（材料加工工程专业论文）双周疲劳载荷下焊接接头的疲劳行为.pdf

摘要 传统的疲劳极限定义为1 07 周次，使用常规疲劳试验技术可以满足要求。但 是随着现代工业技术的发展，许多工业部门( 目前对焊接接头和结构所进行的疲 劳设计与评定均是建立在单周疲劳载荷试验的数据基础上) 。事实上一些重要焊 接工程结构，如飞机、核反应堆、水轮机、汽车、燃气轮机以及涡轮发动机等， 在承受低频高幅的交变载荷过程中，还不时地发生不同程度的高频低幅振动。这 些振动频率可达数千赫兹，循环数常常可达10 8 _ 10 9 次。现有规范在估算实际工 程结构疲劳寿命时经常不考虑高频振动的有害作用，仅将高频分量叠加在主交变 载荷上，按单周化处理或干脆将其彻底忽略。如果这种振动仅仅是依附于平均载 荷之上，由于其振幅较小，对结构产生的破坏相对较轻。然而如果是叠加在低频 率循环载荷之上，它对材料所造成的复合损伤将大大地加速工程结构尤其是焊接 结构的损坏和失效，严重地威胁到整个设备或结构的安全可靠性和使用寿命。 在双周疲劳试验中，疲劳试件必须满足谐振条件，所以试件通常设计为狗骨 形，这样不仅使试件获得很大的应力放大系数，还使其中部产生最大应力。本文 中对双周疲劳试件的设计，主要有共振长度的设计及不同几何外形试件的位移、 应力分布情况。 使用带超声频载荷分量的双周实验装置分别进行了16 m n 焊接接头在纯低 周( l c f ) 、纯高周( h c f ) 以及双周循环( c c f ) j i 载条件下的疲劳试验，研究了焊接 接头在双周疲劳载荷作用下的疲劳性能。研究发现，焊接接头的双周疲劳性能低 于纯低周而高于纯高周。叠加于大幅低周载荷上的小幅高周载荷及叠加于大幅高 周载荷上的小幅低周载荷都显著降低焊接接头的疲劳强度。随着高低周振幅比的 增大，疲劳强度也迅速降低。模拟含高值焊接残余应力的焊接接头双周疲劳试验 结果表明，高周分量载荷相对高的情况下，焊接残余应力显著降低焊接接头的疲 劳性能。 关键词：双周疲劳s n 曲线焊接接头疲劳性能高周疲劳 a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a ld e f i n i t i o no ff a t i g u el i m i tf o r 10 7 c y c l e s ，a n dt h eu s e o f c o n v e n t i o n a lt e c h n o l o g yt om e e tt h er e q u i r e m e n t so ff a t i g u et e s t 。h o w e v e r ，w i t h m o d e mi n d u s t r i a la n dt e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n t 。m a n yo ft h ei n d u s t r i a ls e c t o r ( t h e c u n e ms t r u c t u r eo fw e l d e di o i n t sa n dt h ef a t i g u ed e s i g na n de v a l u a t i o na r eb a s e d o n l o w c y c l ef a t i g u el o a dt e s to nt h eb a s i so ft h ed a t a ) i nf a c ta n u m b e ro fi m p o r t a n t s t r u c t u r a lw e l d i n gw o r k s s u c ha sa i r c r a f t ，n u c l e a rr e a c t o r s ，t u r b i n e ，a u t o m o t i v e ，g a s t u r b i n ee n g i n e sa n dt u r b i n e s ，a n ds oo n ，t ob e a ri nt h eh i g hr a t eo fl o w f r e q u e n c y a l t e m a t i n gl o a dp r o c e s s ，f r o mt i m et o t i m ei nv a r y i n gd e g r e e st ot h el o wr a t eo f h i g h f r e q u e n c yv i b r a t i o n e x i s t i n gn o r m s i nt h ep r o j e c te s t i m a t et h ea c t u a ls t r u c t u r eo f f a t i g u el i f e ，o f t e nd on o tc o n s i d e rt h eh a r m f u le f f e c t so fh i g h - f r e q u e n c yv i b r a t i o n ，t h e o n l yh i