低周疲劳试验技术研究及上位机软件设计

孙 健,刘杰华,孙 鹏,韩 明,苗天祺,杨秀光,杨添博,刘 璐

(1.中机试验装备股份有限公司,吉林 长春 130103;2.中国移动通信集团有限公司,吉林 长春 130000)

1 引 言

早在19世纪时,德国人W.A.艾伯特就提出了疲劳试验方法,并对矿山提升用的焊接链进行了反复加载。后来,法国人J.V.彭赛列在其著作中使用了“疲劳”一词。随着工业的不断发展,越来越多的学者对疲劳试验进行了研究与探索。

2 疲劳试验分类

根据试验特征的不同,疲劳试验可分成不同的种类。

根据循环荷载的不同幅值需求,可以分为等幅循环疲劳试验、变幅循环疲劳试验以及随机循环疲劳试验(如图1所示)。该分类方法主要是根据不同的行业需求而定,如常温下金属材料、复合材料等的特性测试,多采用等幅循环疲劳试验方式;在航空航天等变温变幅的复杂环境下,需要采用变幅循环疲劳试验方式;对于汽车整车及运输等行业,需要进行随机循环疲劳试验。

图1 疲劳试验曲线

根据被测材料破坏前所经历的循环次数(也称为试样寿命),疲劳试验可分为两种,即低周疲劳与高周疲劳。区分高周疲劳和低周疲劳的试验循环次数多以104次为界限,循环次数小于104为低周疲劳试验,大于104则为高周疲劳试验。

低周疲劳与高周疲劳除了按照循环次数区分,也有部分行业按照控制方式区分,认为采用应变控制方式的疲劳试验为低周疲劳试验,采用应力控制方式的疲劳试验为高周疲劳试验。本文介绍的低周疲劳试验就是按照应变控制方式划分的。

高周疲劳与低周疲劳的区别,除了试验循环次数不同外,材料所受到的应力也不相同。高周疲劳试验中,材料所受的最大交变应力远低于材料的极限强度,试验过程中产生的形变基本在试样的弹性变形区域内,通常用S-N曲线描述材料的特性。而低周疲劳试验中,材料所受的应力水平较高,通常接近材料的极限强度,试验中产生的形变包括试样的弹性变形区域和塑性变形区域两部分,认为低周疲劳破坏是塑性变形累积的结果,因此又把低周疲劳称为塑性疲劳。

3 低周疲劳试验影响因素

3.1 概述

大多数的低周疲劳试验采用应变控制方式,也就是采用引伸计进行控制。相较于位移及应力控制,应变控制的难度相对较大。应变控制的灵敏度较高,调节困难,故试验设备的主机、油源、电控等几乎任何一个环节都会影响到试验结果。除了试验设备自身因素,试验室环境、操作人员熟练程度等也会影响低周疲劳试验数据精度。低周疲劳试验装置如图2所示。

图2 试验设备

3.2 主机及单元部件的影响

主机主要包括框架、试验夹具、引伸计(高温装置)、液压作动器、载荷传感器及位移传感器等部分,如图3所示。试样的连接环节包括夹具、横梁及中间的连接件,任何环节都不能有松动或间隙,同时要保证该环节的同轴度。如果同轴度偏差较大,不仅会影响试验结果,甚至有可能导致试样刚刚夹持就发生形变,从而使引伸计夹持不稳,严重时会造成试验失控,导致试样直接断裂损坏。

图3 单元部件示意图

在试验设备使用前,需要先通过位移控制方式进行调试,测试液压作动器是否能够达到控制精度的要求。若位移控制不稳定或者无法达到精度要求,则肯定无法进行低周疲劳测试,需要重新检查、测试主机运行情况是否良好。

除主机及相关部件外,油源对试验结果也有一定的影响,特别是油源电控的稳定性。电控主要包括油源/子站电控、控制器外围线缆及传感器线缆,电气设计最关心的是安全性与可靠性。电气的可靠性会直接影响低周疲劳试验的采集精度及控制精度。在低周疲劳试验过程中,因为每个用户的试验室环境都不相同,试验室建设过程中的电源布线及地线设计未必完全参照标准,有可能会对设备的电气系统产生信号干扰,这就要求使用的线缆抗干扰能力强、屏蔽效果好,电气设计过程中的布局、走线等要更加合理,尽量增加磁环、电源隔离等设备进行防护。

