CN103335902A - 真实管道弯曲疲劳试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种真实管道弯曲疲劳试验系统及方法，其中真实管道弯曲疲劳试验系统包括：提供正弦激励的振动台、固定连接于所述振动台上的三爪卡盘及夹紧于所述三爪卡盘中的真实管道试验件，所述真实管道弯曲疲劳试验系统还包括与所述振动台相连接的控制器、与所述真实管道试验件相连接的以采集真实管道试验件上应变片的应力数据的数据采集器及与所述数据采集器相连接的装有疲劳实验软件的计算机，本发明真实管道弯曲疲劳试验系统结构简单，成本低廉；本发明真实管道弯曲疲劳试验方法增加了疲劳保护的内容，直接针对真实管道进行疲劳试验，结果更为可信，可以为制定真实系统中的管道应力限制值提供重要参考和依据，具有重要的工程实用价值。

Description

真实管道弯曲疲劳试验系统及方法

技术领域

本发明涉及一种真实管道弯曲疲劳试验系统及方法，尤其涉及一种利用振动台激励的真实管道弯曲疲劳试验系统及方法。

背景技术

飞机液压管道的结构完整性是整个飞机、发动机结构完整性和可靠性的重要组成部分。目前，在新机研制过程中，导管断裂及管接头漏油故障十分频繁。由于飞机导管都是承受着交变载荷作用的，过去的研究表明，军用飞机喷气发动机构件的主要失效原因是高周疲劳，疲劳失效占喷气发动机全部构件损伤的49%。研究疲劳所造成的失效规律、提高材料的疲劳强度以避免或延缓疲劳破坏发生的措施，是材料强度的一个重要课题。但是，目前更多的疲劳试验是针对管道材料试验件的疲劳试验，对于真实管道的疲劳强度只能依据几何形状进行修正，而直接针对真实管道的疲劳试验测定研究几乎是空白。

发明内容

本发明提供一种真实管道弯曲疲劳试验系统及方法，其通过直接对真实管道进行疲劳试验，获取了真实管道的疲劳强度极限和S-N曲线。

本发明采用如下技术方案：一种真实管道弯曲疲劳试验系统，其包括：提供正弦激励的振动台、固定连接于所述振动台上的三爪卡盘及夹紧于所述三爪卡盘中的真实管道试验件，所述真实管道弯曲疲劳试验系统还包括与所述振动台相连接的控制器、与所述真实管道试验件相连接的以采集真实管道试验件上应变片的应力数据的数据采集器及与所述数据采集器相连接的装有疲劳实验软件的计算机。

所述真实管道试验件的应力最薄弱处贴有应变片。

所述真实管道试验件的根部贴有应变片。

本发明还采用如下技术方案：一种真实管道弯曲疲劳试验系统的试验方法，其包括如下步骤：

步骤1：将振动台固定在基础平台上；

步骤2：将三爪卡盘连接固定在振动台上；

步骤3：将真实管道试验件在三爪卡盘上夹紧，并将应变片贴在真实管道试验件的根部；

步骤4：利用锤击法进行模态试验，获取真实管道试验件的一阶固有频率；

步骤5：利用控制器发出的控制信号，将激励频率调整到一阶固有频率处，通过振动控制台调节振动幅值使应力达到预定水平下，进行疲劳试验，并用疲劳试验软件进行监控；

步骤6：真实管道试验件开始出现一段裂纹时，管道根部应力下降至预定应力的95%时，装有疲劳试验软件的计算机发出提示声，此时软件停止工作；

步骤7：对真实管道试验件进行模态试验，获取固有频率，如下降了初始固有频率的3%，则统计出真实管道试验件的疲劳循环，进入步骤8，进行下一个管道实验，否则，转入步骤4，调整振动台振幅或频率，使真实管道试验件根部应力保持在预定应力值，继续进行试验；

