超聲疲勞試驗振動位移及應(yīng)力控制分析

彭文杰　顧明凱　鄺蘭翔　朱琳娜

(1.武鋼研究院　湖北　武漢：430080；2.寧波市北侖檢驗檢疫局　浙江　寧波：315800)

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超聲疲勞試驗振動位移及應(yīng)力控制分析

彭文杰1顧明凱2鄺蘭翔1朱琳娜1

(1.武鋼研究院湖北武漢：430080；2.寧波市北侖檢驗檢疫局浙江寧波：315800)

摘要給出了超聲疲勞試驗振動位移和應(yīng)力控制方法,來實現(xiàn)超聲疲勞試驗的精確控制。從兩個方面實現(xiàn)，一是對超聲疲勞試驗振動位移進行監(jiān)測，將試樣振動位移幅值的測試值與試樣振動位移幅值的理論值即超聲疲勞試驗機的顯示值進行對比，若兩者非常接近，相差不超過0.5%，則表明振動位移值準(zhǔn)確度高，試驗結(jié)果可靠。二是當(dāng)試樣的實際尺寸值與設(shè)計值存在偏差時，給出了試樣的控制應(yīng)力修正公式，保證試驗控制更加精確。通過以上兩個方面來實現(xiàn)超聲疲勞試驗的精確控制，可以保證超聲疲勞試驗結(jié)果的可靠性。

關(guān)鍵詞超聲疲勞試驗；振動位移；控制應(yīng)力修正；精確控制；疲勞測試

0引言

超聲疲勞試驗是一種測試材料疲勞性能的新技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的疲勞測試技術(shù)它的優(yōu)點顯而易見，它的工作頻率極高，可以極大的提高疲勞試驗的效率。傳統(tǒng)的高頻疲勞試驗工作頻率在100Hz～200Hz，而超聲疲勞試驗的工作頻率可以達到2.0×104Hz。超聲疲勞試驗技術(shù)是疲勞測試領(lǐng)域的一項革新，極大的提高了試驗效率和研發(fā)效率，適用于金屬材料的超高周疲勞性能測試[1-2]。

超聲疲勞試驗過程中，換能器、位移放大器和試樣組成一個力學(xué)振動系統(tǒng)，試樣的一端固定在放大器末端，另一端自由換能器將超聲發(fā)生器產(chǎn)生的高頻電信號轉(zhuǎn)化成機械振動，再由位移放大器進行放大，使試樣獲得所需的振動位移,如圖1所示。

超聲疲勞試驗機通過控制試樣端部位移幅值，來實現(xiàn)控制試樣應(yīng)力幅值。而換能器電壓與輸出端的振動位移幅為線性關(guān)系，在給定試樣端部位移幅值后，超聲疲勞試驗機通過改變換能器的電壓來調(diào)整位移幅值。因此，超聲疲勞試驗系統(tǒng)位移的測量和標(biāo)定極為關(guān)鍵，位移的精度直接影響到試驗結(jié)果的可信度。

圖1　超聲疲勞試驗工作示意圖

另外，試樣加工完成后，由于加工誤差導(dǎo)致試樣的實際尺寸和設(shè)計尺寸不可避免的存在偏差，同時，由于超聲疲勞試樣對表面光潔度要求很高，試樣加工完成后，通常需要采用砂紙對其中間部位打磨拋光，這也會導(dǎo)致試樣的尺寸與預(yù)先設(shè)計的尺寸產(chǎn)出偏差。當(dāng)試樣的實際尺寸與設(shè)計尺寸偏差達到一定程度后，試樣的實際振動頻率和應(yīng)力幅值與設(shè)計值相應(yīng)的也會產(chǎn)生偏差，從而影響試驗結(jié)果的精度。

基于以上原因，本文提出對超聲疲勞振動位移進行監(jiān)測和超聲疲勞試樣尺寸有偏差時對其應(yīng)力進行修正，來保證超聲疲勞試樣結(jié)果精確可靠。

1超聲疲勞振動位移監(jiān)測

超聲疲勞試驗機通過控制試樣端部位移幅值，來實現(xiàn)控制試樣應(yīng)力幅值。因此，超聲疲勞試驗系統(tǒng)位移的測量和標(biāo)定極為關(guān)鍵，位移的精度直接影響到試驗結(jié)果的可信度。在實驗前，需要對試樣的振動位移進行測量驗證，確認(rèn)測得的位移值和理論值一致。

目前一般采用渦流傳感器[3]和激光位移傳感器[4]來測量20kHz下的振動位移，采用渦流傳感器實際測量超聲疲勞試驗振動位移時發(fā)現(xiàn)，渦流傳感器容易受到其他電信號的干擾，導(dǎo)致示波器的波形不穩(wěn)定，且噪點較多，導(dǎo)致最終測得的位移值不穩(wěn)定，可重復(fù)性差。因此，采用渦流傳感器測量位移時，需要多次測量取平均值。另外，渦流傳感器要求被測體不導(dǎo)磁，對于導(dǎo)磁性好的金屬，例如鎳基合金，無法測量其振動位移。因此，采用激光位移傳感器來測量超聲疲勞振動位移更為簡便有效，是目前較為流行的方法。

