振动疲劳试验寿命确定方法研究_杨万均

振动疲劳试验寿命确定方法研究_杨万均
DOI:10.13952/ki.jofmdr.2019.02.022
第28卷第2期2019年4月机械设计与研究
MachineDesignandResearchVol．28No．2Apr．，2019
2343（2019）02-071-02文章编号：1006-
振动疲劳试验寿命确定方法研究
杨万均，施荣明
（沈阳飞机设计研究所，E-mail：yangwanjun2019@sohu．com）沈阳110035，
摘要：提出了一种确定振动疲劳试验寿命的方法，首先基于有限元分析获得2A12铝
合金简支梁试件的
裂纹长度与试件固有频率的关系曲线，借助断裂力学失效准则，计算试件在试验载荷
下疲劳失效时的临界裂纹长度，根据临界裂纹长度对应的固有频率能够确定试件疲劳失效
时固有频率下降的幅度，从而根据振动疲劳试
停机时所经历的循环数即为振动疲劳的试验寿命。

该方法结合理论验固有频率跟踪控
制技术确定停机标准，
与实际，为振动疲劳试验寿命的确定提供了理论依据，统一了试验标准，并且在实际
操作试验过程中容易操作，所得的结果安全可靠。

关键词：振动疲劳；裂纹扩展动应力强度因子；试验寿命中图分类号：V215．5文献
标识码：A
ResearchontheConfirmationMethodofVibrationFatigueExperimentLife
YANGWan-jun，SHIRong-ming
（ShenyangAircraftDesignandResearchInstitute，Shenyang110035，China）
Abstract：Anovelmethodofdeterminingthevibrationfatigueexperimentlifewasproposedinthispap er．Firsttherelationshipbetweenthecracklengthandthemodalfrequencyofthealuminiu malloy2A12modelwasacquiredbyfiniteelementanalysis．Accordingtothefracturefailu rerule，thecriticalcracklengththespecimencanbecomputedatexperimentloadspectrum，thedecreasesoftheinherentfrequencywhenthespecimenfailuredcanbedetermined．Then thestoppingcriterionofvibrationfatigueexperimentscanbeconfirmedbytheinherentfr
equencytrackingandcontrol-lingtechnology，andthetimeorcirclesexperiencedwhenstoppingisrightthevibrationfatigueexperiment life．Themethodprovidedtheoreticalcriterionfordetermingthevibrationfatigueexpe rimentlifebycombiningthetheoriesandapplications，andthecriterionofthevibrationfatigueexperimentwasunified．Itisalsoeasytooperat eandtheresultswasreliable．
Key
words：vibrationfatigue；crackpropagation；dynamicstressintensityfactor；experimentlife
9］提出以结构固有频率下降人员带来很大的困难。

文献［
［10］
2%时所经过的循环数为结构的疲劳寿命，而肖寿庭等人
实际工程中的结构振动疲劳问题，工作环境复杂，影响因素多，对振动疲劳的理论研究还处于起步阶段，对振动疲劳破坏的机理、模式认识不够清楚，因此，对振动疲劳的研究以观察到的实验现象和测得的试验主要以试验为主要手段，
数据作为下一步理论分析的依据。

随着振动试验技术的不断进步，以及电动式、电液式振动台的应用日益广泛，为振动疲劳试验提供了良好的试验基础，能够进行各种环境下的振动疲劳模拟试验。

姚起杭最早通过正弦及随机振动疲劳试验，获得了一定典型结构及材料的振动疲劳S～N曲线究
［2～8］
［1］
则以试件第一阶固有频率下降5%作为振动疲劳失效的准则，进而确定振动疲劳试验寿命。

