低周疲勞試驗(yàn)技術(shù)研究及上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

孫 健,劉杰華,孫 鵬,韓 明,苗天祺,楊秀光,楊添博,劉 璐

(1.中機(jī)試驗(yàn)裝備股份有限公司,吉林 長(zhǎng)春 130103;2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)有限公司,吉林 長(zhǎng)春 130000)

1 引 言

早在19世紀(jì)時(shí),德國(guó)人W.A.艾伯特就提出了疲勞試驗(yàn)方法,并對(duì)礦山提升用的焊接鏈進(jìn)行了反復(fù)加載。后來,法國(guó)人J.V.彭賽列在其著作中使用了“疲勞”一詞。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展,越來越多的學(xué)者對(duì)疲勞試驗(yàn)進(jìn)行了研究與探索。

2 疲勞試驗(yàn)分類

根據(jù)試驗(yàn)特征的不同,疲勞試驗(yàn)可分成不同的種類。

根據(jù)循環(huán)荷載的不同幅值需求,可以分為等幅循環(huán)疲勞試驗(yàn)、變幅循環(huán)疲勞試驗(yàn)以及隨機(jī)循環(huán)疲勞試驗(yàn)(如圖1所示)。該分類方法主要是根據(jù)不同的行業(yè)需求而定,如常溫下金屬材料、復(fù)合材料等的特性測(cè)試,多采用等幅循環(huán)疲勞試驗(yàn)方式;在航空航天等變溫變幅的復(fù)雜環(huán)境下,需要采用變幅循環(huán)疲勞試驗(yàn)方式;對(duì)于汽車整車及運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè),需要進(jìn)行隨機(jī)循環(huán)疲勞試驗(yàn)。

圖1 疲勞試驗(yàn)曲線

根據(jù)被測(cè)材料破壞前所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)(也稱為試樣壽命),疲勞試驗(yàn)可分為兩種,即低周疲勞與高周疲勞。區(qū)分高周疲勞和低周疲勞的試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)多以104次為界限,循環(huán)次數(shù)小于104為低周疲勞試驗(yàn),大于104則為高周疲勞試驗(yàn)。

低周疲勞與高周疲勞除了按照循環(huán)次數(shù)區(qū)分,也有部分行業(yè)按照控制方式區(qū)分,認(rèn)為采用應(yīng)變控制方式的疲勞試驗(yàn)為低周疲勞試驗(yàn),采用應(yīng)力控制方式的疲勞試驗(yàn)為高周疲勞試驗(yàn)。本文介紹的低周疲勞試驗(yàn)就是按照應(yīng)變控制方式劃分的。

高周疲勞與低周疲勞的區(qū)別,除了試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)不同外,材料所受到的應(yīng)力也不相同。高周疲勞試驗(yàn)中,材料所受的最大交變應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的極限強(qiáng)度,試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的形變基本在試樣的彈性變形區(qū)域內(nèi),通常用S-N曲線描述材料的特性。而低周疲勞試驗(yàn)中,材料所受的應(yīng)力水平較高,通常接近材料的極限強(qiáng)度,試驗(yàn)中產(chǎn)生的形變包括試樣的彈性變形區(qū)域和塑性變形區(qū)域兩部分,認(rèn)為低周疲勞破壞是塑性變形累積的結(jié)果,因此又把低周疲勞稱為塑性疲勞。

3 低周疲勞試驗(yàn)影響因素

3.1 概述

大多數(shù)的低周疲勞試驗(yàn)采用應(yīng)變控制方式,也就是采用引伸計(jì)進(jìn)行控制。相較于位移及應(yīng)力控制,應(yīng)變控制的難度相對(duì)較大。應(yīng)變控制的靈敏度較高,調(diào)節(jié)困難,故試驗(yàn)設(shè)備的主機(jī)、油源、電控等幾乎任何一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)影響到試驗(yàn)結(jié)果。除了試驗(yàn)設(shè)備自身因素,試驗(yàn)室環(huán)境、操作人員熟練程度等也會(huì)影響低周疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)精度。低周疲勞試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備

