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鋁合金隨機(jī)荷載作用下的疲勞性能
確定疲勞壽命的 2024-T3 和鋁合金 6061-T6是由作者G.M.Brown和R.Ikegami進(jìn)行實驗調(diào)查
摘要-本文介紹了實驗的進(jìn)行，以確定兩個鋁合金材料的疲勞壽命 (2024-T3 及 6061-T6)。它們受到這兩個等應(yīng)變幅正弦和窄帶隨機(jī)應(yīng)變幅疲勞載荷。從窄帶隨機(jī)測試獲得的疲勞壽命值基于邁納的線性積累的損傷假說的理論預(yù)測進(jìn)行比較。鋁合金材料制作的懸臂梁測試標(biāo)本通過電磁振動器勵磁的方式受到等應(yīng)變幅正弦或窄帶隨機(jī)基礎(chǔ)激勵。發(fā)現(xiàn)兩種合金的 e N 曲線可以非常接近三直線段的低、 中和高周疲勞壽命范圍內(nèi)。邁納的假說用于此類型的預(yù)測材料的窄帶隨機(jī)疲勞周期~-N 的性能。這些疲勞壽命預(yù)測發(fā)現(xiàn)了一貫高估實際疲勞值的 2 或 3 倍。但是，發(fā)現(xiàn)預(yù)測的疲勞壽命曲線的形狀和高周疲勞性能的兩種材料都與實驗的結(jié)果相吻合。
簡介
受到隨機(jī)載荷的金屬結(jié)構(gòu)的疲勞壽命預(yù)測的問題，一般是先制定一個損害標(biāo)準(zhǔn)的積累，然后應(yīng)用此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定條件的不同循環(huán)載荷幅值解決。第一，仍然預(yù)測，在疲勞損傷積累的最常用的標(biāo)準(zhǔn)是由A.Palmgrε-N提出并由M.A.邁納申請。這一標(biāo)準(zhǔn)假定積累損害的問題可被視為一個其中疲勞壽命的分?jǐn)?shù)從振幅 ε-N 曲線確定不同的負(fù)載級別用完可能只需添加到提供一個索引的疲勞損傷，一般稱為邁納的線性-積累--損失的條件。
本文介紹了部分研究結(jié)果，以確定受到窄帶隨機(jī)載荷-鋁合金結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測方法進(jìn)行隨機(jī)載荷。實驗方案進(jìn)行了確定懸臂束測試標(biāo)本，必須等應(yīng)變振幅的正弦或窄帶隨機(jī)應(yīng)變振幅疲勞載荷的周期。試樣在隨機(jī)載荷作用下的疲勞壽命與基于預(yù)測的邁納標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用進(jìn)行對比。
實驗方案
兩種常用的鋁合金2024-T3和6061-T6進(jìn)行疲勞試驗。這兩種合金的力學(xué)性能列于表1，真應(yīng)力和真應(yīng)變曲線圖1和圖2。
tupian應(yīng)變硬化指數(shù)，?，表現(xiàn)了塑性范圍中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。
Gongshi 這些屬性是根據(jù)確定的單軸拉伸試驗用兩種合金制成的張力試樣。在這兩種情況下，張力標(biāo)本和疲勞標(biāo)本是從加工平行的滾動方向的標(biāo)本的縱向軸與鋁、 同一負(fù)債表。這樣做是為了確保測試這兩種類型之間的一致性。做疲勞試驗的大多數(shù)是對電磁振動器勵磁，與正在執(zhí)行 Instron 測試儀的低周期等應(yīng)變幅測試的一小部分。為進(jìn)行測試，已在振動勵磁機(jī)上執(zhí)行，疲勞試驗?zāi)Ｐ褪腔A(chǔ)的激勵作用下的懸臂梁顯示于圖 3 (a)。
