疲劳模拟试验

1、废弃物复合材料产品承载模拟试验的研究本文以聚合物基废弃物复合材料典型产品窨井盖为研究对象， 研究用人工方 法使其加速疲劳的受载模拟试验的方法原理， 研究推算废弃物复合材料产品使用 寿命的方法， 研究废弃物复合材料产品的失效情况等， 为这种产品的生产实践提 供一套判别其使用期限的简便有效的检验方法。 聚合物基废弃物复合材料是以粒 状的工业废弃物作为增强材料、 以热塑性的聚合物废旧材料作为基体材料的新型 复合材料。1. 前言聚合物基废弃物复合材料是把粒状的工业废弃物 如废砂、炉渣、尾矿、碎 玻璃、废旧化纤、玻璃纤维下脚料等 作为增强材料，把热塑性的聚合物废旧材 料如废旧农用地膜、食品袋、编织袋、旧

2、轮胎再生胶等 作为基体材料，制成的 复合材料。由于这种复合材料的原材料都是固体废弃物， 所以不可防止地会存在一些内 部缺陷。在废弃物复合材料产品的失效形式中， 大局部是由于疲劳断裂所造成的。 疲劳破坏与在静载荷作用下的破坏不同， 疲劳破坏都是突然发生的， 事先均无明 显的塑性变形的预兆， 不用特殊探伤设备无法预察到损坏现象， 因此疲劳破坏有 相当的危险性。 力是导致材料失效最主要因素， 其中又以循环载荷对这类内部缺 陷的影响为最大。产品的疲劳失效不仅与材料的疲劳性能有关， 而且与产品的结构有关， 所以 有必要对产品整体作疲劳试验， 而不应仅限于在加工过程中取样或在成品上取样 作材料的疲劳试验。

3、 在规模生产的质量保证体系中， 产品的疲劳失效， 即使用期 限是一项重要的检验指标。 本工程以聚合物基废弃物复合材料典型产品窨井盖为 研究对象， 研究用人工方法使其加速疲劳的受载模拟试验的方法原理， 研究推算 废弃物复合材料产品使用寿命的方法，研究废弃物复合材料产品的失效情况等， 为这种产品的生产实践提供一套判别其使用期限的简便有效的检验方法。2. 试验方法2.1试验的样品以全部用铸造废砂和农用废地膜制成的聚合物基废弃物复合材料产品窨井 盖为研究对象，在大批量生产的现场随机抽取规格为600mm勺窨井盖。2.2试验方法及设备信号的采集窨井盖在道路上的受载情况比拟复杂，目前尚无任何标准可查，所以本

4、工程 专门进行了一项实际应用环境的动态特性的数据采集工作，以获取窨井盖安装在道路上受汽车碾压的路况信息。把道路上的窨井盖分别换上直径为602mm厚度30mm勺圆形钢板和直径为602mm厚度21mm的圆形钢板。将5片应变片分别贴 于圆板反面，进行组桥，如图2-1所示。由材料力学可知，弹性圆板受到均布载 荷作用后其外表上产生应力。信号的处理120Q金属箔式应变片是一种性能优良的通用测量应变传感器，它将圆板外外表上的应变转换为电阻变化，经应变测量仪将其转换为与应变成比例的电压信 号，再输入DSP信号采集分析系统。应变测量框图如图 2-2所示。电阻式应变片dsp虚拟仪器系统图2-2 应变测量框图虚拟仪

5、器VI (Virtual Instruments )是一种概念仪器。所谓虚拟测量仪器， 就是采用计算机开放体系结构取代传统的单机测量仪器，对各种各样的数据进行 计算机处理、显示和存储。因为所有的测量仪器主要功能可由数据采集数据 分析结果输出显示等三大局部组成，其中数据分析和结果输出完全可由基于计 算机的软件系统来完成，因此只要另外提供一定的数据采集硬件，就可构成由计算机组成的测量仪器。信号处理所用的计算公式如下: 挠度计算公式：中心处应力计算公式：q为均布载荷；r为车的前后轮压在地面的平均宽度 0.175m：前轮0.2m，后轮0.5m；R为井盖的有效半径0.281m：前轮0.2m,后轮0.5m

