[发明专利]一种基于超声疲劳试样尺寸偏差的应力修正方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于超声疲劳试样尺寸偏差的应力修正方法及系统，包括：将待检测试样安装在超声疲劳试验机上；根据试验机的振动频率范围，检测试样能否起振；若不能，则重新加工试样；反之，则根据试样的实际尺寸参数，利用预设解析公式或谐响应分析模型，计算对应的谐振频率理论值，并根据谐振频率理论值所在的范围，选择对应的应力幅值计算方法，计算得到实际应力幅值；将试样的实际应力幅值与理论值的比值作为修正系数，根据修正系数对试样的预设应力幅值进行校正。其能够无需因试样尺寸偏差重新批量加工试样。且可以得到更为精确和更为安全的超高周S/N曲线，避免了因应力不准，疲劳寿命被高估所带来的危险结果。

技术领域

本发明涉及金属材料超声疲劳性能测试技术领域，尤其涉及一种基于超声疲劳试样尺寸偏差的应力修正方法及系统。

背景技术

随着现代工业的发展，一些应用在关键零部件上的高强度钢，或受高频低载作用的结构用钢，例如桥索钢、高铁重轨用钢、航空航天叶片用钢等，其实际使用寿命要求高达10⁸～10¹⁰周次。大量的试验结果和工程案例已经证实许多工程用钢及合金材料结构在10⁷次应力循环后仍会发生疲劳断裂，现有的以10⁷次为极限的疲劳强度评价方法已不在适用。

而超声疲劳试验是一种测试材料疲劳性能的新技术，其工作频率可以达到2.0×10⁴Hz，测试一根寿命为10⁹的试样，仅需一天左右即可完成。超声疲劳试验技术是研究金属材料超高周疲劳性能的有效手段。超声疲劳试验原理主要是采用超声发生器产生2.0×10⁴Hz的电信号，压电陶瓷换能器将电信号转换成相同频率的机械振动，经位移放大器放大后传递至试样，在试样中产生谐振波，使试样获得频率为2.0×10⁴Hz按正弦波变化的轴向位移和应力，如图2所示。其中a为试样轴向应力分布；b为试样轴向位移分布。

现有技术中常规疲劳由于频率较低，试验过程中光滑试样应力的理论值直接按照准静态拉伸来计算，即用外加载荷除以试样的最小横截面积。与常规疲劳不同的是，超声疲劳试验由于频率极高，并且试验系统采用的是位移控制模式，其应力幅值理论值通过对位移幅函数求导得到，而位移幅函数则是根据试样谐振时的纵向波动方程求解得到。因此，超声疲劳试样的应力幅值与试样尺寸、弹性模量、密度、振动频率、自由端部位移等参数相关。其中，在进行超声疲劳试验前，需要根据试样的几何尺寸理论公式来设计满足试验谐振频率的试样尺寸，再根据设计的尺寸加工试样。加工过程中，试样的实际尺寸因为加工误差等原因，与设计尺寸可能存在较大偏差。尺寸的较大偏差将导致试样的实际谐振频率值与目标值2.0×10⁴Hz产生偏差，试样的实际应力幅值与设定目标值也会相应地产生偏差，从而导致超高周疲劳测试结果不准确，特别地，如果试样的实际应力幅值低于设定值，得到的疲劳寿命将被高估，测试结果用于工程设计将会带来危险的后果。

另外，对于一些相对较轻的金属材料，例如铝合金，其试样尺寸偏差较大时，试样本身的谐振频率可能已经不在1.95×10⁴Hz～2.05×10⁴Hz(超声疲劳试验机的振动频率区间)范围内，但是由于试样质量相对很小，试验系统的整体谐振频率对试样尺寸偏差并不敏感，试样安装到位移放大器上之后，依然可以在2.00×10⁴Hz频率附近起振，此时试样的振动严格意义上讲已经不能称为谐振，而是在位移放大器振动作用下所带动的受迫振动，此时试样的真实应力幅值与设定值实际上也会存在偏差。由此，需要一种基于超声疲劳试样尺寸偏差的应力修正方法及系统进行修正。

发明内容

本申请实施例通过提供一种基于超声疲劳试样尺寸偏差的应力修正方法及系统，至少部分解决了现有技术中试样因尺寸和材质的偏差，导致疲劳寿命将被高估的技术问题，实现了对已经加工好的超声疲劳试样应力幅值进行修正，且无需因试样尺寸偏差重新批量加工试样的技术效果。

第一方面，为解决上述技术问题，本发明的实施例提供了如下技术方案：