圖2為激光位移傳感器測得的超聲疲勞試樣在振動時間和間歇時間各為100ms時的自由端部振動位移值，可以看出，測得的試樣自由端部振動位移幅值(圖中振動波的波峰減去波谷后除以2)在19.7μm ～19.9μm范圍內(nèi)波動，與試樣振動位移幅值的理論值即超聲疲勞試驗機控制軟件的顯示值19.8μm非常接近，相差不超過0.5%。這表明超聲疲勞試驗機的振動位移值準(zhǔn)確度高，試驗結(jié)果可靠，可以開始材料的超聲疲勞試驗。如果試樣振動位移幅值的測試值與試樣振動位移幅值的理論值即超聲疲勞試驗機的顯示值相差較大，則需要對超聲疲勞試驗機的位移進行校正后再進行試驗。

圖2　激光位移傳感器測得的試樣振動位移

2超聲疲勞試樣尺寸存在偏差時的應(yīng)力修正

上面給出了超聲疲勞位移的監(jiān)測方法來保證試驗系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。下面以板狀試樣為例，給出試樣的實際尺寸與設(shè)計尺寸存在偏差時的控制應(yīng)力修正方法，來保證試驗的控制更加精確。對如圖3所示的板狀超聲疲勞試樣，其尺寸設(shè)計公式如下所示[5]

(1)

板狀試樣的最大應(yīng)力幅σmax為：

(2)

圖3　板狀超聲疲勞試樣

圖4　諧振頻率反算示意圖

若f′小于19.50×103Hz或大于20.50×103Hz，表明試樣的尺寸偏差過大，以至于試樣無法起振，試樣需要重新加工。

(3)

以上給出了板狀試樣尺寸存在偏差時的應(yīng)力修正方法，其他形狀試樣可以采用相同的辦法進行修正。

3總結(jié)

超聲疲勞試驗的原理是通過控制位移幅值來實現(xiàn)試樣應(yīng)力幅值的控制。而試樣的應(yīng)力位移關(guān)系又跟試樣的尺寸密切相關(guān)。因此為了保證超聲疲勞試驗的精度，首先必須保證超聲疲勞試驗位移準(zhǔn)確，本文提出了采用激光位移傳感器對超聲疲勞振動位移進行監(jiān)測，并將監(jiān)測值和超聲疲勞位移的顯示值進行對比確保超聲疲勞位移的準(zhǔn)確性。其次，當(dāng)試樣尺寸由于加工和打磨等原因?qū)е略嚇訉嶋H尺寸與設(shè)計尺寸存在偏差時，此時試樣實際的應(yīng)力幅值也會與設(shè)計值產(chǎn)生偏差，本文以板狀超聲疲勞試樣為例，給出了其控制應(yīng)力的修正方法，來進一步提高超聲疲勞試驗精度，確保超聲疲勞試驗結(jié)果的可靠性。

參考文獻

[1]Mason W P. Piezoelectric Crystals and Their Application in Ultrasonic[U]．New York：Van Nostrand，1950：161.

[2]Bathias C．Piezoelectric fatigue testing machines and devices[J]．International Journal of Fatigue，2006,28:1438-1445.

[3]陳一鳴，彭文杰，等.超聲疲勞試驗振動位移標(biāo)定裝置：中國，ZL 201420656312.3 [P].2015-02-04.

[4]彭文杰，陳一鳴，等.超聲疲勞試驗振動位移監(jiān)測裝置：中國，ZL 201510932722.5 [P].2015-12-15.

[5]蘆平.超高周范圍16Mn母材及焊接接頭疲勞性能研究[D].天津:天津大學(xué)，2007.

(責(zé)任編輯：李文英)

The Control Analysis of Ultrasonic Fatigue Vibration Displacement and Stress

Peng Wenjie1Gu Mingkai2Kuang Lanxiang1Zhu Linna1

(1.R&D center of Wuhan Iron and Steel group Corp.,Wuhan 430080, Hubei;2.Beilun Entry-exit Inspection and Quarantine Bureau， Ningbo 315800, Zhejiang)

Abstract:The control method of ultrasonic fatigue vibration displacement and stress is presented in this paper to realize precise control of ultrasonic fatigue test. The control are conducted in two aspects. Firstly, the vibration displacement of ultrasonic fatigue is tested and inspected. The tested vibration displacement value is compared with the analytical displacement value i.e. the value showed on the ultrasonic fatigue test control software. If the difference is within 0.5%, it can be concluded that the vibration displacement of ultrasonic fatigue is accurate and the test result is reliable. Secondly, when there is a deviation of the actual size and the design size of the specimen, the control stress correction formula is given to further ensure that the test is more accurate. Through the above two aspects, precise control of ultrasonic fatigue test is realized to ensure the reliability of test results.

Key words:ultrasonic fatigue test; vibration displacement; control stress correction; precise control; fatigue test

中圖分類號：TG115.5+7

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-3524(2016)01-0008-03

作者簡介：彭文杰(1982～)，男，博士，高級工程師.E-mail：31467900@qq.com

收稿日期：2015-12-11修回日期：2016-03-03