g h f r e q u e n c yc o m p o n e n t si nt h em a i ns t a c k i n ga l t e r n a t i n gl o a d ，a c c o r d i n gt o s i n g l e c y c l et r e a t m e n t ，o rs i m p l yb ec o m p l e t e l yi g n o r e d i ft h ev i b r a t i o n i so n l y d e p e n d e n to nt h el o a do nt h ea v e r a g e ，b e c a u s eo fi t ss m a l l e ra m p l i t u d eo ft h es t r u c t u r e o ft h er e l a t i v e l ym i n o rd a m a g e i f , h o w e v e r ，i ss u p e r i m p o s e do nl o w f r e q u e n c yl o a d o nt h ec y c l e ，a n di t sm a t e r i a li n j u r yc a u s e db yt h ec o m p l e xw i l lg r e a t l ys p e e du pt h e p r o j e c ts t r u c t u r ei np a r t i c u l a r ，w e l d e ds t r u c t u r ed a m a g ea n d f a i l u r e ，as e r i o u st h r e a tt o t h ee n t i r es t r u c t u r eo f t h ee q u i p m e n to rt h eu s eo fr e l i a b i l i t ya n ds a f e t yl i f e s i n c ep e r f o r m i n ge x p e r i m e n t so ft h eu l t r a - h i g h c y c l er e g i m ei nt h er a n g eo f 10 910 oc y c l e su s i n gac o n v e n t i o n a lf a t i g u et e s t i n gm e t h o di sv e r yt i m ec o n s u m i n g a n de x p e n s i v e ，s ow es t u d i e da n dd e v e l o p e dt h eu l t r a s o n i cf a t i g u et e s t i n gs y s t e mt o a c c e l e r a t ef a t i g u et e s t i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h eu l t r a s o n i cf a t i g u et e s t i n gs y s t e m ，t h e f a t i g u eb e h a v i o ro f16 m ni n c l u d i n gs m o o t ha n dw e l d i n gj o i n ts p e c i m e nw a s s t u d i e d ， a n dt h ef r a c t u r es u r f a c eo ff a t i g u es p e c i m e nw a se x a m i n e db ys c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p y ( s e m ) s p e c i m e nd e s i g n i s c r i t i c a lf o r o p t i m u m u l t r a s o n i c f a t i g u e t e s t i n g ， d o g b o n e s h a p e ds p e c i m e n i su s u a l l yd e s i g n e di nu l t r a s o n i cf a t i g u et e s t i n g a n a n a l y s i sw a sc a r r i e do u tt o c a l c u l a t et h er e s o n a n c el e n g t h ，s t r a i na n dd i s p l a c e m e n t a l o n gt h el e n g t ho ff a t i g u es p e c i m e nw i t hd i f f e r e n tg e o m e t r i e sa n d f o rv