步骤8：三爪卡盘上重新夹持真实管道试验件，在不同应力值下重复进行疲劳试验：当真实管道试验件在当前应力下振动次数超过10⁷没有断裂时，疲劳试验终止；

步骤9：全部试验完成后,统计出不同应力值下的真实管道试验件的循环次数，获取真实管道的S-N曲线，并拟合出其表达式。

本发明具有如下有益效果：

（1）本发明真实管道弯曲疲劳试验系统结构简单，成本低廉；

（2）本发明真实管道弯曲疲劳试验方法增加了疲劳保护的内容，直接针对真实管道进行疲劳试验，结果更为可信，可以为制定真实系统中的管道应力限制值提供重要参考和依据，具有重要的工程实用价值。

附图说明

图1为本发明真实管道弯曲疲劳试验系统中的真实管道试验件图。

图2为本发明真实管道弯曲疲劳试验系统中三爪卡盘的结构图。

图3为本发明真实管道弯曲疲劳试验系统的疲劳试验原理图。

图4为本发明真实管道弯曲疲劳试验系统测试出的6061铝合金的S-N曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

请参照图1至图3所示，本发明真实管道弯曲疲劳试验系统包括提供正弦激励的振动台、三爪卡盘、振动台与三爪卡盘间的连接件、数据采集器、装有疲劳试验软件的计算机、真实管道试验件，其中真实管道试验件的根部贴有应变片以测取振动应力。

三爪卡盘夹持真实管道试验件，真实管道试验件根部（应力最薄弱处）上贴有应变片。振动台根据其控制器输出信号产生频率、幅值固定的正弦激励力，使振动台的台面产生水平方向的振动，固定在振动台面上的三爪卡盘在基础激励下产生振动。数据采集器采集真实管道试验件上应变片的应力数据，将应变片应力数据转换为电压信号后传输至装有疲劳试验软件的计算机，计算机根据数据采集器输出的应力信号以及真实管道试验件断裂信息，统计出当前应力状态下的应力循环次数，得到应力大小与应力循环次数的关系式并绘出材料S-N曲线。

疲劳试验软件的作用是：采集应力数据、统计真实管道试验件振动次数、进行疲劳保护和应力下降提示。

请参照图1至图3所示，本发明真实管道弯曲疲劳试验系统的试验方法，包括如下步骤：

步骤1：将振动台固定在基础平台上；

步骤2：将三爪卡盘通过连接件固定在振动台上；

步骤3：将真实管道试验件在三爪卡盘上夹紧，此时需要消除因真实管道试验件固定而产生的初始安装应力，在此步骤中，先用一个真实管道试验件进行应力实验至断裂，找出真实管道试验件的应力薄弱处，将应变片贴在应力薄弱处。本发明采用薄壁管，如图1所示。本发明真实管道试验件在根部将产生很大的应力，该处是疲劳裂纹的产生处，也是疲劳断裂处，因此该处也应是电阻应变片的粘贴处；

步骤4：利用锤击法进行模态试验，获取真实管道试验件的一阶固有频率；

步骤5：利用振动台连接的控制器发出的控制信号，将激励频率调整到一阶固有频率处，通过振动控制台调节振动幅值使应力达到预定水平下，进行疲劳试验，并用疲劳试验软件进行监控；

步骤6：真实管道试验件开始出现一段裂纹时，管道根部应力下降至预定应力的95%时，装有疲劳试验软件的计算机发出提示声，此时软件停止工作；

步骤7：对真实管道试验件进行模态试验，获取固有频率，如下降了初始固有频率的3%，则统计出真实管道试验件的疲劳循环，进入步骤8，进行下一个管道实验，否则，转入步骤4，调整振动台振幅或频率，使真实管道试验件根部应力保持在预定应力值，继续进行试验；

步骤8：三爪卡盘上重新夹持真实管道试验件，在不同应力值下重复进行疲劳试验：当真实管道试验件在当前应力下振动次数超过10⁷没有断裂时，疲劳试验终止；

步骤9：全部试验完成后,统计出不同应力值下的真实管道试验件的循环次数，获取真实管道的S-N曲线，并拟合出其表达式。

针对需要测试的测试构件的材料，本发明真实管道试验件需满足以下条件：

a. 真实管道试验件与测试构件材料及性能一致，真实管道试验件的材料牌号、冷热工艺与测试构件一致，以保证疲劳性能的一致。

b. 真实管道试验件设计温度与测试构件温度相等。真实管道试验件的应力分析寿命计算的温度值与测试构件试验温度相等，以保证在此温度下进行试验的真实管道试验件的寿命有较好的可参考性。

