高频谐振疲劳机载荷测量误差建模分析及试验夹具优化设计

电磁谐振式疲劳裂纹扩展试验过程中,对动态载荷的高精度测量和控制是保证试验结果准确性和系统工作稳定性的重要前提,夹具作为夹持试件和传递载荷的重要机构,对其进行结构优化显得尤为重要。建立了紧凑拉伸(CT)试件连接刚度模型和三自由度有阻尼振动系统动力学模型,得到了动态载荷测量误差理论表达式;分析了夹具刚度对动态载荷测量误差的影响,设计了不同结构刚度的试件夹具,并通过有限元方法计算其刚度,得到了不同结构夹具对动态载荷测量误差的影响结果;实验验证了优化夹具设计的合理性。     

电磁谐振式疲劳试验系统恒载荷控制方法研究

为研究电磁谐振式弯曲疲劳试验中试件的裂纹扩展对谐振系统振动特性的影响,利用有限元软件Abaqus对系统进行了不同裂纹尺寸下的模态和强迫振动分析。根据多种裂纹尺寸条件下的分析结果,建立了试件裂纹尺寸、摆臂加速度、试件应力水平之间的关系。讨论了为实现系统恒载荷控制,在试验过程中对激振力的大小进行调整的必要性,提供了以振动加速度为参考对激励电流的幅值进行调整来进行恒载荷控制的方法。     

电磁谐振式高频疲劳试验系统动态特性分析

针对电磁谐振式高频疲劳试验系统动态特性分析的问题,根据振动学共振理论,建立了高频疲劳试验机振动系统的动力学模型,并且得出了系统的固有频率和工作台共振振幅的计算公式;同时通过仿真,分析了试件刚度对系统固有频率和工作台共振振幅的影响,并通过做图进行了详细的说明;最后搭建了基于虚拟仪器技术的实验平台,并进行了相关实验以验证所得出的模型是否符合实际。研究结果表明,该系统的动态特性仿真结果与实验所得数据在误差允许的范围内能够较好地吻合,验证了动力学模型建立的正确性;为高频疲劳试验系统谐振频率的跟踪和工作载荷的高精度控制提供了理论基础,与此同时,工程人员可以依据这一模型对高频疲劳系统的动态性能进行预测分析,具有一定的工程价值。     

高频谐振载荷作用下Ⅰ型疲劳裂纹尖端力学参数变化规律

为研究高频谐振式疲劳裂纹扩展试验中带有Ⅰ型预制裂纹的紧凑拉伸(CT)试件裂纹尖端力学参数的变化规律,利用动态有限元方法,采用ANSYS和MATLAB软件编写程序,计算了CT试件在高频恒幅正弦交变载荷作用下,在一个应力循环及裂纹扩展到不同长度时裂纹尖端区域的位移、应变场及裂纹尖端的应力强度因子,并分析了其变化规律。在计算裂纹尖端应力强度因子时,首先采用静态有限元方法和理论公式验证了有限元建模和计算的正确性,然后采用动态有限元方法研究了裂纹扩展过程中裂纹尖端应力强度因子的变化规律。最后进行了高频谐振式疲劳裂纹扩展试验,采用动态高精度应变仪测量了裂纹扩展到不同阶段时裂纹尖端点的应变,并对有限元计算结果进行了验证。研究结果表明：在稳态裂纹扩展阶段,高频谐振载荷作用下Ⅰ型疲劳裂纹尖端位移、应变及应力强度因子均为与载荷同一形式的交变量;随着裂纹的扩展,Ⅰ型疲劳裂纹尖端的位移、应变及应力强度因子幅不断增大;静态应力强度因子有限元计算值和理论值的误差为2.51%,裂纹尖端点应变有限元计算结果和试验结果最大误差为2.93% 。     

裂纹扩展疲劳试验测控系统研究

针对疲劳裂纹扩展过程中工作载荷的稳定性问题,建立了基于裂纹长度在线测量的谐振式疲劳裂纹扩展试验振幅控制系统,提出了基于裂纹在线测量的自适应改进爬山法、固有频率跟踪方法及振幅模糊PID控制方法。首先采用自行设计的测量系统测得了试件不同裂纹尺寸所对应的系统固有频率,开始疲劳裂纹扩展试验后实时测量了裂纹扩展过程中的裂纹长度,采用所提出的固有频率跟踪算法对系统固有频率进行了跟踪,同时采用模糊PID方法对频率跟踪过程中造成的振幅波动较小进行了控制。实验及研究结果表明,所提出方法在裂纹扩展过程中的振幅控制精度为2%,控制精度高、调整时间短,能较好地满足疲劳裂纹扩展试验的要求。     