窄帶隨機(jī)疲勞測試中，激勵指定的頻率帶寬較窄帶信號與高斯基地加速振幅和均勻頻譜。激發(fā)帶為中心的根本束共振。正弦疲勞測試是略高于基本梁共振勵磁頻率進(jìn)行的。因此循環(huán)加載的類型被完全扭轉(zhuǎn)彎曲。懸臂標(biāo)本異形沿梁長度最大彎曲應(yīng)力，遠(yuǎn)離固定端將在第一振動模式。草繪的測試樣本配置如圖 4 所示。試驗樣品被這直接相連的電樞的振動勵磁機(jī)安裝夾具的夾在中間。從圖中可以看出，每個疲勞試驗標(biāo)本所載兩懸臂梁標(biāo)本的同時都感到興奮。結(jié)束質(zhì)量、 形式的恩德夫科公司模型 2216年水晶加速度計，被附加在一端的懸臂梁標(biāo)本。在圖所示的模式形狀和相應(yīng)的彎曲應(yīng)力分布的前兩個振動模式。3（b)和圖3（c）。
從梁共振，最大彎曲應(yīng)力發(fā)生在7/8英寸，從梁的固定端的距離。第一束共振的頻率是大約 115 cps。標(biāo)本被仔細(xì)手拋光之前，刪除任何尖角，消除所有可見表面的劃痕，該地區(qū)的最大應(yīng)力測試發(fā)生。要測量應(yīng)變級別疲勞測試期間，應(yīng)變片被裝在每個標(biāo)本在發(fā)生彎曲應(yīng)力的最大值的位置點(diǎn)。發(fā)現(xiàn)疲勞壽命應(yīng)變儀安裝的是一般的試件疲勞壽命比小得多。為此，從安裝在梁的自由端的加速度計的信號用于確定疲勞標(biāo)本的故障時間。從加速度計的信號用于觸發(fā)的停用一個計時器時加速級別降至 50%的名義 RMS 加速級別的繼電器。據(jù)指出出現(xiàn)故障，加速級別刪除非常迅速，這樣，計時器表示非常密切的標(biāo)本的失效的總時間。圖 5 中的圖片顯示裝載的振動勵磁機(jī)只是之前，測試上的疲勞試驗標(biāo)本。
從圖中可以看出，由拼接兩個更小、 更靈活，鉛電線電纜標(biāo)準(zhǔn)來說加速度計建造特別加速度傳感器電纜。這樣做是為了盡量減少對標(biāo)本的加速度計電纜振動的影響。雖然接頭增加噪音污染，信號水平是如此之大這種增加噪音不是明顯的。
來自應(yīng)變計和加速度計的信號是在測試期間監(jiān)測，并記錄在磁帶上。每個測試之后, 錄制的信號被播放到波分析儀系統(tǒng)以確定 RMS 級別。數(shù)字計算機(jī)被用于執(zhí)行時間序列從窄帶隨機(jī)疲勞測試獲得的隨機(jī)信號分析。典型的窄帶隨機(jī)測試期間的應(yīng)變響應(yīng)的應(yīng)變規(guī)范掃雷具密度情節(jié)如圖 6 所示。
如所料，這張圖指示可以認(rèn)為疲勞標(biāo)本是一個很輕阻尼的單自由度體系。最可能的這種窄帶反應(yīng)的振動頻率可以顯示系統(tǒng)的共振頻率。因此，周期失效 （即零與正斜率的過路處的總?cè)藬?shù)） 的總數(shù)被假定為失效的總時間，以秒為單位乘以每秒周期的共振頻率。在等幅、 正弦測試周期失效的總數(shù)是只是總時間失效以秒為單位乘以勵磁頻率每秒周期。