3.2 主機(jī)及單元部件的影響

主機(jī)主要包括框架、試驗(yàn)夾具、引伸計(jì)(高溫裝置)、液壓作動(dòng)器、載荷傳感器及位移傳感器等部分,如圖3所示。試樣的連接環(huán)節(jié)包括夾具、橫梁及中間的連接件,任何環(huán)節(jié)都不能有松動(dòng)或間隙,同時(shí)要保證該環(huán)節(jié)的同軸度。如果同軸度偏差較大,不僅會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果,甚至有可能導(dǎo)致試樣剛剛夾持就發(fā)生形變,從而使引伸計(jì)夾持不穩(wěn),嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成試驗(yàn)失控,導(dǎo)致試樣直接斷裂損壞。

圖3 單元部件示意圖

在試驗(yàn)設(shè)備使用前,需要先通過位移控制方式進(jìn)行調(diào)試,測(cè)試液壓作動(dòng)器是否能夠達(dá)到控制精度的要求。若位移控制不穩(wěn)定或者無法達(dá)到精度要求,則肯定無法進(jìn)行低周疲勞測(cè)試,需要重新檢查、測(cè)試主機(jī)運(yùn)行情況是否良好。

除主機(jī)及相關(guān)部件外,油源對(duì)試驗(yàn)結(jié)果也有一定的影響,特別是油源電控的穩(wěn)定性。電控主要包括油源/子站電控、控制器外圍線纜及傳感器線纜,電氣設(shè)計(jì)最關(guān)心的是安全性與可靠性。電氣的可靠性會(huì)直接影響低周疲勞試驗(yàn)的采集精度及控制精度。在低周疲勞試驗(yàn)過程中,因?yàn)槊總€(gè)用戶的試驗(yàn)室環(huán)境都不相同,試驗(yàn)室建設(shè)過程中的電源布線及地線設(shè)計(jì)未必完全參照標(biāo)準(zhǔn),有可能會(huì)對(duì)設(shè)備的電氣系統(tǒng)產(chǎn)生信號(hào)干擾,這就要求使用的線纜抗干擾能力強(qiáng)、屏蔽效果好,電氣設(shè)計(jì)過程中的布局、走線等要更加合理,盡量增加磁環(huán)、電源隔離等設(shè)備進(jìn)行防護(hù)。

3.3 試驗(yàn)室環(huán)境的影響

試驗(yàn)室必須具備恒定的室溫及相對(duì)濕度、最小限度的大氣污染(如灰塵、化學(xué)蒸氣等)等。要確保試驗(yàn)室電源良好接地,避免與大功率設(shè)備在同一區(qū)域使用,否則低周疲勞試驗(yàn)會(huì)受到強(qiáng)烈干擾,甚至無法試驗(yàn)。試驗(yàn)室布置如圖4所示,雖然試驗(yàn)室內(nèi)部設(shè)備均是單獨(dú)個(gè)體,但在運(yùn)行中,每個(gè)設(shè)備之間也會(huì)產(chǎn)生互相干擾。

圖4 試驗(yàn)室布置

如果用戶試驗(yàn)室接地情況良好并且車間沒有其他強(qiáng)信號(hào)干擾,則可以接地,否則,接地會(huì)讓干擾信號(hào)通過地線進(jìn)入到控制器中,導(dǎo)致控制不穩(wěn)或采集有毛刺。所以,對(duì)于傳感器的地線,并不是所有情況下的接地都會(huì)有很好的效果。

4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件是整個(gè)試驗(yàn)設(shè)備的重要組成部分,用以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的各種功能。要結(jié)合用戶操作體驗(yàn)、程序執(zhí)行效率、未來的升級(jí)維護(hù)等多方面的因素進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)備上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)。

4.1 軟件結(jié)構(gòu)

對(duì)于低周疲勞試驗(yàn),無論是常溫試驗(yàn)還是高溫試驗(yàn),試驗(yàn)流程是相同的,不同之處在于高溫試驗(yàn)需要進(jìn)行溫度控制。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于高溫低周疲勞試驗(yàn)均采用獨(dú)立的溫控系統(tǒng),無需軟件干預(yù)。圖5所示為低周疲勞試驗(yàn)軟件界面。