谐振式疲劳裂纹扩展试验振动系统质点质量的软测量方法

谐振式疲劳裂纹扩展试验振动系统的质点由多个不同形状、材质的部件组成,对质点质量进行直接测量有很大的局限性。提出了一种针对此类振动系统质点质量的软测量方法,建立了系统三自由度振动力学模型和动力学方程,推导得到关于系统固有频率、弹簧刚度与质点质量关系的系统频率方程,通过有限元方法计算出不同裂纹长度下试件的刚度,通过固有频率测量实验方法测出裂纹扩展到不同长度时系统的谐振频率,将不同裂纹长度时系统谐振频率值及相应试件刚度代入系统频率方程中,得到以待识别质点质量为未知数的超定方程组,求解超定方程组得到最小二乘解,并通过后续处理得到振动系统的主振质量和激振质量。为验证该方法,进行了相关实验。实验结果表明:主振质量测量的最大误差为6.76%,表明所提出方法具有理论意义和应用价值。     

振动疲劳试验寿命确定方法研究

提出了一种确定振动疲劳试验寿命的方法,首先基于有限元分析获得2A12铝合金简支梁试件的裂纹长度与试件固有频率的关系曲线,借助断裂力学失效准则,计算试件在试验载荷下疲劳失效时的临界裂纹长度,根据临界裂纹长度对应的固有频率能够确定试件疲劳失效时固有频率下降的幅度,从而根据振动疲劳试验固有频率跟踪控制技术确定停机标准,停机时所经历的循环数即为振动疲劳的试验寿命。该方法结合理论与实际,为振动疲劳试验寿命的确定提供了理论依据,统一了试验标准,并且在实际操作试验过程中容易操作,所得的结果安全可靠。     

基于有限元模拟和动态响应的双点点焊接头疲劳损伤分析

利用三维有限元模拟和动态响应试验,对承受拉剪载荷的双点点焊接头在疲劳过程中的固有频率的变化特性,以及固有频率的相对变化与疲劳损伤之间的关系进行研究.研究结果表明,有限元模拟和试验结果符合较好,双点点焊接头动态有限元模拟能较好地反映疲劳过程中的动态响应变化行为.在此基础上,针对双点点焊接头,拟合出疲劳损伤表达式,用于计算试件在疲劳过程中的损伤.     

典型构件疲劳微裂纹全寿命预测方法研究

基于损伤力学理论建立金属疲劳裂纹损伤模型,结合有限元法预估疲劳微裂纹萌生及扩展全寿命。引入附加载荷法,实现了对刚度矩阵的连续计算,应用Matlab编程计算,通过对单个单元的损伤计算,得到了单元从无损到破坏过程中等效应力的变化,进而给出疲劳裂纹损伤模型,并对不同规格金属试件的疲劳寿命预估。将计算结果与试验结果进行对比,得到的相对误差在接受范围内,验证了该模型的准确性,对于研究金属试件微观损伤以及疲劳寿命预估具有重要的参考意义。     

水泵轴用钢疲劳裂纹扩展特性研究

介绍了柔度法疲劳裂纹扩展自动测量系统的研制和结果。该系统适用于频率不高于２５０Ｈｚ的疲劳试验,可以实时地将采集到的载荷位移数据用柔度法转换为裂纹长度,并计算出相应的应力强度因子范围和裂纹扩展速率。利用该系统对水泵轴用钢的疲劳裂纹扩展特性进行了较详细的研究,给出了４２ＣｒＶ和ＩＲ３Ｍｏ的疲劳裂纹扩展速率和门槛值。     

基于图像处理的疲劳裂纹扩展长度在线测量方法

为了在金属疲劳裂纹扩展试验中采用直观、准确、可靠的方法获得高精度裂纹长度尺寸,提出了基于图像处理技术的疲劳裂纹扩展长度在线测量方法。首先,采用大尺寸黑白全帧面阵CCD和微距显微镜头对疲劳裂纹扩展过程中的图像进行采集,分析疲劳裂纹的图像形态特征,采用亚像素边缘定位方法对预制裂纹边缘进行检测,求出疲劳裂纹起点位置。然后,对裂纹扩展区域进行图像子区划分,对图像子区采用基于灰度统计数据的自适应分割方法进行裂纹分割,采用单区域增长算法进行二值化裂纹图像连接得到裂纹主干。最后,进行了系统标定和疲劳裂纹长度在线测量试验。试验结果表明：本方法测量精度高、抗干扰能力强、数据稳定可靠,裂纹长度测量精度为0.03mm,满足裂纹扩展试验国际标准的要求。     