對于振動激振器上進(jìn)行的測試，失效的總周期的范圍是從2) < 10 5 ? 10 ~ 周期。相應(yīng)的應(yīng)變水平從600到3500不等顯微窄帶隨機(jī)疲勞試驗RMS，從1700年到7000微應(yīng)變恒定振幅測試。由于循環(huán)對振動激勵器的快速率,它無法可能獲得的生命值低于約 2×103疲勞數(shù)據(jù)周期內(nèi)，使用上面描述的測試設(shè)置。為此，英斯特龍測試儀進(jìn)行了一些低周期、 等應(yīng)變幅疲勞測試。邁納的標(biāo)準(zhǔn)的低周期的了解中，恒定振幅兩種材料的疲勞性能必要關(guān)聯(lián)恒定振幅和窄帶隨機(jī)疲勞的結(jié)果。（圖表）為瑞利分布，RMS值的3.72倍，超過峰值的概率是0.1%。可以預(yù)期RMS的應(yīng)變窄帶隨機(jī)試驗以來的最高水平是3500微應(yīng)變，峰值應(yīng)變水平約14,000微應(yīng)變。振動激振器能夠產(chǎn)生恒定振幅只有7000微應(yīng)變峰值應(yīng)變，因此，其他手段都必須以產(chǎn)生一個連接圖高達(dá)14000微應(yīng)變邁納的故障預(yù)測所需的水平。英斯特郎測試率約5 cpm在編程周期與應(yīng)變振幅高達(dá)40000微應(yīng)變是用來獲取低周期數(shù)據(jù)。振動勵磁機(jī)測試中使用標(biāo)本再次加載不完全彎曲基本上相同。
圖7中提供登記表疲勞測試的測試設(shè)置的照片。試樣標(biāo)本振動激振器安裝時舉行以同樣的方式舉行試樣安裝夾具安裝在橫梁英斯特郎測試。標(biāo)本的一角舉行了兩個隊的成員連接的尖端試驗機(jī)的框架固定?；鼗驒M梁，然后通過不斷地偏轉(zhuǎn)循環(huán)。從登記表測試儀計數(shù)器確定失效的周期數(shù)。
振動勵磁機(jī)上執(zhí)行的疲勞測試的結(jié)果如圖8和圖9所示，RMS應(yīng)變級別已被繪制與周期來的懸臂梁標(biāo)本失效的總數(shù)。（圖表）等幅和窄帶隨機(jī)結(jié)果已在上繪制在同一圖表強(qiáng)調(diào)疲勞壽命的差異獲得兩個不同類型的加載同一RMS應(yīng)變級別。
可以注意到這兩種材料，當(dāng)?shù)葢?yīng)變幅正弦和窄帶隨機(jī)應(yīng)變變幅疲勞荷載，展示耐力極限現(xiàn)象在很低的應(yīng)變級別。大多數(shù)的恒定振幅的數(shù)據(jù)似乎在RMS應(yīng)變振幅的周期總數(shù)的積失效記錄檔記錄的直線下降。6061-T6在高應(yīng)變水平的數(shù)據(jù)表明有一些偏差。這些點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)變以及成塑性的地區(qū)是可以預(yù)料的。相信2024-T3的材料會高于獲得能夠與現(xiàn)有的振動勵磁測試設(shè)置顯示在較高的應(yīng)變水平的同一類的偏差。窄帶隨機(jī)疲勞試驗結(jié)果表明：雙對數(shù)坐標(biāo)上的同一個斜坡，這是為相應(yīng)的恒定振動振幅相同的線性關(guān)系數(shù)據(jù)RMS應(yīng)變水平較低。這些數(shù)據(jù)，然后開始偏離較多的應(yīng)變峰值預(yù)計將超過屈服應(yīng)變在較高的應(yīng)變水平。
英斯特朗測試儀上執(zhí)行的固定應(yīng)變振幅疲勞試驗的結(jié)果顯示如圖10和圖11所示，峰值應(yīng)變εφ幅度已與繪制的周期總數(shù)的懸臂梁試樣的失效。斯特朗測試數(shù)據(jù)繪制恒定振幅與振動勵磁測試結(jié)果。由于材料表現(xiàn)出低頻效果一般顯示較低的疲勞壽命值作為循環(huán)頻率降低，他認(rèn)為在循環(huán)頻率的差異并沒有很大影響的兩個試驗材料的疲勞性能，因此兩套數(shù)據(jù)可以直接比較。但一般認(rèn)為，幾乎沒有顯著影響時，工作頻率高達(dá)CPS約1000。