6、。2.2.3 模拟载荷的控制500KN动态结构试验机系统MTS244.41系统可做构件的各种静态、动态 及疲劳模拟试验如图 2-3 所示。其控制装置为全数字闭环控制系统，计算机 监控处理系统，运行于稳定的NT平台。其闭环控制速度? 6KHz数采率?49.15KHZ,信号调节分辨率24Bit ,波形频率范围0.001Hz-600Hz波形发生器 可产生：三角波、正弦波、方波、斜波、组合波形及任意自定义波形。带有波形 编辑软件，可编制任意波形。采用多种控制模式 物理量-载荷、位移、应变及计 算函数等 及多种控制模式组合在线自动转换，带有远端控制面板。采用最新位 移控制载荷监控技术，确保安装试件时不超

7、载。控制系统提供自适应控制能力， 如峰谷值补偿：对于任意等幅周期波形，将确保反应与命令之间的峰谷值吻合。2.2.4 载荷模拟试验本项试验先用前述方法， 对载重货车压过的圆形钢板进行信号采集， 再把获 得的峰值拟和曲线作为模拟受载条件输入 MTS244.41系统，进行动态疲劳试验。承载试验装置如图 2-5 所示。由于一般载重货车一个轮胎压在路面上的接触 面尺寸约为500mr 200mm所以在窨井盖外表的正中央放置一块直径为356mm厚度为6mm厚的橡胶板，再在橡胶板上放一个直径为356mn的钢板，即可模拟受 载面积。1- 模拟加载装置 2- 刚性压头 3- 橡胶垫片 4- 井盖 5- 井圈 6-

8、 支座3. 结果和分析3.1 产品静态破坏强度的测定由于窨井盖的疲劳试验是进行到一定的时间后， 再进行静压破坏试验。 为此， 必须确定不经过疲劳试验的窨井盖的静压破坏参数，依此作为比拟的本底数据。 窨井盖的静压破坏参数设定为井盖的破坏载荷和破坏时的变形量。首先使用MTS公司所提供操作软件对MTS244.41系统进行相应配置设定，采 用 TestWorks4 压缩软件对井盖进行破坏试验。然后手动位移控制动缸同井盖保 持水平接触，对中一致，力、位移清零后，采用 1KN/S加压速度对井盖施压，直 至破坏为止。图3-1为在大批量生产现场定期检验 $ 600普通窨井盖破坏强度的试验数据，每个点代 表几个

9、月的平均值。在本研究中作为参照物的 $ 600普通窨井盖的静压破坏载荷设定为 180KN，破坏时的最大变形量为 15mm。3.2 产品实际动态受载情况的测定图 3-2 是在现场实际测得的汽车碾过井盖时中心处的挠度曲线， 从中可以看 出，汽车前轮碾过井盖时中心处的挠度出现一个峰值， 后轮碾过时又出现一个峰 值；峰值出现的时间间隔与车速的快慢有关， 车速越快间隔越短； 峰值的大小与 车速的快慢无太大的关系，但前峰值大于后峰值。图 3-3 和 3-4 分别是该挠度曲线上各峰值的拟和曲线。 由于测量时得到的模 拟量是井盖中心处的挠度，所以必须通过 DSP虚拟仪器系统转换成载荷。图3-5 和 3-6 分

10、别是通过拟和及转换后的井盖上不同位置的实际受载曲线。可以看出， 挠度曲线和载荷曲线的波形根本上是一样的。 由于在井盖中心处的受载峰值比在 直径0.4m处的要大，所以应该研究井盖中心处的受载情况。挠度前峰值拟和曲线 1 5吨重大车 , 井盖中心处挠度后峰值拟和曲线 15吨重大车 , 井盖中心处3.3 产品疲劳失效的判定 本项研究是试图找出一种能用于生产实际的产品疲劳失效的判定方法。 选取八个质量相同的窨井盖， 留下一个作为参照物， 其余的分别在动态疲劳试验机上， 进行不同受载次数的疲劳试验， 输入的加载信号为前述实际测得的变 动载荷曲线。 全部疲劳试验做完后， 再对这些经过长时间变动载荷试验的窨