超声疲劳裂纹扩展与摩擦生热研究

在高频循环载荷作用下,材料疲劳裂纹的萌生与扩展过程伴随着明显的温度变化,该温度变化反映材料内部结构的损伤特征。通过20 kHz的超声疲劳试验,研究一种碳锰钢在超高周疲劳加载条件下的内部疲劳裂纹萌生与扩展过程中温度的演化过程。通过对该材料在疲劳损伤过程中,内部裂纹间的摩擦生热机理分析,从微观角度出发,结合分形理论,建立内部裂纹微观结构的摩擦模型,数值模拟超声疲劳过程中材料内部疲劳裂纹面间的摩擦生热情况,并定量地计算该过程中由裂纹间摩擦所导致的温度上升,将模拟结果与试验结果进行比较。探究高频疲劳载荷下微裂纹扩展与摩擦生热的关系,并结合超高周疲劳裂纹扩展公式,建立超声疲劳过程中的裂纹扩展与裂纹面温度演化关系的模型。     

低载强化后汽车结构件疲劳裂纹扩展速度研究

为了从微观上揭示汽车结构件经过低载强化后疲劳强度和疲劳寿命提高的原因和机理,本文利用扫描电镜,对某汽车前轴低载强化前后试样断口的疲劳裂纹扩展速度进行了对比研究。研究结果表明,经过低载强化后的汽车结构件断口试样,其贝纹线的增长趋势减弱,疲劳辉度间距变小。这些微观变化有效地延缓了疲劳裂纹萌生,降低了疲劳裂纹扩展速率,使汽车结构件的疲劳强度和疲劳寿命都得到提高。     

基于声发射技术的金属高频疲劳监测

采用声发射技术监测高频疲劳条件下金属材料裂纹的扩展。介绍了如何运用软硬件处理的方法，从采集到的信号中分离出裂纹扩展的声发射信号。从处理后的声发射信号与观察得到的裂纹扩展对比来看，声发射参数的变化能够有效地反映材料疲劳裂纹扩展的过程，并且能更早地发现试样内部微小裂纹的变化。通过试验，得出了紧凑拉伸试样在裂纹稳定扩展阶段声发射信号能量率与应力强度因子幅值之间的关系式。     

钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命预测研究*

钢丝微动疲劳过程中,钢丝裂纹萌生特性直接影响其裂纹扩展特性,进而制约钢丝微动疲劳寿命,因此开展钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命预测研究具有重要意义。基于有限元法、摩擦学理论和断裂力学理论,运用Smith-Watson-Topper（SWT）多轴疲劳寿命准则建立考虑磨损的钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命预测模型,基于多种不同的钢丝疲劳参数估算方法对钢丝的微动疲劳裂纹萌生寿命进行了预测,并探究接触载荷、疲劳载荷、交叉角度及钢丝直径等微动疲劳参数对钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命的影响规律。结果表明：基于中值法的预测结果最接近实际值;在微动疲劳过程中,钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命主要与接触载荷和疲劳载荷相关。通过引入微动损伤参数建立简化的适用于钢丝绳的钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命预测模型,通过与考虑磨损的预测模型计算结果进行对比验证了该模型的准确性。     

预拉伸变形后X60管线钢疲劳裂纹扩展特性

用单边裂纹试样，研究了X60管线钢经预拉伸变形量为5％、10％和15％后的疲劳裂纹扩展特性。结果表明：随着预拉伸变形量的增加，疲劳裂纹扩展速率提高，尤其是在裂纹扩展的近门槛区。定量分析表明：预拉伸变形降低了疲劳裂纹扩展门槛值，提高了裂纹扩展系数，从而使管线在机械损伤的部位疲劳抗力降低。     

点焊接头疲劳损伤过程中的固有频率变化特性研究

利用有限元模拟和动态响应实验对单点点焊接头的疲劳过程中固有频率变化的特性进行研究.结果表明,三维有限元模拟与实验结果相吻合,能较好地模拟点焊接头在两种疲劳裂纹萌生和扩展的过程中频率的变化情况.并利用所模拟的裂纹长度和固有频率的关系,总结出最适宜对疲劳损伤进行研究的模态阶数.