超声疲劳试验谐响应分析
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一
种 高效 、 靠 的试验 方法 ， 确 定 材料 超高 周疲 劳 可 为
图 １ 超声疲劳试验系统
强 度 提 供 了手 段 。 它 不 仅 能 在 短 时 间 内 获 得 材 料 的 超 高 周 疲 劳 性 能 ，而 且 高 频 率 下 的 疲 劳 试 验 结 果 更
能反 映 出高频 率下 工作 的结 构件 的疲劳 特性 。
文 章 编 号 ： ６ ２ ０ ２１ ２ １ ０ — ０ ７ ０ １ ７ — １ （ ０１ ） ６ ０ ８ — ３
超 声 疲 劳 试 验 谐 响 应 分 析
闰 思 江 。李 凡 国
（ 岛港 湾 职 业 技 术 学 院 机 械 系 ， 青 山东 青 岛 ２ ６ ０ ６ ４ ４）
摘 要 ： 于 ＡＮＳ 基 ＹＳ， 合 试 样 介 绍 了超 声 疲 劳 试 验 谐 响 应 分 析 的 方 法 和 步 骤 ， 而 为 校 验 疲 劳 试 样 设 计 结 从 的合 理 性 提 供 了可 靠 的数 值 依 据 ， 设 计 人 员 在 疲 劳试 验 初 期 就 对 试 样 的 力 学 性 能 有 较 全 面 的 了解 ， 助 于 使 有 提 高 疲 劳 试 验 的 效 率 和 可 靠 性 ， 大 降低 昂 贵 耗 时 的 物 理 实 验 。 大
２
试 验 方 法
试 验 装 置 由两 部 分 组 成 ， 它 们 是 超 声 疲 劳 试 验 系 统 和 机 械 式 拉 伸 机 。 超 声 疲 劳 试 验 系 统 主 要 由功 率 发 生 器 、 能 器 、 移 放 大 器 及 试 样 组 成 【， 图 １ 换 位 ３见 Ｊ 所 示 。 疲 劳 试 验 时 ， 率 发 生 器 产 生 正 弦 电信 号 ， 功 换
３
问 题 描 述
收稿 日期 ：０ １ ０ — ２ ２ １－ ８ ０
作 者简介 ： 闰思江（９３ ）男 ， １６一 ， 副教授 ， 士， 博 从事机械 工程技 术教
学与研 究
进行 评估 ， 而大大 缩短 开发周 期 。 从 谐 响 应 分 析 主 要 是 分 析 结 构 在 简 谐 激 励 下 的 响 应 特性 ， 通 常在进 行谐 响应 分析前 ， 进行模 态 分 但 先 析 ， 以便 对 结 构 的 动 态 性 能 有 更 全 面 的 了 解 。 基 于 ＡＮＳ ＹＳ的 谐 响 应 分 析 的 分 析 流 程 一 般 由 四 个 主 要 步 骤 组 成 ： 立 模 型 、 态 分 析 、 加 简 谐 载 荷 并 求 建 模 施 解 — — 谐 应 分 析 、 看 临 界 频 率 上 的结 果 数 据 。 响 查
样 轴 向形成 应力 的分布 。 为缩短 试样 长度 并 加速 疲 劳 试 验 ， 样 通 常 设 计 为 狗 骨 形 （ ２） 这 样 可 以 使 试 图 ，
试 样 获 得 很 高 的 应 力 放 大 系 数 ，并 使 其 中 部 产 生 最
大 立力 。
样 进 行 谐 响 应 分 析 ，可 以评 估 结 构 在 不 同 频 率 简 谐
４ ＡＮＳ ＹＳ谐 响 应 分 析 流 程
有害效 果 。
４１ 建 立 模 型 ．
结 程
为 ：
［ ｛ ＋ Ｃ ｛ ＋ ］ ＝ ｓｎ ０ ） 肘］ ｌ ［］ ） 【 ｛ ｛ ｉ （ ｔ ｝ （ ３）
采用 ２ ０节 点 三 维 实 体 单 元 ｎ ｄ ９ ｏ ｅ ５对 图 ２所 示 试 样 建 模 ， 为 了 使 计 算 结 果 更 加 精 确 ，采 用 Ｍｅ ｈ ｓ Ｆ ｃ ｔ０ ａ ｅ２ ０单 元 进 行 网格 划 分 ， 体 方 法 是 ： 具 （ ） 生 成 各个 关 键 点 ， 在 关 键 点之 间 连线 ， １先 再
