超声共振多轴拉压疲劳实验装置的制作方法

1.本发明涉及材料疲劳测试实验技术等领域，具体地说，是超声共振多轴拉压疲劳实验装置。


背景技术：

2.疲劳失效是在交变载荷作用下构件或结构的主要失效形式。如车辆，飞机，齿轮汽轮机叶片，弹簧等的构件和结构的主要失效形式都是疲劳破坏。在实际的工程事故中，疲劳所导致的事故比例占到了80%。因此对材料疲劳性质的研究一直是国内外工程界研究和关心的课题。
3.而在航空航天、核工业、机械等领域，一些结构部件需要在工作中承受高频振动载荷。特别是当还有其他的载荷存在时，造成的复合损害会大大的加速结构部件的破坏。所以国内外在研究高速运转结构件的疲劳寿命中，特别重视超高频疲劳寿命的研究；并且随着新材料的发展和运用，对于材料的可靠性和服役期间的稳定性等都有较高要求，所以对于长寿命和更加复杂的受力状态的研究尤为重要。
4.多轴疲劳是指疲劳发生在多轴应力状态下，即两个或三个主应力（主应变）的方向和幅度随时间而变化。无论是在航空航天、核电站、化工和车辆运输等领域的实际工况环境中，许多部件都是在复杂的多轴应力状态下工作。但是目前对于多轴疲劳理论的研究还没有像单轴疲劳理论研究那样全面、深入，特别是对于超高周次长寿命多轴疲劳的研究。但往往单轴的研究结果不能全面的说明实际工况下的问题，所以对于双轴实验的研究显得十分的重要，但在现有的设备的方法下，双轴实验不能与长寿命进行结合研究，主要原因是缺少了一种稳定，独立的实验方法。
5.在多轴实验的过程中，受载的相位差和频率影响都会对材料的长寿命预测产生影响，目前比较通行的办法有两种：一、只通过一个独立荷载去进行长寿命的实验；二、是通过双轴的拉伸机去改变受载的相位差和频率参数，从而观察不同相位的实验结果，目前同行的方法是在这两个条件下去取舍，要考虑复杂的相位频率影响就要牺牲实验时间（往往在长寿的预测时一个试件的时间都要消耗几个月以上），要节省实验时间就不能去考虑复杂载荷的影响，现有的双轴设备都是十字的低频拉伸机，或者是单荷载下的高频共振机器，在实验设计中常常需要进行取舍，这导致对于长寿命多轴循环疲劳实验的数据是及其匮乏的；所以为了推动我国在疲劳领域的进一步发展，应对实际工程材料及构件工作条件，设计一种针对高速多轴疲劳的试验装置实现长寿命多轴循环疲劳测试成为了必然的需求。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于设计超声共振多轴拉压疲劳实验装置，在现有双轴设备的基础上进行改进，得到的一套超高周双轴共振实验设备，通过两台水平工作台的配合能够实现正交共振型试件长寿命多轴循环疲劳测试。
7.本发明通过下述技术方案实现：超声共振多轴拉压疲劳实验装置，包括正交共振
型试件和两台水平工作台，所述正交共振型试件的相邻两个端通过变幅杆分别设置在两台水平工作台上。
8.进一步的为更好地实现本发明所述的超声共振多轴拉压疲劳实验装置，特别采用下述设置结构：所述正交共振型试件为“完全对称正交共振型”十字状结构，两相邻力臂和中心部位采用弯弧面衔接，所述正交共振型试件的中心投影为圆锥型平台。
9.进一步的为更好地实现本发明所述的超声共振多轴拉压疲劳实验装置，特别采用下述设置结构：在20khz频率下的拉压模态情况下所述正交共振型试件的设计尺寸为：其厚度为2.9mm，总长28.93mm，弯弧部位外的力臂宽为10.81mm，其中四个中心对称的弯弧面的横截面为长半轴为16.43mm、短半轴为9.51mm的椭圆弧。
10.进一步的为更好地实现本发明所述的超声共振多轴拉压疲劳实验装置，特别采用下述设置结构：所述正交共振型试件的中心为投影半径为12.89m的圆锥型大平台，中心厚度为0.3mm。
11.进一步的为更好地实现本发明所述的超声共振多轴拉压疲劳实验装置，特别采用下述设置结构：所述正交共振型试件在规定的20khz实验频率下，其在相同频率下进行共振，所处的模态为拉压模态。
