了试验 ，试验 中选取 R一 0．1，共 13件试件 ，通过静态试验机试验获得 的该试 验件的拉断力值为 138kN；疲 劳试验时 ．由于该试 验机为计算机控制，稳定性好 ，数据精度高 ，设置好 相关参数，计算机便能正确整个实验过程，获得 实验数据。结果见表 1。图 1是根据试验数据绘制 的S— 曲线。 表 1 疲劳试验结果 埘 妒 m6 i0 t Fm&， 一 N[cydel 3横坐标范固调整· }-{ 打印{ 返回{ 3 结束语 图 1 疲劳试 验 S—N曲线 利用高频疲劳试验机获得的数据精度较高，利 用此方法，对已知寿命的常规材料进行多次试验 ，获 得的结果与数据手册上数据基本一致，证明上述试 验方法及数据处理方法是正确的，而且上述数据处 理方法易于利用软件实现，同时也丰富了高频机的 软件功能 ，而且 ，具有将几条曲线在同一坐标图中绘 出以及打印输出等功能 ，方便 实用 。目前此方法(三 应用到产品中，用户反映 良好。对测试 材料 的疲劳 维普资讯 http://www.cqvip.com No3．2008 姬战国，等：使用高频疲劳试验机检测材料的疲劳寿命 (上接第 6页) 增大为 200 cm 。此 时在脉宽尖点处 ，结构对应最 大应力状态见图 lo。最大应力值见表 4。 图 l0 结构对应最大应 力状 态 表 4 最 大应力值 JULl7 2 10：41：41 一 一．451E+08 _ 一．342E+08 r--I一·233E O8 f] 一．124E+08 ==：一．155E+07 ．932E+O7 口 ．202E+o8 I"-I ．31 1E+08 图 ．420E+O8 I ．528E+08 (×103) 8Ooo 7O0o 6O00 5o()0 4000 3000 20o0 1 o(】0 0 — 10o0 — 20oO 八 八 i ．| } J I | 一、 } | ^ | ，、 _／＼ 『＼ ， J | 、 ／ ＼ J ＼／ | ＼ 、， ． 125 ．375 ．625 ．875 1．125 时问，s 图 11 2节点 x向应力时程响应 最大应力值远远小于许用应力 175M pa。 从上表可以看出负载与台面的连接位置和螺钉 数量 ，剧烈影响着结构的响应和强度。 2节点 X向应力时程响应 曲线 和 401节点 Z向 应力时程响应曲线见 图 ll、图 12。 f×l 4 结论 | ＼ | | | I ， | t ＼ | l | x ／ √ 0 ． 125 ·25 ． 375"5 ． 625 ．75 ． 875 1．125· 时间／s 图 12 401节点 Z向应力时程响应 (×10 ) 从上面的分析，可以看出，在同样的冲击荷载作 用下 ，由于负载与台面的连接方式不同，对结构强度 校核产生重要影响。最大应力值均发生在负载与 台 面接触面附近。该 台面在最恶劣的加载连接模式也 能够满足 200g加速度强度校核要求。若在筋板附 近布置较多螺钉，最大应力值仅为许用应力值的三 分之一。若冲击速度提高到 3．5m／s，按照线性叠加 原理，在这种连接模式下，强度也能满足要求。 参考文献 [13 屈维德．机械振动手册．北京：机械工业出版社，1992． [2] 力学环境试验技术．陕西：西北工业大学出版社 ，2003． E3] 左鹤声，彭玉莺．振动试验模态分析．北京：中国铁道出 版社 ，1995． · 9 。 ∞o∞∞∞∞∞∞∞∞∞ 咖o 8§ 一 一 一 一 一 一 一 一 一 日d， 趟 维普资讯 http://www.cqvip.com