a r i o u s r e s o n a n tf r e q u e n c i e s f a t i g u et e s to f16 m ns t e e lw e l d e dj o i n t sh a sb e e nc a r r i e do u tu n d e rl o wc y c l e f a t i g u e ( l c f ) ，h i g hc y c l ef a t i g u e ( h c f ) a n dc o m b i n e dc y c l ef a t i g u e ( c c f ) r e s p e c t i v e l y ， i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ef a t i g u ep r o p e r t i e so fw e l d e dj o i n t sb e i n gs u b j e c t e dt oc c f l o a d i n g t h es t r e s sr a t i ow a s 0 5a n dt h er a t i oo fh c f c y c l e st ol c fc y c l e sw a sa b o u t 2 6 0 ：1 t h el o a d i n gf r e q u e n c yo fh c fw a sa b o u t2 0 k h za n dp e r f o r m e db ya n u l t r a s o n i cf a t i g u et e s t i n gs y s t e m t h er e s u l t si n d i c a t et h a tf a t i g u es t r e n g t ho fw e l d e d j o i n t sh a sb e e nd e c r e a s e df u r t h e ru n d e rc c f h c fi sd e t r i m e n t a lt of a t i g u el i f eo f w e l d e dj o i n t su n d e rc c fl o a d i n g w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h er a t i oo fh c f l o a d i n gt o l c fl o a d i n g ，f a t i g u el i f eo fw e l d e di o i n t sb e c o m e ss h o r t e r k e yw o r d s ：c o m b i n e dc y c l ef a t i g u e ，s - n c u r v e ，w e l d i n gj o i n t ，f a t i g u e p r o p e r t i e s ，h i g h c y c l ef a t i g u e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：砂孵签字日期：1 矽7 年口6 月3 日一 一 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫姿态鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明上一 学位论文作者签名： 哥翩签名：万枷 签字日期：慨年矿6 月。珀签字日期：硼年歹月，日 第一章绪论 1 1 疲劳概述 第一章绪论 疲劳破坏是工程结构和机械失效的主要原因之一，引起疲劳失效的循环载荷 峰值往往远远小于根据静态断裂分析估算出来的“安全”载荷，特别是在超高周 期或是双周的情况下，因此结构疲劳研究有着重要的意义。 1 1 1 疲劳定义及分类 疲劳一词的英文是f a t i g u e ，意思是“劳累、疲倦”。作为专业术语，用来表 达材料在循环载荷作用下的损伤和破坏。国际标准( i s o ) 在1 9 6 4 年发表的报告金 属疲劳试验的一般原理中对疲劳所做的定义是“金属材料在应力或应变的反复 作用下所发生的性能变化叫疲劳；虽然一般情况下，这个术语特指那些导致开裂 或破坏的性能变化。 对疲劳可以从不同的角度进行分类。从宏观上看，在循环应力水平较高时候， 塑性应变起着主导作用，此时试件的疲劳寿命一般较短，称为低周疲劳( l o w c y c l ef a t i g u e ，l c f ) ；在循环应力水平较低时候，弹性应变起主导作用，此时试件 的疲劳寿命比较长，称为高周疲劳( h i g hc y c l ef a t i g u e ，h c f ) ；现在各种动力机械 的构件在服役期实际承受的疲劳循环次数已高于1 07 ，循环应力水平更低，弹性 变形对破坏的作用更大，试件的寿命更长，称为超高周疲劳，u l t r a h i g hc y c l e f a t i g u e ( u h c f ) ，亦称之为v e r yh i g hc y c l ef a t i g u e ( v i - i c f ) 或u l t r a l o n gl i f e f a t i g u e 或g i g a - c y c l e 。 