12.进一步的为更好地实现本发明所述的超声共振多轴拉压疲劳实验装置，特别采用下述设置结构：所述正交共振型试件与变幅杆之间通过螺纹结构配合。
13.进一步的为更好地实现本发明所述的超声共振多轴拉压疲劳实验装置，特别采用下述设置结构：所述水平工作台包括底板、滑块和滑道组成的移动机构、上方带有竖直拱形圆板的上板及换能器，所述移动机构设置在上板和底板之间，换能器通过法兰安装在竖直拱形圆板上，所述变幅杆连接在换能器上。
14.进一步的为更好地实现本发明所述的超声共振多轴拉压疲劳实验装置，特别采用下述设置结构：所述滑道固定在底板上，所述滑块固定在上板上。
15.进一步的为更好地实现本发明所述的超声共振多轴拉压疲劳实验装置，特别采用下述设置结构：仅通过两处正交共振型试件与变幅杆之间的螺纹结构配合即可实现正交双轴受力加载。
16.市面上常见的双轴拉升实验都是通过两个正交方向四个夹持端移动来实现双轴拉伸或压缩受力。
17.经实验检验：本发明通过双轴谐振的形式来达到实验目的，通过上位机的信号传递，再通过压电陶瓷将电信号转化为机械信号，通过谐振的方式，使得正交共振型试件在20khz的频率下进行拉压模态的实验。谐振的方式，仅通过两个正交方向各一个连接部位即可实现双轴拉压受力：应力波由连接部位传递至各自方向的自由端，并保证在正交共振型试件中部恰好两个应力波驻波峰值点交叉。由上位机信号控制应力波加载幅度和双向相位差。是完全不同的驱动力和加载方式。
18.本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：本发明所述的水平工作台区别于传统的双轴拉伸实验，可在满足考虑相位的情况下降低实验时间，将实验数据定于超高周的范围内；可以通过独立的控制来实现多方向的多载荷加载；可以实现例如高频拉压等共振模态实验。
19.本发明所述正交共振型试件采用完全对称的设计，在实验中应力分布更加均匀，
保证正交共振型试件的疲劳断裂发生位置在十字中心相交处，减小研究的范围；其加载方式为多载荷加载，改变传统意义上的单载荷加载双轴模型实验的方式；其加大了中间的凹槽处的半径，使得应力的分布更加均匀不会出现突然的应力分层。
20.本发明实现了水平工作台在水平平面上自由移动的可能性，符合实验中加载不同尺寸的双轴试件。
21.本发明可以适应更加多变的实验环境，在实验的同时可以进行无接触观测。
22.本发明可以简化双轴试件在双载荷加载实验时的装卸问题。
23.本发明水平工作台的水平固定装置（滑块、滑道、竖直拱形圆板），可实现多换能头的同一平面的共同工作，从而更好的开展多轴共振实验。
附图说明
24.图1为本发明所述正交共振型试件结构示意图（不含螺纹段）。
25.图2为本发明所述水平工作台结构示意图。
26.图3为单个所述水平工作台正面示意图。
27.图4为本发明进行长寿命多轴循环疲劳共振实验时的安装结构示意图。
28.图5为本发明所述正交共振型试件通过变幅杆与其中一个水平工作台连接的结构示意图。
29.图6为实验装置的装卸试件说明示意图。
30.其中，1-正交共振型试件、2-滑块、3-滑道、4-竖直拱形圆板、5-法兰、6-换能器、7-变幅杆、8-弯弧面、9-螺栓。
具体实施方式
31.下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
32.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
33.在本发明的描述中，需要理解的是，术语等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
34.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上， 除非另有明确具体的限定。
35.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”、“布设”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一
