[发明专利]一种轴向振动疲劳试样的设计方法

说明书

本发明是一种轴向振动疲劳试样的设计方法，该方法根据轴向振动疲劳试样工作段截面直径的解析公式，得到试样工作段的几何尺寸，以确保试样工作段内应力均匀分布；试样两端增加螺纹设计，其中一端与配重体相连接，以实现载荷的微调；采用振动疲劳试验机对试样进行扫频，以确定试样的固有频率。本发明设计的试样，能够保证在轴向高频振动疲劳载荷条件下，试样工作段内应力均匀分布，丰富了振动疲劳试验的试样类型，提高了试验数据测试的准确性，为金属材料的轴向振动疲劳性能研究奠定了基础。

技术领域

本发明是一种轴向振动疲劳试样的设计方法，属于金属材料振动疲劳性能、试验测试领域。

背景技术

疲劳失效是结构件在承受循环交变载荷作用下主要的失效形式，如叶片、轮盘、轴、齿轮等以及飞机、车辆、管道、压力容器等构件的主要失效形式都是疲劳破坏。针对工程材料开展疲劳性能测试，获取特定应力水平下的疲劳破坏寿命，对于工程结构件的设计和寿命预测具有非常重要的意义。目前关于疲劳试样的设计，主要由疲劳试验的方法、实验条件等因素决定。在疲劳试验中，等截面圆柱状(包括带切槽的缺口试样)、变截面漏斗形试样以及矩形薄板等试样得到广泛应用。变截面漏斗形试样可以使试样中部产生最大应力，加速实验进程，但在超高周循环下，试样的疲劳断裂更易从试件内部缺陷处开始，尽管有些夹杂、缩孔等缺陷不在试样中间最大应力处，疲劳破坏仍会从这些缺陷处启裂。等截面圆柱状试样或矩形薄板试样中间工作段具有最大的应力分布，进而保证了疲劳断裂发生在最大应力段。但对于位移加载的高频疲劳，工作段等截面的试样应力分布也并不是完全一致的。这造成了试样的应力表征具有较大的偏差，即获得的疲劳寿命并不是在所试验的名义应力下的。对位移加载的高频疲劳试样保证其内部的应力分布均匀，目前国内尚未有相关的报道和研究。

国内外针对材料的高频疲劳试验试样设计开展了一些工作，其设计方法均采用位移幅微分方程、悬链线方程及边界条件设计疲劳试样；以上超声疲劳试样的设计方法均未将试样截面内应力的均匀分布作为限定条件，因此所获得的试样应力分布是自由的，随截面位置变化的，这对准确表征试验应力下的疲劳寿命有很大影响。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术状况而设计提供了一种轴向振动疲劳试样的设计方法，其目的是解决轴向高频振动疲劳加载条件下，加载应力与试样工作段内受载应力不一致的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种轴向振动疲劳试样的设计方法中所述的该轴向振动疲劳试样的中间工作段1呈“鼓”形，长度设定为2L，中间工作段1的两端处为该轴向振动疲劳试样的最小截面处，设定直径为D，中间工作段1的两端通过呈弧形的过渡段Ⅱ2与呈圆柱形的过渡段Ⅰ3连接，过渡段Ⅱ2与过渡段Ⅰ3的连接处为该轴向振动疲劳试样的最大截面处，设定直径为D1，过渡段Ⅱ2、过渡段Ⅰ3的长度设定为L2、L1，在该轴向振动疲劳试样一端的过渡段Ⅰ3的顶部设置有含螺纹的夹持端(4)，夹持端4的直径设定为2a，在该轴向振动疲劳试样另一端的过渡段Ⅰ3的顶部设置有含螺纹的配重端5，配重端5的直径设定为2b；可以将配重体直接与配重端5连接，从而实现试样该端的自由振动以及加载载荷的微调；

该轴向振动疲劳试样的设计时，按以下公式1计算中间工作段1的横截面直径d(x)：

式中，(E_d为金属材料的动态弹性模量，ρ为金属材料的密度，f为试样的固有频率，根据试验机的试验频率，选择适当的取值)，通过调节横坐标x(0≤x≤L)来计算工作段横截面直径的变化，进而确定工作段的尺寸和形状；

该固有频率为人为选择的具体数值，比如针对超声疲劳，其疲劳试验机的试验频率为20kHz，则在设计试样时，试样的固有频率必须选择20kHz，设计后的试样，必须满足实际频率在20kHz左右，本试样针对的疲劳试验机试验频率范围较大，因此可选择范围也比较大，需要设计人根据试验机的状态选择合适的固有频率值。