11、井盖 作静压破坏试验。然后算出每个窨井盖的静压破坏载荷与参照物窨井盖的静压破 坏载荷的误差，作为窨井盖的强度损失，逐一描绘在强度损失 -受载次数图上， 并连成曲线。在本研究中， 定义窨井盖强度损失 50%的变动载荷加载时间为产品的使用期 限。在强度损失 -受载次数图上，由强度损失 50%的直线与上述曲线的交点，可 推算出窨井盖的使用期限。假设汽车的行驶速度为每小时 50公里，顶峰时段前后车辆的距离为 50米，每 天的顶峰时段为 8小时，每年 250天有顶峰时段， 那么可以算出窨井盖每年将被汽 车碾压2000000次。按上述疲劳寿命的概念和作图法，可以推算出在本项研究中 所采用的窨井盖的使用期限

12、为20年左右。试验的结果如图3-7所示。由此可见，用按上述疲劳寿命的概念和作图法，推算产品的预期使用期限是 可行的和准确的，具有很好的实用价值。3.4模拟受载条件确实定在上述产品疲劳失效判定方法的试验中，输入的加载信号为实际测得的变 动载荷曲线。但是为了制订在生产实践中对产品进行疲劳试验的标准，应该使用一般疲劳试验设备的标准加载信号，即所谓的模拟载荷曲线，因此本项研究是分 析模拟载荷和实际载荷对产品疲劳试验结果的误差。行驶在城市道路上一般货车的载重量为 5吨，自重为5吨。考虑到货车在实 际运货时往往超载100%所以在本试验中，使货车的总重量到达15吨。汽车每通过路面上的窨井盖一次，就会对井盖施

13、加两次力，第一次是前轮施 加的力，第二次是后轮施加的力。在现场采集到的实际载荷曲线图3-8 上可以看出，前、后轮产生的两个波形都类似三角形；前轮产生的载荷峰值为30KN后轮产生的载荷峰值为 50KN所以在本试验中，模拟载荷曲线采用标准的三角 波，载荷峰值取为100KN大于两个实际载荷峰值的和图 3-9。在试验中，用动态疲劳试验机分别对两个相同的窨井盖，在同样长的时间内施加不同的循环载荷，这不同的循环载荷那么分别是实际载荷曲线和模拟载荷曲线 两种。动态试验做完后，再分别对这两个窨井盖做静载破坏试验。试验结果如图3-10和图3-11所示。表3-1是用这两种载荷曲线所得到的试验结果的误差分析。通过比

14、照可以看出，两个窨井盖静压破坏试验的载荷 -变形图的曲线十分相 似，破坏载荷的误差为3.67%,变形的误差为4.19 %而铺设在街道上的窨井盖 的实际受载情况要复杂得多，所以井盖承载能力有 5%勺误差是合理的。何况用 实际载荷曲线做的疲劳试验多进行了 8千次按井盖20年使用期限算，只是 0.2%，因此事实上误差还应更小。由此可见，采用模拟载荷曲线来做窨井盖的疲劳试验是可行的和准确的，具有很好的实用价值。表3-1模拟载荷与实际载荷的试验结果分析变动载荷试验静压破坏试验动态加载 方式载荷峰值KN周期秒次数次静压破坏 情况破坏载荷kN最大变形mm载荷/ 变形实际载荷图 2-39前峰30后峰50静压曲

15、线图 2-41模拟载荷图 2-40静压曲线图 2-42误差3.5产品受载次数对承载能力的影响本项研究的目的是分析窨井盖在长期使用后，承载能力的变化。选取八个结构和质量相同的窨井盖， 除了一个作为参照物外，其余的七个窨 井盖都在相同变动载荷下，进行不同时间的疲劳试验。此后，对这八个窨井盖分 别进行静压破坏试验。试验的结果如图3-12所示。本试验中，八个结构和质量相同的窨井盖除了 一个作为参照物外，其余的七个窨井盖都在相同变动载荷下经过了不同时段的疲 劳试验。从最后的静压破坏试验中可以看出，经受变动载荷时间越长的窨井盖， 其破坏载荷越小。疲劳破坏是承受交变应力或重复应力的产品， 在工作过程中，经过