体，具体通过什么手段不限于螺接、过盈配合、铆接、螺纹辅助连接等各种常规机械连接方式。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
37.值得注意的是：在本技术中，某些需要应用到本领域的公知技术或常规技术手段时，申请人可能存在没有在文中具体的阐述该公知技术或/和常规技术手段是一种什么样的技术手段，但不能以文中没有具体公布该技术手段，而认为本技术技术方案不清楚。
38.名词解释：螺纹辅助件，指包括螺栓、螺丝、螺钉等在内的任一种用于实现两种结构之间连接的连接件，在下述各实施例中，优选的螺纹辅助件选用的为螺栓。
39.实施例1：如图1~图6所示，超声共振多轴拉压疲劳实验装置，在现有双轴设备的基础上进行改进，得到的一套超高周双轴共振实验设备，包括正交共振型试件1和两台水平工作台，所述正交共振型试件1的相邻两个端通过变幅杆7分别设置在两台水平工作台上。
40.作为优选的设置方案，由于现有的双轴设备都是十字的低频拉伸机，或者是单荷载下的高频共振机器，在实验设计中常常需要进行取舍，这导致对于长寿命多轴循环疲劳实验的数据是及其匮乏的，在次基础上，本实施例给出一套超高周双轴共振实验设备，它是由正交共振型试件1、变幅杆7和两台水平工作台共同组成；正交共振型试件1通过变幅杆7连接在两台水平工作台上，通过两台水平工作台的配合能够实现正交共振型试件长寿命多轴循环疲劳测试。
41.实施例2：本实施例是在上述实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同之处在此不再赘述，如图1~图6所示，进一步的为更好地实现本发明所述的超声共振多轴拉压疲劳实验装置，特别采用下述设置结构：所述正交共振型试件1为“完全对称正交共振型”十字状结构，两相邻力臂和中心部位采用弯弧面8衔接，所述正交共振型试件1的中心投影为圆锥型平台，正交共振型试件1采用完全对称的设计，在实验中应力分布更加均匀，保证正交共振型试件的疲劳断裂发生位置在十字中心相交处，减小研究的范围；其加载方式为多载荷加载，改变传统意义上的单载荷加载双轴模型实验的方式；其加大了中间的凹槽处的半径，使得应力的分布更加均匀不会出现突然的应力分层。
42.实施例3：本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同之处在此不再赘述，如图1~图6所示，进一步的为更好地实现本发明所述的超声共振多轴拉压疲劳实验装置，特别采用下述设置结构：在20khz频率下的拉压模态情况下所述正交共振型试件1的设计尺寸为：其厚度为2.9mm，总长28.93mm，弯弧部位外的力臂宽为10.81mm，其中四个
中心对称的弯弧面8的横截面为长半轴为16.43mm、短半轴为9.51mm的椭圆弧。
43.实施例4：本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同之处在此不再赘述，如图1~图6所示，进一步的为更好地实现本发明所述的超声共振多轴拉压疲劳实验装置，特别采用下述设置结构：所述正交共振型试件1的中心为投影半径为12.89m的圆锥型大平台，中心厚度为0.3mm。
44.实施例5：本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同之处在此不再赘述，如图1~图6所示，进一步的为更好地实现本发明所述的超声共振多轴拉压疲劳实验装置，特别采用下述设置结构：所述正交共振型试件1在规定的20khz实验频率下，其在相同频率下进行共振，所处的模态为拉压模态。