c. 真实管道试验件最大应力点应变范围和应变分布影响系数与测试构件相等。这是应变分布影响系数寿命模型的等寿命条件，是真实管道试验件与测试构件寿命一致性的基本保证。

d. 真实管道试验件应力集中部位的几何形状与测试构件相似或相近。目前应变分布影响系数寿命模型，仅考虑了虚拟裂纹主方向（一般是梯度方向最大的方向）上的应变分布影响，而没有考虑其他方向上的应变分布影响。为了减少这种影响，真实管道试验件应力集中部位的几何形状最好与测试构件相近或相似，以保证双向应力分布的相似性。

请参照图4所示，为了估算和评价疲劳强度或疲劳寿命，需要建立一种反映关系将寿命与外载荷联系起来。反映外载荷S与试件寿命N之间关系的曲线叫做应力-寿命曲线，即S-N曲线或维勒曲线。

将试验数据拟合即可得到S-N曲线，将数据转化为半对数坐标可得图4。当应力水平在70MPa和57MPa之间时，试件的疲劳寿命随着应力水平的降低没有显著变化，当应力水平低于57MPa时，试件的疲劳寿命随着应力的降低而显著变化，直到经过了10⁷次振动循环后试件还未发生断裂，材料达到疲劳极限，值为53MPa。 

本发明真实管道弯曲疲劳试验系统结构简单，成本低廉，同时本发明真实管道弯曲疲劳试验方法增加了疲劳保护的内容，直接针对真实管道进行疲劳试验，结果更为可信，可以为制定真实系统中的管道应力限制值提供重要参考和依据，具有重要的工程实用价值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种真实管道弯曲疲劳试验系统，其包括：提供正弦激励的振动台、固定连接于所述振动台上的三爪卡盘及夹紧于所述三爪卡盘中的真实管道试验件，其特征在于：所述真实管道弯曲疲劳试验系统还包括与所述振动台相连接的控制器、与所述真实管道试验件相连接的以采集真实管道试验件上应变片的应力数据的数据采集器及与所述数据采集器相连接的装有疲劳实验软件的计算机。

2.如权利要求1所述的真实管道弯曲疲劳试验系统，其特征在于：所述真实管道试验件的应力最薄弱处贴有应变片。

3.如权利要求2所述的真实管道弯曲疲劳试验系统，其特征在于：所述真实管道试验件的根部贴有应变片。

4.一种如权利要求3所述的真实管道弯曲疲劳试验系统的试验方法，其包括如下步骤：

步骤1：将振动台固定在基础平台上；

步骤2：将三爪卡盘连接固定在振动台上；

步骤3：将真实管道试验件在三爪卡盘上夹紧，并将应变片贴在真实管道试验件的根部；

步骤4：利用锤击法进行模态试验，获取真实管道试验件的一阶固有频率；

步骤5：利用控制器发出的控制信号，将激励频率调整到一阶固有频率处，通过振动控制台调节振动幅值使应力达到预定水平下，进行疲劳试验，并用疲劳试验软件进行监控；

步骤6：真实管道试验件开始出现一段裂纹时，管道根部应力下降至预定应力的95%时，装有疲劳试验软件的计算机发出提示声，此时软件停止工作；

步骤7：对真实管道试验件进行模态试验，获取固有频率，如下降了初始固有频率的3%，则统计出真实管道试验件的疲劳循环，进入步骤8，进行下一个管道实验，否则，转入步骤4，调整振动台振幅或频率，使真实管道试验件根部应力保持在预定应力值，继续进行试验；

步骤8：三爪卡盘上重新夹持真实管道试验件，在不同应力值下重复进行疲劳试验：当真实管道试验件在当前应力下振动次数超过10⁷没有断裂时，疲劳试验终止；

步骤9：全部试验完成后,统计出不同应力值下的真实管道试验件的循环次数，获取真实管道的S-N曲线，并拟合出其表达式。

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