圖5 軟件界面

低周疲勞試驗(yàn)主要包括試樣屬性設(shè)置、試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)保存及后期的數(shù)據(jù)處理。試樣屬性包括式樣的直徑、長(zhǎng)度、材質(zhì)等。其中,試樣的直徑測(cè)量要盡量精準(zhǔn),因?yàn)樵搮?shù)會(huì)應(yīng)用在試驗(yàn)參數(shù)中,通過該參數(shù)計(jì)算應(yīng)力及應(yīng)變。

軟件功能框圖如圖6所示,軟件架構(gòu)基于.NET平臺(tái),采用WPF與C#結(jié)合的開發(fā)模式。軟件采用界面設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理及算法分離的方式。軟件界面以WPF為基礎(chǔ)開發(fā),完成基本操作、設(shè)置及顯示等功能;C#負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理及標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)算法設(shè)計(jì),以動(dòng)態(tài)庫的形式進(jìn)行開發(fā)。這種獨(dú)立開發(fā)模式有如下好處:(1)有助于團(tuán)隊(duì)合作,每個(gè)人各司其職,只要完善好接口函數(shù),各部分可以完好對(duì)接;(2)具有良好的繼承性,軟件在今后的升級(jí)中,無論是界面還是功能算法,互不影響,新增加的功能可以按照模塊或者以動(dòng)態(tài)庫形式嵌入到原軟件之中。

圖6 軟件功能框圖

4.2 數(shù)據(jù)處理

低周疲勞試驗(yàn)的試驗(yàn)過程參數(shù)設(shè)置與高周疲勞試驗(yàn)基本相似。同為疲勞試驗(yàn),兩者的主要區(qū)別在于試驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)采集及計(jì)算。高周疲勞試驗(yàn)主要記錄應(yīng)力和試驗(yàn)循環(huán)次數(shù),部分行業(yè)需要記錄應(yīng)力及位移等傳感器的峰谷值數(shù)據(jù),而低周疲勞試驗(yàn)除了需要記錄傳感器的峰谷值、試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)等常規(guī)數(shù)據(jù)外,還需要在試驗(yàn)中實(shí)時(shí)計(jì)算彈性模量、區(qū)分彈性和塑性應(yīng)變區(qū)域等。對(duì)于上述數(shù)據(jù)采集、計(jì)算,均需要通過低周疲勞試驗(yàn)中的應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回線進(jìn)行處理,遲滯回線如圖7所示。

圖7 遲滯回線示意圖

應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回線的面積代表塑性變形時(shí)外力所做的功或所消耗的能量。比如地震時(shí)結(jié)構(gòu)處于地震能量場(chǎng)內(nèi),地震能量輸入結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)有一個(gè)能量吸收和耗散的持續(xù)過程。因此,遲滯回線的面積是用來評(píng)定結(jié)構(gòu)耗能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

4.3 軟件流程

一個(gè)完整的低周疲勞試驗(yàn)包括控制流程、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)保存及處理幾個(gè)方面,圖8所示為軟件流程圖。

圖8 軟件流程圖

5 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

通過測(cè)試,獲取了不同時(shí)間的遲滯回線及后期的數(shù)據(jù)。圖9所示為前10個(gè)波形的遲滯回線、穩(wěn)定狀態(tài)的遲滯回線及最后10個(gè)波形的遲滯回線。從這3個(gè)不同時(shí)間段的曲線可以看出,初期試樣處于彈性變形區(qū)域較大,隨著試驗(yàn)進(jìn)行,彈性區(qū)域逐步縮小,塑性變形區(qū)域逐步增加,最后,幾乎試驗(yàn)的每個(gè)循環(huán)周次結(jié)束后都會(huì)導(dǎo)致塑性變形區(qū)域發(fā)生很大的變化。

(a)前10個(gè)波形的遲滯回線

6 結(jié)束語

低周疲勞試驗(yàn)是當(dāng)前核電、航空、機(jī)械工程等工業(yè)領(lǐng)域研究材料疲勞性能的重要手段。低周疲勞試驗(yàn)是很多復(fù)雜試驗(yàn)的基礎(chǔ),因此對(duì)低周疲勞試驗(yàn)技術(shù)及設(shè)備軟硬件開發(fā),都需要進(jìn)一步研究、探索,以提供精度更高、更復(fù)雜的試驗(yàn)手段。