45.实施例6：本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同之处在此不再赘述，如图1~图6所示，进一步的为更好地实现本发明所述的超声共振多轴拉压疲劳实验装置，特别采用下述设置结构：所述正交共振型试件1与变幅杆7之间通过螺纹结构配合，优选的在正交共振型试件1与变幅杆7相连接的力臂端头上延长设置与变幅杆7的内螺纹相适配的外螺纹段，螺纹结构的配合能够使得正交共振型试件1能够与变幅杆7紧密贴合，在高频的振动下不会发生相对位移。
46.实施例7：本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同之处在此不再赘述，如图1~图6所示，进一步的为更好地实现本发明所述的超声共振多轴拉压疲劳实验装置，特别采用下述设置结构：所述水平工作台包括底板、滑块2和滑道3组成的移动机构、上方带有竖直拱形圆板4的上板及换能器6，所述移动机构设置在上板和底板之间，换能器6通过法兰5安装在竖直拱形圆板4上，所述变幅杆7连接在换能器6上。
47.实施例8：本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同之处在此不再赘述，如图1~图6所示，进一步的为更好地实现本发明所述的超声共振多轴拉压疲劳实验装置，特别采用下述设置结构：所述滑道3固定在底板上，所述滑块2固定在上板上。
48.实施例9：本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同之处在此不再赘述，如图1~图6所示，进一步的为更好地实现本发明所述的超声共振多轴拉压疲劳实验装置，特别采用下述设置结构：仅通过两处正交共振型试件1与变幅杆7之间的螺纹结构配合即可实现正交双轴受力加载。
49.实施例10：本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，如图1~图6所示，由于现有的双轴设备都是十字的低频拉伸机，或者是单荷载下的高频共振机器，在实验设计中常常需要进行取舍，这导致对于长寿命多轴循环疲劳实验的数据是及其匮乏的，在次基础上，本实施例给出一套超高周双轴共振实验设备（超声共振多轴拉压疲劳实验装置），它是由正交共振型试件1、变幅杆7和两台水平工作台共同组成。
50.由于多轴试件的设计需要考虑应力集中和应力分布的问题，同时在超高周实验中需要在实验模态的频率下达到共振的目的，所以对于正交共振型试件1的尺寸、形状的设计要有较高的要求。该实施例给出待测材料的试件模型（正交共振型试件1）以铝合金材料在20khz频率下的拉压模态设计为例，正交共振型试件1的外形为一个厚度为2.9mm的
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完全对称正交共振型”薄片结构，两相邻力臂和中心部位采用弯弧面8衔接，正交共振型试件1总长28.93mm，试件力臂宽为10.81mm，其中四个中心对称的弯弧面8的横截面为长半轴为16.43mm，短半轴为9.51mm的椭圆弧。在规定的20khz实验频率下，正交共振型试件1在相同频率下进行共振，所处的模态为拉压模态。正交共振型试件1的与变幅杆7连接的端部都进行了相同螺纹的加工（延长增加螺纹段），可与变幅杆7紧密贴合，在高频的振动下不会发生相对滑移。正交共振型试件1的椭圆弧度的侧边都通过打磨倒角处理，防止正交共振型试件1除了试验段位置以外的应力集中，正交共振型试件1的中心为投影半径为12.89m的圆锥型大平台，中心厚度为0.3mm，这样的设计保证试件中心的应力最大，在中心产生疲劳断裂，并因为半径较大过度平滑，从而不会出现应力梯度，通过观察试验段以达到对超高频多轴疲劳领域进行研究的目地，正交共振型试件如图1所示。