即模态 分析 。 ４３ 谐 响应 分 析 ． 模 态分 析结 束后 ， 行谐 响应 分析 。 响应 分析 进 谐
用 于 确 定 线 性 结 构 在 承 受 随 时 间按 简 谐 规 律 变 化 的
载 荷 时 的稳 态 响 应 。 种 分 析 可 以得 到 结 构 位 移 、 这 应
力 等 对 频 率 的 幅 频 特 性 曲线 。使 设 计 人 员 能 预 测 结 构 的持 续 动 力 特 性 ，从 而 使 设 计 人 员 能 够 验 证 其 设 计 是 否 能 够 克 服 疲 劳 、共 振 及 其 他 受 迫 振 动 应 起 的
关 键 词 ： 械 制造 ； 劳试 验 ； 响应分析 ； Ｎ Ｙ 机 疲 谐 Ａ ＳＳ
中图分 类号 ： ＴＨ１ ３１ １． 文 献 标 识 码 ： Ｂ
１ 引言
在 实际５ 程 中 ， 多零 部件 要 承受 高频 、 幅循 １ ２ 许 低
环载 荷作 用 ， 们 在高 周循 环载 荷作 用下 ， 发 生疲 它 会 劳破 坏 【 因此 ， 究 高 频率 下 ， 料 超 高 周 疲 劳性 ・ ～， 研 材 能 显 得 尤 为 重 要 。 ９ ０年 ， ｓ ｎ基 于 压 电 磁 致 伸 缩 １５ Ｍａ ｏ
图 ２ 超声波疲 劳试样结构
能 器 将 电信 号 转 化 为 机 械 振 动 ，从 而 在 试 样 中产 生
拉 一 压 振 动 位 移 ， 动 位 移 沿 试 样 轴 向变 化 ， 沿 试 振 并
目前 ，对 于 材 料 高 周 疲 劳 损 伤 和 循 环 寿 命 的研 究 较 多 的使 用 超 声 波 试 验 方 法 ，通 过 对 超 声 疲 劳 试
原 理 并 应 用 波 动 谐 振 技 术 ，建 立 了 超 声 疲 劳 试 验 方 法并 开始 应用 于材 料疲 劳 损伤 和循 环寿命 研 究 。近
换能器
几十 年来 ， 随着 超 声 疲 劳 试 验 技 术 的 进 一 步 完 善 ， 其
研 究 领 域 也 在 逐 步 拓 宽 。超 声 疲 劳 试 验 技 术 已 成 为
种 高效 、 靠 的试验 方法 ， 确 定 材料 超高 周疲 劳 可 为
图 １ 超声疲劳试验系统
强 度 提 供 了手 段 。 它 不 仅 能 在 短 时 间 内 获 得 材 料 的 超 高 周 疲 劳 性 能 ，而 且 高 频 率 下 的 疲 劳 试 验 结 果 更
能反 映 出高频 率下 工作 的结 构件 的疲劳 特性 。
文 章 编 号 ： ６ ２ ０ ２１ ２ １ ０ — ０ ７ ０ １ ７ — １ （ ０１ ） ６ ０ ８ — ３
超 声 疲 劳 试 验 谐 响 应 分 析
闰 思 江 。李 凡 国
（ 岛港 湾 职 业 技 术 学 院 机 械 系 ， 青 山东 青 岛 ２ ６ ０ ６ ４ ４）
摘 要 ： 于 ＡＮＳ 基 ＹＳ， 合 试 样 介 绍 了超 声 疲 劳 试 验 谐 响 应 分 析 的 方 法 和 步 骤 ， 而 为 校 验 疲 劳 试 样 设 计 结 从 的合 理 性 提 供 了可 靠 的数 值 依 据 ， 设 计 人 员 在 疲 劳试 验 初 期 就 对 试 样 的 力 学 性 能 有 较 全 面 的 了解 ， 助 于 使 有 提 高 疲 劳 试 验 的 效 率 和 可 靠 性 ， 大 降低 昂 贵 耗 时 的 物 理 实 验 。 大
２
试 验 方 法
试 验 装 置 由两 部 分 组 成 ， 它 们 是 超 声 疲 劳 试 验 系 统 和 机 械 式 拉 伸 机 。 超 声 疲 劳 试 验 系 统 主 要 由功 率 发 生 器 、 能 器 、 移 放 大 器 及 试 样 组 成 【， 图 １ 换 位 ３见 Ｊ 所 示 。 疲 劳 试 验 时 ， 率 发 生 器 产 生 正 弦 电信 号 ， 功 换
３
问 题 描 述
收稿 日期 ：０ １ ０ — ２ ２ １－ ８ ０