1 - 3 低周疲劳( 载荷循环次数低于1 0 4 1 0 5 ) 中应力和应变成非线性关系，表征材 料低周疲劳性能的有应变一寿命( e - n ) 曲线和循环应力一应变曲线，疲劳试验过程 中通过应变幅来控制，故低周疲劳又称应变疲劳；高周疲劳( 疲劳破坏的循环次 数高于1 0 ) 中作用于试件的应力水平低于材料的屈服强度，应力和应变呈线性关 系，表征材料高周疲劳性能的是应力一寿命曲线( s - n 曲线) 。高周疲劳试验通过应 力幅来控制，故高周疲劳又称应力疲劳。在超高周疲劳( 疲劳破坏的循环次数大 于1 07 ) 范围内，循环应力幅远低于材料的屈服强度。传统疲劳研究认为材料在1 0 7 周次以后存在一个疲劳极限，构件载荷应力幅低于该疲劳极限，材料有无限寿命。 现在已有许多研究成果显示材料在1 07 周次以上仍然发生疲劳断裂。由于工程结 第一章绪论 构受力较复杂，高低周疲劳会叠加在一起对结构起作用。故基于单周疲劳试验不 能很好很准确的模拟实际情况，所以我们引进了双周疲劳。 1 1 2 疲劳寿命 ， 疲劳寿命是指结构或者机械直至破坏所作用的循环载荷的次数或时间。 从疲劳损伤发展过程看，有二阶段疲劳寿命模型、三阶段疲劳寿命模型和多 阶段疲劳寿命模型。二阶段模型将疲劳寿命分为裂纹形成和裂纹扩展；三阶段模 型认为疲劳损伤由无裂纹、小裂纹和大裂纹三个阶段组成；多阶段模型将小裂纹 阶段细分三个阶段：微观小裂纹，物理小裂纹和结构小裂纹。从设计准则看又分 安全寿命、经济寿命、可靠性寿命、使用寿命、设计寿命、剩余寿命等。 按照疲劳机理可以将影响疲劳寿命的因素分为三个：影响局部应力应变大小 的因素，如载荷特性( 应力状态、循环特性、残余应力等) 、零件的几何形状等。 1 2 双周疲劳问题的提出 传统的疲劳极限定义为l o 调次，使用常规疲劳试验技术可以满足要求。但 是随着现代工业技术的发展，许多工业部门( 目前对焊接接头和结构所进行的疲 劳设计与评定均是建立在单周疲劳载荷试验的数据基础上。事实上一些重要焊接 工程结构，如飞机、核反应堆、水轮机、汽车、燃气轮机以及涡轮发动机等，在 承受低频高幅的交变载荷过程中，还不时地发生不同程度的高频低幅振动。这些 振动频率可达数千赫兹，循环数常常可达1 0 8 1 0 9 次【】。现有规范在估算实际工 程结构疲劳寿命时经常不考虑高频振动的有害作用，仅将高频分量叠加在主交变 载荷上，按外包络线进行合成即单周化处理或干脆将其彻底忽略。如果这种振动 仅仅是依附于平均载荷之上，由于其振幅较小，对结构产生的破坏相对较轻。然 而如果是叠加在低频率循环载荷之上，它对材料所造成的复合损伤将大大地加速 工程结构尤其是焊接结构的损坏和失效，严重地威胁到整个设备或结构的安全可 靠性和使用寿命。 1 3 双周疲劳问题的研究 1 3 1 双周疲劳技术 自十九世纪中期w o h l e r 报道疲劳试验结果以来，疲劳试验的研究已经有1 5 0 年，但是高频试验机的发展却进行的相当缓慢。在2 0 世纪初以前，使用机械驱动 2 第一章绪论 的试验机能达到的最高循环载荷频率只有3 3 h z 。1 9 1 1 年，h o p k i n s o n 发明了可进 行1 1 6 k h z 试验频率的电动共振疲劳系统。j e n k i n 在1 9 2 5 年用同样的技术实现了 2 k h z 频率的疲劳试验。 高周疲劳试验技术的最重要标志是1 9 5 0 年m a n s o n f l 3 j 的试验机，其原理是现代 高周疲劳试验技术的基础。1 9 5 9 年，n e p p i r a s 首次将高周疲劳试验技术用于材料 疲劳的s - n 曲线的测定。1 9 7 3 年，m i t s c h e 等率先将这一技术用于测量疲劳裂纹扩 展。由于这一试验技术对航空航天另部件的实际工作承载状态有较好的模拟，便 于研究其机械损伤，近年来各航空大国( 美、法等) 争相投入较大的人力，物力， 财力进行全面研究，研究领域逐渐拓宽，其研究包括各种加载形式 1 4 , 1 5 1 及环境条 件下【1 6 , 1 7 1 - f 程材料的超高周次疲劳寿命、裂纹扩展试验，研究的材料包括各航空 航天、汽车、火车海洋工程等工业部门中关键结构中用到的钢、铝、钛等。 而双周疲劳就是在随着双周疲劳快速发展，而现有规范在估算实际工程结构 疲劳寿命时经常不考虑高频振动的有害作用，仅将高频分量叠加在主交变载荷 上，按外包络线进行合成即单周化处理或干脆将其彻底忽略而提出。如果是叠加 在低频率循环载荷之上，它对材料所造成的复合损伤将大大地加速工程结构尤其 是焊接结构的损坏和失效，严重地威胁到整个设备或结构的安全可靠性和使用寿 命。这样双周疲劳就可以更实际的模拟工程结构实际疲劳情况。 欧美发达国家在研究某些重要构件如水轮机叶片、航空涡轮发动机的疲劳问 题时，十分重视高频振动载荷的影响，已经开展了不少研究工作川。而我国疲 劳研究领域仍然普遍应用常规疲劳试验技术来研究模拟实际工程构件的机械损 伤和断裂机理。