[发明专利]轻量化高强度复合材料应力共振疲劳试验方法及试验系统

说明书

本发明涉及轻量化高强度复合材料应力共振疲劳试验方法及试验系统，属于复合材料共振疲劳试验技术领域，解决了现有技术中基于静力学的响应分析对结构在动态激励下产生响应造成的疲劳损伤难以得到较为准确的结论，并且没有针对轻量化高强度复合材料及结构的共振疲劳试验方法及试验系统的问题。试验方法包括如下步骤：施加配重，调整共振频率；设置随机振动频率范围以及需要记录的参数；设置加速度均方根值，按照振动应力量级逐步增加的方式进行试验，拟合疲劳寿命曲线。试验系统包括振动试验台、数据采集和显示记录系统、共振疲劳试验控制系统和感应部件。本发明对进一步拓展到C/SiC以及其他复合材料结构共振疲劳试验具有重要的指导意义。

技术领域

本发明涉及复合材料共振疲劳试验技术领域，尤其涉及一种轻量化高强度复合材料应力共振疲劳试验方法及试验系统。

背景技术

一直以来，振动带来的疲劳损伤是导致航空、航天、交通等设备结构、机械失效的重要原因之一。产品结构在使用过程中不可避免会受到各种振动载荷，但是很多情况下振动载荷对结构疲劳的影响容易被忽略，由此造成了很多故障和事故，损失巨大；尤其当外部激励频率分布在工程结构的固有频率附近时，因结构共振引发的巨大响应更容易引起结构失效。

以往评估计算疲劳损伤值、寿命值主要是从静力学角度出发，分析结构受到外部激励产生的响应。然而，结构在使用过程中，会受到各种动态激励，此时结构响应需从动力学出发展开分析，尤其是当激励频率与结构固有频率接近或重合时，结构发生共振造成响应幅值激增，基于静力学的响应分析不再适用，使用以往的S-N曲线分析结构在动态激励下产生响应造成的疲劳损伤难以得到较为准确的结论。

同时，在实际工程中共振疲劳试验、分析技术研究的主要对象是金属材料和结构，方法相对成熟。但是对于复合材料及结构的共振疲劳试验及分析方法研究非常少，特别是对于目前在军用装备及民用产品结构中应用日益广泛的新型轻量化、高强度、高刚度复合材料(比如C/SiC)，更是鲜有涉及。而复合材料由于材料特性、加工工艺方式等与金属差异较大，导致材料均匀性、对于所受应力的响应特性、破坏机理和形式等与金属完全不同，用于金属的试验方法(主要是恒定应力)不能满足复合材料共振疲劳试验的需求。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种轻量化高强度复合材料应力共振疲劳试验方法及试验系统，至少能够解决以下技术问题之一：(1)基于静力学的响应分析对结构在动态激励下产生响应造成的疲劳损伤难以得到较为准确的结论；(2)没有针对轻量化高强度复合材料及结构的共振疲劳试验方法及试验系统。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种轻量化高强度复合材料应力共振疲劳试验方法，包括以下步骤：

步骤S101：在试验件上施加配重，调整试验件共振频率；

步骤S102：在共振疲劳试验控制系统中设置共振疲劳试验随机振动频率范围以及需要记录的参数；

步骤S103：在共振疲劳试验控制系统中设置加速度均方根值，按照振动应力量级逐步增加的方式，进行步进振动应力共振疲劳试验，通过感应部件获得试验过程中不同振动应力对应的试验数据；

步骤S104：根据试验数据，拟合材料共振疲劳寿命曲线。

在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：

进一步，所述步骤S103中，应力量级逐步增加的方式是指试验过程中，施加的加速度均方根值逐渐增加。

进一步，施加的加速度均方根值规定初始量级为10％-20％，之后每增加一个量级，均方根值增加5％-15％。

进一步，步骤S103具体包括如下步骤：

步骤a：设置加速度均方根值为初始量级，开始随机振动，持续振动一定时间；