但是当试件固有频率下降一定幅度时裂纹扩展到什么程度也不确定，将固有频率下降也没有到一定程度作为结构疲劳失效的准则缺乏理论依据，统一的标准。

因此，本文在此基础上，首先建立含裂纹的2A12铝合金试件的有限元模型，基于有限元进行模态分析获得裂纹长度与试件固有频率的关系曲线；根据断裂力学失效准则，在试验载荷下当动应力强度因子Kmax达到临界值KIC时裂纹失稳扩展，计算得到2A12铝合金试件疲劳失效时的裂纹临界长度αc；对应裂纹长度与固有频率的关系曲线，当试件疲劳裂纹扩展到临界长度时其固有频率的下降幅度接近5%，从而根据振动疲劳试验固有频率跟踪控制技术将固有频率下降5%作为本次振动疲劳试验的停机标准，将停机时所经历的循环数作为振动疲劳的试验寿命。

该方法结合理论与实际，为振动疲劳试验寿命的确定提供了理论依据，统一了试验标准，并且容易操作，所得的结果安全可靠。

，之
后，国内外陆续开展了各种结构形式的振动疲劳试验研
，对振动疲劳试验寿命及其影响因素进行了一定的
探讨。

但是关于振动疲劳试验寿命没有统一的确定标准和方法。

目前大多数研究将出现可观
测裂纹时的循环数确定为振动疲劳的试验寿命，可观测的裂纹长度也没有统一的标准，而
试验中停机观察到的裂纹长度也不一致，给试验操作
收稿日期：2019－10－18
1振动疲劳失效准则
根据断裂力学失效准则，在一定载荷下当应力强度因子
始急剧下降，试件很快发生疲劳失效，固有频率迅速下降到疲劳失效只占了整过疲劳
试验10%左右的时间。

这主要是由于在试验过程中产生了疲劳裂纹并逐渐扩展，导致试件
的刚度逐渐降低，固有频率逐渐下降，当疲劳裂纹扩展到临界导致固有频率也急剧下降
，试件迅速长度时迅速失稳扩展，疲劳失效。

KI达到临界值KIC时裂纹失稳扩展，计算得到试件失效时的裂纹临界长度。

应力强度因子不仅表征裂纹尖端区域应力场奇异性的强弱程度，还可以描述裂纹尖端应力场的大小，能够把裂纹扩展和材料的断裂行为联系起来。

因此，应力强度因子是断裂力学中极其重要
的一个参数。

对于工程中常见的Ⅰ型裂纹（张开型），其计算公式为：
（1）KI=Yσα
Y为形状修正系数，式中：σ为应力，α为裂纹尺寸，一般典型动应力强度因结构可以查阅相关手册得到。

对于振动疲劳，子的表达式为：
Kmax=Yσmax其中σmax为动应力振幅。

（2）
当应力强度因子KI达到某一临界值时，裂纹失稳扩展，结构将发生疲劳失效，此临
界值为材料断裂韧度，用KIC表示，它表征结构材料抗断裂的能力。

因此振动疲劳失效准
则可以描述为：
Kmax=KIC
（3）
一般材料的断裂韧度KIC可以通过查阅材料手册得到，将式（3）代入式（2）中可以计算出试件疲劳失效时的裂纹临界尺寸αc，
αc=
1KIC
πYσmax
▲图2
试验结束裂纹扩展情况
()
（4）
2
2．1
振动疲劳试验寿命的确定方法
振动疲劳试验方案
振动疲劳试验模型如图1所示铝合金简支梁，大体尺寸
材料为2A12，其材料参数为：弹性模量E为170×30×3mm，
3
=68GPa，泊松比ν=0．33，密度ρ=2800kg/m，左端通过两
▲图3试件固有频率与疲劳寿命的关系
个螺栓与振动台固定。

采用跟踪驻留试验，振动台数字振动控制系统自动搜索结构的一阶固有频率，激励载荷的频率始终保持为试件的一阶固有频率、幅值为1．5g。

监测应变片记录试件裂纹部位的应变时域信号，试验过程中，试件一阶固有频率每下降1Hz暂停试验，通过着色剂检查裂纹，并记
当裂纹扩展到试件宽度的一半的停止试验。

录裂纹的长度，
2．3
固有频率与裂纹扩展的关系
为获得试件固有频率与裂纹扩展长度的关系，基于有限元分析软件ANSYS建立试件裂纹模型，如图4所示，在试件实际裂纹位置处设置不同长度的裂纹，在裂纹尖端用应力奇异单元模拟裂纹的应力奇异区域。