所谓的高周疲劳试验机一般均基于电磁激振方式，最大工作频率 也仅局限于1 0 0 2 0 0 h z 左右，如涡轮发动机等实际工程焊接结构所承受的高频振 动载荷频率相差甚远。这不仅不能很好地模拟这些工程构件实际承受载荷情况， 而且完成整个寿命周期的疲劳试验所需时间过长，甚至是无法实现。因此，为了 方便地开展考虑高频振动载荷影响的双周复合疲劳理论研究，需要引入试验新手 段。近年来功率双周技术正迅速应用于超高周疲劳研究领域。国外正利用双周技 术和电液伺服疲劳试验系统相结合来研究双周疲劳问题1 4 j 。 作为新兴的材料疲劳性能研究试验技术，双周劳试验技术既有其优点也有其 缺点。 主要优点有：( 1 ) 最大程度模拟实际工程结构的疲劳情况。( 2 ) 节省能量。 由于试件的加载方式为谐振，并且加载的试件相对来说很短，因此所要的能量较 爿、。 主要缺点有：( 1 ) 试件的几何外形要求严格。在双周振动系统中，试件与双 周变幅杆起共振，两者具有相同的谐振频率，因此试件的尺寸设计必须满足特 第一章绪论 定的要求。( 2 ) 试件在试验过程中温度升高。在超高频率、低振幅交变载荷的循 环加载下会导致试件的温度升高，特别是应力最大处( 对应试件的中部) 。 ( 3 ) 无法测量低周次的疲劳寿命。试件开始共振后要1 5 0 次循环振幅才能达到最大， 而在双周疲劳试验中，短时间内试件的循环周次已经很高，所以不能进行低周次 疲劳试验。( 4 ) 应力水平无法直接测得，需要通过应变测量来换算。 珊在，欧美发达国家在研究某些重要构件如水轮机叶片、航空涡轮发动机的 疲劳问题时，十分重视高频振动载荷的影响，已经开展了不少研究工作。 1 3 2 双周疲劳加载方式 在实际中一些重要焊接工程结构，如飞机、核反应堆、水轮机、汽车、燃气 轮机以及涡轮发动机等，在承受低频高幅的交变载荷过程中，还不时地发生不同 程度的高频低幅振动。这些振动频率可达数千赫兹，循环数常常可达1 0 p 1 0 9 次 1 1 3 j 。为了更准确的反映工程构件的实际情况，我们通过双周疲劳不同的加载方 式来实现模拟实际情况。 典型的双周疲劳加载方式如下曲线见图1 - 1 。 1 3 3 影响材料双高周疲劳行为的因素 影响材料疲劳行为的因素很多，包括材料的组织结构、加载频率、加载方式、 环境影响、载荷特征、表面状况和温度等等，以及各因素之间的交互作用，这里 只作简单介绍，在第5 章将做详细分析。 ( 1 ) 组织结构对材料疲劳性能的影响。大量的常规疲劳试验表明1 25 | ，热处理 对金属材料低周和高周的疲劳性能有较明显的影响，如细化晶粒可以提高材料的 疲劳强度。束德林f 2 5 】对结构钢的低周、高周疲劳试验研究表明，热处理组织也将 影响其疲劳强度。 ( 2 ) 频率的影响。双周疲劳实验技术是一种快速的疲劳试验方法，其试验 频率很大，变形速率也很大。如果频率有影响则双周试验数据就不能直接作为低 频载荷作用下疲劳强度设计的依据。 ( 3 ) 高低周比率以及应力比，应力范围对材料疲劳性能的影响 ( 4 ) 材料缺口应力集中对材料超高周疲劳性能的影响。参考文献【27 】对4 0 c r 钢 和5 0 钢光滑试样和缺口试样在1 0 5 1 0 周次范围内疲劳性能的对比研究结果显 示，缺口应力集中对材料疲劳性能的影响呈现“阶段性特征。 4 第一章绪论 观e 三三三三三三二二二二兰：二：二；t r 7 _r 1 i _ _ - j 1 i f ln ，n o l i ! i l 二_ 一i 0 l ；蚶! 二n i 鼻# 鼻44 如 0i u lv vvl 川1 川；川1 川一 j l 二二l 山vv uf ” 小幅低周戴荷叠加于高周丈戴荷之上 ( b ) 小幅高月羲荷叠加于低周太戴荷之上 图卜1 症劳载荷加载方式 1 4 材料双周疲劳断裂问题的研究现状 有关材料在1 0 7 循环周次以上疲劳性能的研究工作是n a i t o i l 2 8 1 在二十世纪八 十年代才开始的。e 叫r a 和a s 锄i 1 2 嘲回火和渗碳钢的疲劳性能研究显示，s - n r 撇业j 三每眦享；葺亨聋三耋蓦 m “洲 膏 毪 第一章绪论 线呈现两个转折，试件在1 0 7 循环周次以上( 即使疲劳循环高达1 0 9 周) 依然断裂。 之后几十年中，大量的有关超高周疲劳性能的研究成果出现1 3 0 - 3 2 j 。 现在对于双周疲劳的研究主要集中在超长寿命下疲劳s n 曲线及相应的疲劳 断口分析上，且疲劳试验载荷多位对称载荷( r = - i ) ，光滑试件为主。而现在许 多工程构件( 水轮机叶片、近海结构等) 都是由焊接结构组成，且这些结构的零 部件大都经受超高周、低应力循环载荷，加上焊接结构本身抗疲劳性能很差，容 易发生疲劳断裂，造成巨大损伤。事实上一些重要焊接工程结构，如飞机、核反 应堆、水轮机、汽车、燃气轮机以及涡轮发动机等，在承受低频高幅的交变载荷 过程中，还不时地发生不同程度的高频低幅振动。这些振动频率可达数千赫兹， 循环数常常可达1 0 8 1 0 9 次。现有规范在估算实际工程结构疲劳寿命时经常不考 虑高频振动的有害作用，仅将高频分量叠加在主交变载荷上，按外包络线进行合 成即单周化处理或干脆将其彻底忽略。