3.3 试验室环境的影响

试验室必须具备恒定的室温及相对湿度、最小限度的大气污染(如灰尘、化学蒸气等)等。要确保试验室电源良好接地,避免与大功率设备在同一区域使用,否则低周疲劳试验会受到强烈干扰,甚至无法试验。试验室布置如图4所示,虽然试验室内部设备均是单独个体,但在运行中,每个设备之间也会产生互相干扰。

图4 试验室布置

如果用户试验室接地情况良好并且车间没有其他强信号干扰,则可以接地,否则,接地会让干扰信号通过地线进入到控制器中,导致控制不稳或采集有毛刺。所以,对于传感器的地线,并不是所有情况下的接地都会有很好的效果。

4 上位机软件设计

上位机软件是整个试验设备的重要组成部分,用以实现设备的各种功能。要结合用户操作体验、程序执行效率、未来的升级维护等多方面的因素进行试验设备上位机软件的设计开发。

4.1 软件结构

对于低周疲劳试验,无论是常温试验还是高温试验,试验流程是相同的,不同之处在于高温试验需要进行温度控制。目前,国内外对于高温低周疲劳试验均采用独立的温控系统,无需软件干预。图5所示为低周疲劳试验软件界面。

图5 软件界面

低周疲劳试验主要包括试样属性设置、试验参数设置、数据保存及后期的数据处理。试样属性包括式样的直径、长度、材质等。其中,试样的直径测量要尽量精准,因为该参数会应用在试验参数中,通过该参数计算应力及应变。

软件功能框图如图6所示,软件架构基于.NET平台,采用WPF与C#结合的开发模式。软件采用界面设计与数据处理及算法分离的方式。软件界面以WPF为基础开发,完成基本操作、设置及显示等功能;C#负责数据处理及标准试验算法设计,以动态库的形式进行开发。这种独立开发模式有如下好处:(1)有助于团队合作,每个人各司其职,只要完善好接口函数,各部分可以完好对接;(2)具有良好的继承性,软件在今后的升级中,无论是界面还是功能算法,互不影响,新增加的功能可以按照模块或者以动态库形式嵌入到原软件之中。

图6 软件功能框图

4.2 数据处理

低周疲劳试验的试验过程参数设置与高周疲劳试验基本相似。同为疲劳试验,两者的主要区别在于试验过程中的数据采集及计算。高周疲劳试验主要记录应力和试验循环次数,部分行业需要记录应力及位移等传感器的峰谷值数据,而低周疲劳试验除了需要记录传感器的峰谷值、试验循环次数等常规数据外,还需要在试验中实时计算弹性模量、区分弹性和塑性应变区域等。对于上述数据采集、计算,均需要通过低周疲劳试验中的应力-应变迟滞回线进行处理,迟滞回线如图7所示。

图7 迟滞回线示意图

应力-应变迟滞回线的面积代表塑性变形时外力所做的功或所消耗的能量。比如地震时结构处于地震能量场内,地震能量输入结构,结构有一个能量吸收和耗散的持续过程。因此,迟滞回线的面积是用来评定结构耗能的一项重要指标。

4.3 软件流程

一个完整的低周疲劳试验包括控制流程、数据采集、数据计算、数据保存及处理几个方面,图8所示为软件流程图。

图8 软件流程图

5 试验测试结果分析

通过测试,获取了不同时间的迟滞回线及后期的数据。图9所示为前10个波形的迟滞回线、稳定状态的迟滞回线及最后10个波形的迟滞回线。从这3个不同时间段的曲线可以看出,初期试样处于弹性变形区域较大,随着试验进行,弹性区域逐步缩小,塑性变形区域逐步增加,最后,几乎试验的每个循环周次结束后都会导致塑性变形区域发生很大的变化。

(a)前10个波形的迟滞回线

6 结束语

低周疲劳试验是当前核电、航空、机械工程等工业领域研究材料疲劳性能的重要手段。低周疲劳试验是很多复杂试验的基础,因此对低周疲劳试验技术及设备软硬件开发,都需要进一步研究、探索,以提供精度更高、更复杂的试验手段。