16、几百次到 几百万次的循环运行而发生的，它与静态加载时只要应力高于材料的强度极限就 立即破坏是不同的。疲劳破坏时，最大应力一般远低于静载荷下材料的强度极限， 甚至低于屈服极限或弹性极限。产生疲劳断裂的原因，一般认为是由于在产品应力高度集中的部位或材料本 身强度较低的部位，例如原有裂纹、空穴、冷隔、基体与填料界面脱粘处等，在 应力的反复作用下产生了疲劳裂纹， 并随着应力的循环周次的增加，疲劳裂纹不 断扩展，使产品承受载荷的有效面积不断减小， 最后当减小到不能承受外加载荷 的作用时，产品发生突然破坏。在疲劳破坏过程中，材料的内部组织发生变化，这种变化只局限于材料的某 些局部区域，其余区域的材料那么没

17、有变化。这种局部的组织变化是在疲劳过程中 不断发生的，并且逐渐积累起来。在本研究中，研究的对象是用聚合物基废弃物复合材料制造的， 铺设在城市道路上的窨井盖。 聚合物基复合材料中的包容物如颗粒、 空穴等都会引起应力集 中。在经受长时间的变动载荷后， 往往开展成为疲劳裂纹的核心， 最后导致材料 的破裂。复合材料在特定应力作用下， 基体会从填料颗粒外表解润湿或解粘合， 即与填料外表分开， 产生空泡或微小空洞形成空穴此外，由于未分散的填料颗粒聚结体中存在气泡或空洞， 或者由于加工过程中带入空气， 这些都是复合材料中的 疲劳源区。复合材料中的填料颗粒被基体所分割和均匀地包裹，复合材料加工过程中一会导致在

18、室温下内应力般总要涉及加热和升温， 填料与基体热膨胀系数的不同， 的产生，从而在界面引起裂纹或缝隙扩张3.6 产品受载次数对变形量的影响本项研究的目的是分析窨井盖在长期变动载荷下的变形情况在对窨井盖进行疲劳试验的长期过程中，选取两个整天即 48 小时，连续测 定窨井盖受载次数与变形的对应关系。用聚合物基复合材料制造的窨井盖在实际应用时， 当车辆行驶通过它时， 往 往受到交变应力的作用。 从窨井盖在长期疲劳试验的受载次数与变形的对应关系 中，可以看到在交变应力作用下， 因形变落后于应力变化， 来不及完全恢复而逐 渐变大的滞后现象。聚合物基复合材料的滞后现象与其本身的化学结构有关。 在本研究中的基

19、体 是聚乙烯， 这种柔性分子有滞后现象。 受到一定频率的外力作用后， 分子链段能 充分运动，但其形变又很跟不上应力的变化，就出现了较明显的滞后现象。在这种情况下， 加载时外力对聚合物体系做的功， 一方面用来改变分子链段 的构象，另一方面用来提供链段运动时克服链段间内摩擦所需要的能量。 卸载时 伸展的分子链重新蜷曲起来， 聚合物体系对外做功， 但是分子链回缩时的链段运 动仍需克服链段间的摩擦阻力。这样，一个拉伸 - 回缩循环中，有一局部功被损 耗掉，转化为热。在交变的应力、应变作用下发生的滞后现象和力学损耗， 那么是动态力学松弛， 所以在这种情况下，应力和应变都是时间的函数。产品的疲劳失效过程可分为疲劳裂纹产生、 疲劳裂纹扩展和瞬时断裂三个阶 段。疲劳宏观断口一般呈现以疲劳裂纹策源地 疲劳源 为中心逐渐向内扩展呈 海滩状条纹贝纹线的裂纹扩展区和呈纤维状韧性材料或结晶状脆性材 料的瞬时断裂区。 疲劳断裂需在循环应力和拉伸应力的同时作用， 且微观局部 发生塑性变形的情况下方可发生，