如果这种振动仅仅是依附于平均载荷之 上，由于其振幅较小，对结构产生的破坏相对较轻。然而如果是叠加在低频率循 环载荷之上，它对材料所造成的复合损伤将大大地加速工程结构尤其是焊接结构 的损坏和失效，严重地威胁到整个设备或结构的安全可靠性和使用寿命。 欧美发达国家在研究某些重要构件如水轮机叶片、航空涡轮发动机的疲劳问 题时，十分重视高频振动载荷的影响，已经开展了不少研究工作【7 1 。而我国疲 劳研究领域仍然普遍应用常规疲劳试验技术来研究模拟实际工程构件的机械损 伤和断裂机理。现在世界范围内还没有大学或研究机构开展焊接接头试件的双周 疲劳试验，而这是材料疲劳性能研究领域一个很重要的方向，天津大学已经有步 骤的开展了这方面的试验并取得一定的成果。 1 5 本文研究目的和内容 本文通过课题组自主开发的双周疲劳试验系统进行16 m n 双周疲劳试验，在 纯低周( l c f ) 、纯高周( h c f ) 以及双周循环( c c f ) 力n 载条件下的疲劳试验，研究了 焊接接头在双周疲劳载荷作用下的疲劳性能，画出疲劳s n 曲线，探索1 6 m n 在 双周疲劳寿命情况下的s n 曲线，对各种条件下的s n 曲线进行对比，分析高 低周载荷对寿命的影响。为此，主要做了以下几方面的工作： ( 1 ) 介绍了双周疲劳试验系统的组成部分及工作原理。 ( 2 ) 设计共振频率为2 0 k h z 的双周疲劳试件，要求试件与变幅杆能够一起共 振：分析影响试件双周振动特性的因素。 ( 3 ) 室温条件在纯低周( l c f ) 、纯高周( h c f ) 以及双周循环( c c f ) 加载条件下 的疲劳试验，研究焊接接头在双周疲劳载荷作用下的疲劳性能，画出疲劳s - n 曲 6 第一章绪论 线，分析高低周载荷对寿命的影响。 ( 4 ) 对试验结果分析总结。 第二章双周疲劳试验系统及工作原理 第二章双周疲劳试验系统及工作原理 目前双周疲劳试验方法的工作，无论试验机还是试验规范都还没有一个可以 遵循的标准。现在世界各国的实验室都是自己研制双周疲劳试验机、设计试验步 骤和试验标准。 在我国，双周疲劳试验系统研究还是处于起步阶段，为了我国双周疲劳试验 技术的发展，天津大学焊接工程技术研究所自主开发了双周疲劳试验系统。低周 载荷由一台普通的低频疲劳机提供，高频载荷则由超声疲劳加载装置提供。 2 1 双周疲劳试验超声疲劳加载装置 双周疲劳中的超声疲劳加载装置是一种用来实现加速共振式的试验方法的 装置，其实质是在被加载试件上建立机械谐振波，它的测试频率( 2 0 i ( h z ) 远远低 于常规疲劳测试频率( f 、 为芯片提供合适的工作电压和工作环境，保证其正常运转。 为控制信号提供相应处理，使其与超声疲劳装置的控制元件在电压和功 率上做到兼容。 经过内部信号处理，将输出放大，用以驱动主电路部件，完成信息的反 馈。 2 3 2 总体结构 硬件结构的总体流程如图2 3 所示。功率部分仍保留原有的结构，控制部分 中嵌入了d s p 数字跟踪系统，代替了模拟的器件。其主要任务是频率跟踪、横幅 控制和参数显示。1 4 1 1 2 3 3 控制芯片 图2 - 3 硬件结构总体流程 控制芯片是整个设计的核心，所有的硬件电路都是围绕着控制芯片来组织， 直接或间接为其服务的。控制芯片应根据系统所需要的资源来选择。在本控制系 守寻茗醋 第二章双周疲劳试验系统及工作原理 统中所需要的资源有：超声冲击机中控制电路输出的电流和电压各需要两路p i b i 发生器；采样电流和采样电压各需要一路a d 转换口；最重要的是超声冲击机中 采样电流和采样电压的频率都是2 0 k h z ，要求在每一个采样周期至少要采2 0 个点， 而且每个采样点后要留有至少5 0 个时钟周期来处理采样值，这就要求控制芯片的 执行速度至少在2 0 m i p s 以上。 考虑以上需求，选用美国德州仪器公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为控制芯片，该 芯片是适合于工业控制的一种d s p ，兼顾了内部运算处理和外围接口控制两方面 的能力，集成了闪存、高速a o 转换器、事件管理器模块等。该芯片具有较高的 性价比，开发时间短，开发难度低，可以有效的降低开发成本。 2 3 4 复位电路 系统中能引起复位的信号源有： 1 电压调节器产生的复位信号 当电压低于正常供电电压范围时，电压调节器会产生复位信号，经过译码器 逻辑处理后再到2 4 0 7 a 的复位引脚r s ( 低有效) 。 2 内部的看门狗定时器溢出。 2 3 5 时钟电路 给d s p 芯片提供时钟一般有两种方法。一种是利用d s p 芯片内部所提供的 晶振电路，即在d s p 芯片的x 1 和x 2 c l k i n 之间连接一晶体，来启动内部振荡 器：另一种方法是采用封装好的晶体振荡器的方法，使用方便，因而得到广泛应 用。 型! ! ! ；n cv l 43 3 v b e a d ，一0g 煳u t !一p 9 _ l c l k i n 矗s c 一一= = 3 3 _ 1 2 0 图2 - 4 晶振连接电路图 1 4 第二章双周疲劳试验系统及工作原理 如图2 4 ，只要在引脚4 上加5 v 电压，引脚2 接地，就可以在引脚3 上得 到所需的时钟，其中引脚l 悬空。