1 前言
在工业生产中,材料或结构的疲劳损坏是其主要失效形式,因此材料或结构的疲劳强度和疲劳寿命是其强度和可靠性研究的主要内容之一。材料的疲劳寿命曲线,即“S—N”曲线,是反映材料的疲劳强度与疲劳寿命对应关系的曲线,是最常用的一种疲劳试验结果的表示方法。
2 原理及实现过程
微机控制高频疲劳试验机是一种通用的电磁激励共振型疲劳试验机。主要用于测量金属材料及构件在拉、压或拉压交变负荷下的疲劳性能。计算机直接参与控制,因而系统稳定性好,数据波动度小,精度高;该机应用电磁谐振原理,电控系统采用先进的脉冲调制宽度型控制方式及新型功率放大器,系统稳定可靠,工作效率高,耗能低,是测试材料疲劳性能较理想的测试设备。
绘制“S—N”曲线时,以试验力或试验应力为纵坐标,以疲劳寿命为横坐标,疲劳寿命采用对数坐标,试验力或试验应力采用线性坐标或对数坐标,曲线的绘制用回归分析的方法进行曲线拟合,将同一种材料不同应力比或不同平均应力下的曲线画在同一张图中。
在工作中,根据用户需要,在高频疲劳试验机软件部分数据处理上增加了该项功能。具体原理及实现过程如下。
(1)静力试验
取一个试件测定材料或构件的强度σb或破坏载荷Pb,以检验材料或构件的静强度是否符合要求,并且根据σb或Pb选定各级应力水平。
(2)确定应力比或平均应力
应力比R是材料或构件在试验中所受最小应力Smin与最大应力Smax的比值。即
R= -1为对称循环,R为其他任何数值时为非对称循环。应力比的大小是根据生产和设计要求来确定的。如果为了了解材料抗拉的疲劳性能,常取R= 0.1。S—N曲线一般是在给定应力比条件下做出的,但有时根据需要,S—N曲线也在给定平均应力Sm的条件下做出。
(3)确定应力水平和载荷
应力水平代表一对应力Smax和Smin。应力水平至少分为五级,高应力水平间隔大些,随着应力水平的降低间隔越来越小。在所取的各级应力水平中,一般情况下Smax=(0.6~0.7)σb。即加载系数Kmax= 0.6~0.7。然后K逐渐递减。对于轴向加载疲劳试验,当已知各级最大载荷Smax和应力比R时,可求出最小载荷Smin和平均载荷Pm、交变载荷Pa。即
由于疲劳寿命的分散性较大,在每个应力水平只用一个试件所测定的S—N曲线,精度较差。如希望得到较精确的S—N曲线。一般每个应力水平取3~5个试件来进行试验,取其中值疲劳寿命为该应力水平的疲劳寿命。
(4)处理数据及绘制S—N曲线
大量疲劳试验的结果表明,各种不同材料的S—N曲线,具有一定的形式。一般将应力S与疲劳寿命N表示成幂指数的关系,即:
取对数得: mlg(Smax-C)+lgN=lgD
式中m、C、D为常数,与材料性质、试件形式等有关;C相当于N→∞时的应力Smax可近似代表疲劳极限。令A1=lgD,A2=m,C=S0则上式拟合方程可写为:
上式表明,lg(S-S0)与lgN成线性关系,可见S和N的幂函数关系相当于在双对数坐标中成直线关系,在单对数坐标中,将S作为自变量,上式可写为:
按照最小二乘法拟合直线的原理,使各数据点到直线的水平距离的平方和为最小。根据这个条件,即可由微积分中求极值的方法,推知常数a和b分别为
按照上述过程,利用可视化编程工具Vb实现了该功能,简单方便,而且根据不同需要,可进行简单或复杂的处理。
(5)实际试验获得数据
按照以上试验方法,在100 kN高频疲劳试验机上对一种焊接板材进行了试验,试验中选取R=0.1,共13件试件,通过静态试验机试验获得的该试验件的拉断力值为138kN;疲劳试验时,由于该试验机为计算机控制,稳定性好,数据精度高,设置好相关参数,计算机便能正确记录整个实验过程,获得实验数据。结果见表1。图1是根据试验数据绘制的S—N曲线。
3 结束语
利用高频疲劳试验机获得的数据精度较高,利用此方法,对已知寿命的常规材料进行多次试验,获得的结果与数据手册上数据基本一致,证明上述试验方法及数据处理方法是正确的,而且上述数据处理方法易于利用软件实现,同时也丰富了高频机的软件功能,而且,具有将几条曲线在同一坐标图中绘出以及打印输出等功能,方便实用。目前此方法已应用到产品中,用户反映良好。对测试材料的疲劳性能方面具有较大的实际意义。
参考文献
[1] 什科利尼克(著),陈玉坤(译),疲劳试验方法手册;机械工业出版社;1983.
[2] 徐灏,疲劳强度设计,机械工业出版社;1981.
[3] A.S.Kobayashi(美),李鸿发(译),断裂力学试验技术;中国铁道出版社;1987.
[4] 徐涛,数值计算方法,吉林科学技术出版社;1998.
[5] 李庆扬,易大义,王能超,现代数值分析;高等教育出版社;1995
[6] 李跃光·国内高频疲劳试验机技术现状及其发展[J]·试验技术与试验机,2006,46(1)
本文作者：姬战国 尹芳芳