51.为使正交共振型试件1和换能器（采用超声换能头）6在同一频率下共振，使其形成一个统一的共振系统，给出如图2所示的水平工作平台，它由底板、滑块2和滑道3组成的移动机构、上方带有竖直拱形圆板4的上板及采用超声换能头的换能器6组成，移动机构设置在上板和底板之间，换能器6通过法兰5安装在竖直拱形圆板4上，变幅杆7连接在换能器6上，它能通过下端的四个滑块2进行平面坐标系下的移动，通过螺栓9将竖直拱门圆板4和法兰5链接，起到固定换能器6的作用，并在起到约束竖向和转角自由度的作用下并不影响横向的位移振幅，在通过连接水平工作台和正交共振型试件1来达到双轴共振的目的，如图4所示，进行长寿命多轴循环疲劳共振实验。
52.结合图3、图5和图6所示，对其进行装卸的说明如下，图5和图6中的箭头代表旋转向：1、先将一个水平工作台固定在光学平面桌上，通过旋转正交共振型试件1一端螺纹段，使正交共振型试件1力臂与变幅杆7紧密连接（如图5所示）。
53.2、将另一个水平工作台置于正交共振型试件1的另一个螺纹段侧，调节滑块2使变幅杆7与螺纹段接触，再旋转法兰5上的螺栓9，使换能器6可以转动，再旋转换能器6，使正交共振型试件1与变幅杆7紧密连接（如图3和6所示）。
54.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.超声共振多轴拉压疲劳实验装置，其特征在于：包括正交共振型试件（1）和两台水平工作台，所述正交共振型试件（1）的相邻两个端通过变幅杆（7）分别设置在两台水平工作台上；所述正交共振型试件（1）为“完全对称正交共振型”十字状结构，两相邻力臂和中心部位采用弯弧面（8）衔接，所述正交共振型试件（1）的中心投影为圆锥型平台；在20khz频率下的拉压模态情况下所述正交共振型试件（1）的设计尺寸为：其厚度为2.9mm，总长28.93mm，弯弧部位外的力臂宽为10.81mm，其中四个中心对称的弯弧面（8）的横截面为长半轴为16.43mm、短半轴为9.51mm的椭圆弧。2.根据权利要求1所述的超声共振多轴拉压疲劳实验装置，其特征在于：所述正交共振型试件（1）的中心为投影半径为12.89m的圆锥型平台，中心厚度为0.3mm。3.根据权利要求1或2所述的超声共振多轴拉压疲劳实验装置，其特征在于：所述正交共振型试件（1）在规定的20khz实验频率下，其在相同频率下进行共振，所处的模态为拉压模态。4.根据权利要求1或2所述的超声共振多轴拉压疲劳实验装置，其特征在于：所述正交共振型试件（1）与变幅杆（7）之间通过螺纹结构配合。5.根据权利要求1或2所述的超声共振多轴拉压疲劳实验装置，其特征在于：所述水平工作台包括底板、滑块（2）和滑道（3）组成的移动机构、上方带有竖直拱形圆板（4）的上板及换能器（6），所述移动机构设置在上板和底板之间，换能器（6）通过法兰（5）安装在竖直拱形圆板（4）上，所述变幅杆（7）连接在换能器（6）上。6.根据权利要求5所述的超声共振多轴拉压疲劳实验装置，其特征在于：所述滑道（3）固定在底板上，所述滑块（2）固定在上板上。7.根据权利要求4所述的超声共振多轴拉压疲劳实验装置，其特征在于：仅通过两处正交共振型试件（1）与变幅杆（7）之间的螺纹结构配合即可实现正交双轴受力加载。

技术总结
本发明公开了超声共振多轴拉压疲劳实验装置，在现有双轴设备的基础上进行改进，得到的一套超高周双轴共振实验设备，通过两台水平工作台的配合能够实现正交共振型试件长寿命多轴循环疲劳测试，包括正交共振型试件和两台水平工作台，所述正交共振型试件的相邻两个端通过变幅杆分别设置在两台水平工作台上；所述正交共振型试件为“完全对称正交共振型”十字状结构，两相邻力臂和中心部位采用弯弧面衔接，所述正交共振型试件的中心投影为圆锥型平台；所述水平工作台包括底板、滑块和滑道组成的移动机构、上方带有竖直拱形圆板的上板及换能器，所述移动机构设置在上板和底板之间，换能器通过法兰安装在竖直拱形圆板上，所述变幅杆连接在换能器上。杆连接在换能器上。杆连接在换能器上。


技术研发人员：王宠 汪歆彧 唐森 白晓明 李一磊 刘永杰 王清远
受保护的技术使用者：中国核动力研究设计院
技术研发日：2023.07.06
技术公布日：2023/10/15