使用时应当注意将晶振的外壳接地并固定，可 解决许多疑难问题。目前，很多厂商在制作时就已经将外壳与g n d 连通，使用 起来很方便。 2 3 6 电源设计 为了降低芯片功耗，近来推出的d s p 芯片大部分采用低电压供电，并且采 用内核电压和i o 电压分开的方式。本电源设计中，采用5 v 与3 3 v 并存的方式， l f 2 4 0 7 a 芯片的供电电压只有3 3 v ，因此，使用了一片低压降的电压调节器 t p s 7 3 3 3 作为5 v 3 3 v 的转换芯片。1 4 2 1 2 3 7 等待状态发生器 当d s p 与外部低速器件( 如存储器) 接口时，为了保证两者之间时序的配 合，通常需要插入等待状态。插入等待状态一般有以下两种方式： 1 采用硬件插入等待 早期的d s p 芯片内部没有集成等待状态发生器，因此需要在外部用硬件来 实现。如对r e a d y 进行相应连线或使用级联j k 触发器等。但采用硬件插入等 待的方式是比较麻烦的。 2 采用软件设置插入等待f 3 2 j 现在的d s p 芯片一般在内部都设有等待机制，可以由准备信号或通过软件 设置来初始化，从而省去外加硬件。 2 4 控制系统外围电路设计 从超声疲劳装置采集来的电流和电压信号幅值较大，且呈交流状态，又回受 到外界的干扰，同时，d s p 控制器输出的p w l v l 信号比较微弱，不能满足超声疲劳 驱动模块的要求，即不能促使驱动元件完成调整电流电压相位差的任务。这些信 号要很好的与控制其匹配，需要进行外围电路的设计。此外，还需要对存储器进 行外部扩展。 2 4 1 电压反馈 d s p 控制器中的a d c 模块工作电压为卜3 3 v ，而采样电压一般为一1 0 v 一1 0 v 第二章双周疲劳试验系统及工作原理 的交流电，且有很强的干扰信号。因此对采样电压的处理要分为三个部分。 首先，要对采样电压进行滤波，整理出较为平滑的电压信号。实现滤波是依 靠一个简单的电容滤波电路。其中最重要的是电容的选择，这个电容的电容值直 接关系到整个系统最后的控制精度和反应速度( 电源的动态特性) 。电容选择太 大则滤波效果好，但是系统的反应速度就会变差，相反，如果想得到比较好的反 应速度，又必须牺牲滤波效果，所以应该综合考虑这两个因素。 其次，就是对已经滤波的电压进行限幅。 最后，要对经过以上两步处理的电压进行拉升，使电压值在任何时候都为正。 2 4 2 电流反馈 与电压反馈类似，电流反馈也要经过滤波，拉升等步骤。由于电流采样值较 小，还应采用相应的放大电路。 电流与电压的相位差是判断谐振与否的最终因素，限幅，滤波，提升电位等 过程中经过的模拟器件均会产生附加的相位差。因此，应尽量保证电压，电流两 路采样后的与处理电路是对称的，从而可使相同的附加相位差抵消。 2 4 3 显示电路 将采样值送给一块紧凑型，低功率l c d 显示模块，以显示电流电压值其弓 脚如表2 1 所示 表2 1d p 6 5 2 引脚说明 2 5d s p 控制系统的软件设计 在了解了d s p 集成开发环境和傅立叶变换原理以后，就要进行d s p 控制系 统的软件设计了。软件设计是系统控制思想的具体实现，要想使d s p 芯片按照 预先的设计完成控制，这一步是必不可少的。硬件电路相当于躯体，软件程序则 相当于灵魂。控制算法选择得当，软件编写精练周密，就会充分发挥硬件系统的 1 6 第二章双周疲劳试验系统及工作原理 优势，理想地完成任务。由于硬件电路设计的关键点是实时的采样和处理，要求 程序本身的运算时间要尽量的少，以保证可以使采样和处理的时间差减少保证反 馈的及时性。 程序设计的，最核心的部分是经过f f t 运算，咀找出主要的频率和算出他 的相位，通过反馈控制系统使他的误差在5 度以内，是超声装置的工作的电压和 屯流的相位基本保持一致。 数据的采样是利用d s p 芯片内都的a i d 转换模块来进行的，这样可以独立 于c p u 工作保证在同一时间可以进行采样和前一数据模块的运算同时进行，还 可以保证采样来的数据可以直接存储与d s p 芯片的r a m 中，节省r 外围电路的 设计复杂程度从而减少了不同路线结的电子干扰使得试验的准确性和及时性得 到了保证。而且d m a 的传输方式本身也具有大量快的特点，正好适合本试验的 各项要求。 2 6 双周疲劳试验系统 双周疲劳试验装置原理图见图2 5 ，低周载荷由一台普通的低频疲劳机提供， 高频载荷则由超声疲劳加载装置提供。超声疲劳加载装置使用专门的卡具装在低 频疲劳机上。试件通过两端的螺纹孔分别与双周疲劳加载装置的上下两个变幅杆 相连。载荷类型为轴向拉伸载荷，高周加载频率约1 9k h z 低周加载频率约7 5 h z ， 高低周频率比约为2 5 0 ：i 。所有试件都循环加载至断裂。试验在室温下进行。高 频载荷会使试件发热，故使用压缩空气进行冷却。 襄瑟熬瑟礴鬻蒸；毒? 良，z 瓤“茹：疆：摹冀黛琴g 补点兰s t i 一 第二章双周疲劳试验系统及工作原理 2 7 本章小结 图2 - 6 双周疲劳试验装置图 本章主要介绍了超声装置的基本工作原理，即结构，并对实现其数字化控制 起重要作用的d s p 硬件控制电路作了详细介绍，对其软件控制部分作了简单介 绍。