裂纹长度以0．1mm为增量，根据ANSYS软件对试件进行模态分析，计算获得试件前四阶模态频率下降百分比随裂纹扩展而变化的关系曲线，如图5所示。

前四阶模态频率都随着裂纹的扩展而下降，并且随着裂纹的扩展其下降趋势逐渐加快，但是不如试验结果（图3）明显，同样是由于裂纹的扩展导致试件的刚度逐渐降其中第一阶模态频率下降最快，第四阶最慢，当裂纹扩展低，
▲图1
到5mm时，第一阶频率下降接近9%。

试验件二维图
2．4振动疲劳试验寿命的确定
随着裂纹的扩展，试件的刚度下降，导致响应增大，试件
2．2振动疲劳试验结果
试验共进行了三组试验，图2为2号试件在疲劳试验结
的动应力幅值也随着裂纹的扩展而增大。

根据有限元分析，2A12铝合金断结构的动应力振幅取平均值为134．16MPa，裂韧度
［12］
Y=1．12为KIC=33MPa形状修正系数为
－0．231ζ+10．55ξ2－21．72ζ3+30．93ζ4，式中：ζ为裂纹长度a
［11］
束时的裂纹扩展情况。

三组试验结果得到的试件固有频率与疲劳寿命的关系曲线如图3所示，试验过程中三组试件的一阶固有频率随着疲劳寿命的增加而逐渐下降，开始缓慢下降，当降到97Hz左右时，随着疲劳试验的继续，固有频率开
（下转第79页）
要调整相关的参数，就可以准确的模拟车辆在多种工况下的运行状态。

可以根据仿真结果和试验数据的对比很方便的对各个子模块进行修正。

对于ABS系统模型和控制策略的进一步研究具有重要意义。

参考文献
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2000．2000－01－0696，ISSN0148～7191，作者简介：耿树鑫（1986－），男，硕士生；主要研究方向：汽车系
统动力学。

欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁
欁欁欁欁欁欁欁欁欁（上接第72页
）3结论
文中根据断裂力学失效准则，在一定载荷下当动应力强度因子达到临界值时裂纹失稳
扩展，计算得到铝合金试件振动疲劳失效时的裂纹临界长度，根据有限元分析得到的裂纹
长度与固有频率的关系曲线，能够得到试件疲劳失效时固有频率下降的幅度，根据振动疲
劳试验固有频率跟踪控制技术确定停机标准，从而容易确定停机时所经历的循环数即为振
为振动疲劳试动疲劳的试验寿命。

该方法结合理论与实际，
验寿命的确定提供了理论依据，统一了试验标准，并且在试验过程中容易操作，所得
的结果安全可靠。

但对于不同材料
▲图4
试件裂纹模型
的结构以及载荷，构件失效时固有频率是否下降5%还有待于进一步研究。

参考文献
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和试件宽度w的比值，经迭代计算得到试件的临界裂纹长度a=3．95mm。

根据图5试
件一阶固有频率与裂纹扩展的关系曲线，当裂纹扩展到临界长度a=3．95mm时，试件一阶
固有频率下降了接近5%，结合图3和图5，当试件一阶固有频三个试件的振动疲劳试验寿
命分别为：4897率下降5%时，
s、4883s、5238s，将图3试验观察到裂纹扩展试件一半宽度时所经历的时间作为振
动疲劳寿命则过于危险，分别比上述6．7%、7．4%，值高出9．09%、裂纹已经失稳扩展。

因此在该试验过程中，根据振动疲劳试验固有频率跟踪控制技术确定试件一阶固有频率下
降5%时作为停机标准，此时所经历的循环或时间作为振动疲劳的试验寿命是合理的。

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作者简介：杨万均（1980－），男，助理工程师，博士研究生，主要研究方向：结构振动疲劳分析，已发表论文2篇。