作 者简介 ： 闰思江（９３ ）男 ， １６一 ， 副教授 ， 士， 博 从事机械 工程技 术教
学与研 究
进行 评估 ， 而大大 缩短 开发周 期 。 从 谐 响 应 分 析 主 要 是 分 析 结 构 在 简 谐 激 励 下 的 响 应 特性 ， 通 常在进 行谐 响应 分析前 ， 进行模 态 分 但 先 析 ， 以便 对 结 构 的 动 态 性 能 有 更 全 面 的 了 解 。 基 于 ＡＮＳ ＹＳ的 谐 响 应 分 析 的 分 析 流 程 一 般 由 四 个 主 要 步 骤 组 成 ： 立 模 型 、 态 分 析 、 加 简 谐 载 荷 并 求 建 模 施 解 — — 谐 应 分 析 、 看 临 界 频 率 上 的结 果 数 据 。 响 查
样 轴 向形成 应力 的分布 。 为缩短 试样 长度 并 加速 疲 劳 试 验 ， 样 通 常 设 计 为 狗 骨 形 （ ２） 这 样 可 以 使 试 图 ，
试 样 获 得 很 高 的 应 力 放 大 系 数 ，并 使 其 中 部 产 生 最
大 立力 。
样 进 行 谐 响 应 分 析 ，可 以评 估 结 构 在 不 同 频 率 简 谐
４ ＡＮＳ ＹＳ谐 响 应 分 析 流 程
有害效 果 。
４１ 建 立 模 型 ．
结 程
为 ：
［ ｛ ＋ Ｃ ｛ ＋ ］ ＝ ｓｎ ０ ） 肘］ ｌ ［］ ） 【 ｛ ｛ ｉ （ ｔ ｝ （ ３）
采用 ２ ０节 点 三 维 实 体 单 元 ｎ ｄ ９ ｏ ｅ ５对 图 ２所 示 试 样 建 模 ， 为 了 使 计 算 结 果 更 加 精 确 ，采 用 Ｍｅ ｈ ｓ Ｆ ｃ ｔ０ ａ ｅ２ ０单 元 进 行 网格 划 分 ， 体 方 法 是 ： 具 （ ） 生 成 各个 关 键 点 ， 在 关 键 点之 间 连线 ， １先 再
即模态 分析 。 ４３ 谐 响应 分 析 ． 模 态分 析结 束后 ， 行谐 响应 分析 。 响应 分析 进 谐
用 于 确 定 线 性 结 构 在 承 受 随 时 间按 简 谐 规 律 变 化 的
载 荷 时 的稳 态 响 应 。 种 分 析 可 以得 到 结 构 位 移 、 这 应
力 等 对 频 率 的 幅 频 特 性 曲线 。使 设 计 人 员 能 预 测 结 构 的持 续 动 力 特 性 ，从 而 使 设 计 人 员 能 够 验 证 其 设 计 是 否 能 够 克 服 疲 劳 、共 振 及 其 他 受 迫 振 动 应 起 的
关 键 词 ： 械 制造 ； 劳试 验 ； 响应分析 ； Ｎ Ｙ 机 疲 谐 Ａ ＳＳ
中图分 类号 ： ＴＨ１ ３１ １． 文 献 标 识 码 ： Ｂ
１ 引言
在 实际５ 程 中 ， 多零 部件 要 承受 高频 、 幅循 １ ２ 许 低
环载 荷作 用 ， 们 在高 周循 环载 荷作 用下 ， 发 生疲 它 会 劳破 坏 【 因此 ， 究 高 频率 下 ， 料 超 高 周 疲 劳性 ・ ～， 研 材 能 显 得 尤 为 重 要 。 ９ ０年 ， ｓ ｎ基 于 压 电 磁 致 伸 缩 １５ Ｍａ ｏ
图 ２ 超声波疲 劳试样结构
能 器 将 电信 号 转 化 为 机 械 振 动 ，从 而 在 试 样 中产 生
拉 一 压 振 动 位 移 ， 动 位 移 沿 试 样 轴 向变 化 ， 沿 试 振 并
目前 ，对 于 材 料 高 周 疲 劳 损 伤 和 循 环 寿 命 的研 究 较 多 的使 用 超 声 波 试 验 方 法 ，通 过 对 超 声 疲 劳 试
原 理 并 应 用 波 动 谐 振 技 术 ，建 立 了 超 声 疲 劳 试 验 方 法并 开始 应用 于材 料疲 劳 损伤 和循 环寿命 研 究 。近
换能器
几十 年来 ， 随着 超 声 疲 劳 试 验 技 术 的 进 一 步 完 善 ， 其
研 究 领 域 也 在 逐 步 拓 宽 。超 声 疲 劳 试 验 技 术 已 成 为