并对利用超声装置以及一台普通的低频疲劳机来实现双周疲劳试验所需的装 置进行了介绍。 第三章超声变幅杆及双周疲劳试件的设计 第三章超声变幅杆及双周疲劳试件的设计 3 1 超声变幅杆 质点和简单机械振动系统的振动与双周波的传播原理是超声变幅杆设计的 理论基础。变幅杆必须设计其自振频率与换能器输出频率一致，否则便不能振动， 由于双周波振动频率高，位移小，应力和应变与位移成正比，太小的位移无法测 量，太小的应力又无法满足大载荷试验需要。因此需要一个放大器将位移和应力 放大。对于承受纵向拉一压载荷的试件，只要将变幅杆与试件相连的一端剖面尺 寸减小，便可以达到加大应力和位移的效果。为了便于计算自振频率，便于加工， 放大器一般采用回转体，自体采用圆柱体，过渡部分采用圆锥体。 超声变幅杆又称超声变速杆、超声聚能器，在超声振动系统中很重要。其主 要作用有两个：一个是将机械振动位移或者速度振幅放大，或者把能量集中在较 小的辐射面上、即聚能作用；另一个作用是作为机械阻抗的变换器，使超声能量 由超声换能器更有效的向试件传输。在双周疲劳试验系统中要求变幅杆末端的振 动速度很大，即要求变幅杆的放大系数很大。采用单一变幅杆时常达不到要求( 因 为放大系数和形状因数不能同时满足要求) ，此时可采用两节变幅杆，推动节采 用具有过渡段的阶梯形变幅杆。 超声变幅杆的设计 4 0 , 4 2 , 4 3 】归纳起来主要有两种方法：一种是按照特定的变幅 杆性能来设计变幅杆的外形函数以及满足波动方程。另一种方法是选择一些随坐 标有规律变化的外形函数来满足波动方程的解，然后求出各种性能参数。 根据实际应用的要求，设计计算变幅杆的一般步骤如下： ( 1 ) 确定工作频率及交幅杆输出端的最大位移振幅； ( 2 ) 选择材料； ( 3 ) 根据所选择的材料的声速以及疲劳强度来估计所需要的形状因数； ( 4 ) 根据换能器辐射面所得到的位移振幅来估算总的放大系数。换能器辐射 面的振动速度主要决定于输入换能器的电功率和效率以及散热情况； ( 5 ) 根据所需要的放大系数以及所要求的形状因数来选择变幅杆的类型、确 定变幅杆输入端( 一般为大端) 和输出端( 一般为小端) 的直径或面积比。 对变幅杆材料的要求：( 1 ) 在工作频率范围内材料的损耗小；( 2 ) 材料的疲 劳强度高，而声阻抗率小；( 3 ) 易于机械加工。 1 9 第三章超声变幅杆及双周疲劳试件的设计 3 l 1 变截面杆纵向振动的波动方程 0 0 ， 盯+ 一积 晓r x + d x 图3 1 变截面杆的纵振动 由均匀、各向同性材料构成的变截面杆，设平面纵波沿杆轴向传播，即在杆 的横截面上应力分步是均匀的( 在杆的横截面尺寸远小于波长时，这种假设是允 许的) 。 图3 - 1 为一变截面杆，其对称轴为坐标轴x ，根据牛顿定律其动力学方程为 曼掣出：s p 粤d r ( 3 - 1 ) 其中s ：s ( x ) 为杆的横截面积函数，u ：u ( x ) 质点位移函数，仃= 盯( x ) = e 譬为应 力函数，p 为杆的密度，e 为杨氏模量。 在简谐振动的情况下，( 3 - 1 ) 可以写成 堡+ 上箜丝+ k z “：0( 3 2 ) a x so x a x 力1 。 上式就是变截面杆纵向振动的波动方程，其中k 2 - “- y - ，k 为圆波数，缈为圆频率， c = q 丘p 为纵波在细棒中的传播速度。 下面我们就用( 3 2 ) 式来讨论工程上常用的阶梯形变幅杆。 3 1 2 纯阶梯形变幅杆 纯阶梯形变幅杆的结构示意图如图3 - 2 所示。 由式( 3 - 2 ) 得到阶梯型变幅杆的波动方程为： 堡 4 - k 2 “：0 叙2 2 0 ( 3 3 ) 第三章超声变幅杆及双周疲劳试件的设计 月s r 6 ”， “p f ( o ) = 0 咔屯啼x 6 图3 - 2 纯阶梯形变幅杆 上式的通解公式为 “。( x 。) = a 。s i n k n x n + b ncosk。x。(3-4) c ( x 。) = 一j z 。( 么。c o s k 。z 。一b 。s i n k 。)( 3 5 ) 式中z 。为声阻抗 边界条件为： “5 ( o ) = t tr ( 3 6 a ) e ( 0 ) = 0( 3 6 b ) u 5 ( l 5 ) = u 6 ( 0 )( 3 6 c ) ”6 ( 6 ) = ”。( 3 6 d ) e ( 三5 ) = 瓦( 0 )( 3 6 e ) e ( 6 ) = 一z 。u 。( 3 6 0 将边界条件代入通解公式( 3 4 ) 式及( 3 5 ) 式可以求出待定系数彳s ，b 5i 6b s ，把 这些系数代入通解公式( 3 - 4 ) 式及( 3 - 5 ) 式，便得到变幅杆的位移分布函数，应力 分布函数： u 5 ( x 5 ) = u ，c o s k 5 2 5( 3 - 7 a ) “6 ( 讫) = 一等厂s i n k 5 l 5s i n k 6 2 64 - u ，c o s k 5 l 5c o s k 6 魂 ( 3 一t o ) 及