如圖10和圖11所顯示的拉伸試驗的結(jié)果可以看出經(jīng)歷過大的塑性應(yīng)變時的應(yīng)力幅與失效的周期數(shù)積將是沒有多大用處。由于塑性的范圍類一個大的增量應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的性質(zhì)提高應(yīng)變對應(yīng)一個非常小的壓力逐步增加。因此在本文中無論是RMS應(yīng)變振幅或者振幅的峰值應(yīng)變εР繪制對比周期數(shù)。符號εР是峰值應(yīng)變，而不是“塑性變形”。
如圖10和圖11顯示，低循環(huán)疲勞數(shù)據(jù)似乎在一條直線上的峰值應(yīng)變振幅與失效的周期數(shù)的log-log圖。在這兩種情況下，這條線的斜率是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高周期數(shù)據(jù)通過及格線的斜率更大。
這些日志記錄圖上的直線關(guān)系表示，為常數(shù)，應(yīng)變振幅循環(huán)，失效和峰值應(yīng)變振幅周期總數(shù)之間的近似關(guān)系可以在指數(shù)形式獲得。在高周期范圍，這種關(guān)系可以表示為
在低周期范圍，這種關(guān)系可以表示為
k1和k2是常數(shù)。Nｆ是在峰值應(yīng)變振幅和εР 周期失效下b1和b2兩種材料的值在圖10和圖11和表2中。
這種斜率在低周期的變化，高應(yīng)變振幅地區(qū)是在與許多其他試驗者的意見一致。L.F.Coffin觀察，許多材料，如果繪制周期數(shù)與失效的塑性應(yīng)變振幅，b1是約等于2。
使用的固定應(yīng)變振幅疲勞試驗的結(jié)果，窄帶隨機(jī)疲勞試驗的結(jié)果可以與邁納的線性積累損傷的假設(shè)為基礎(chǔ)的預(yù)測。
邁納的線性累積損傷準(zhǔn)則
正如前面所討論的，邁納的故障預(yù)測假設(shè)失敗是由于一個損壞的線性積累，可以確定其外的恒定振幅測試結(jié)果。（表12）測試材料10和11完整的恒定振幅的結(jié)果，包括低收入和高循環(huán)疲勞壽命范圍內(nèi)，已在圖繪制。這兩種材料的ε-N曲線從這些數(shù)字可以看出近似由三個直線段時，日志記錄的規(guī)模繪制，可以表明這三個范圍的原理如圖12所示。
在范圍2內(nèi)，它會假設(shè)，ε-N圖是一個直線上的log-log圖與1/b2負(fù)斜率從零到N1周期。在范圍1內(nèi)，它會假設(shè)從Nε直線延遲300到N周期具有負(fù)斜率的1/b1。在水平對應(yīng)的耐力應(yīng)變。認(rèn)為它低于這個水平的應(yīng)變沒有最終的疲勞失效的影響。因此ε-N曲線可以表示為
和
在這種情況下，線性積累的損傷在峰值應(yīng)變方程可以寫成振幅
Pp(εp)的概率密度函數(shù)的峰值應(yīng)變振幅，T表示要失效的總時間和Mo是正峰值每秒數(shù)。因此，MoT代表正峰失效總數(shù)。由于應(yīng)變響應(yīng)窄帶過程中，峰值應(yīng)變激發(fā)加強(qiáng)高斯分布的概率密度函數(shù)是一個雷射線分布，可表示為
利用（3），（4）和（5）累計可得公式
假定發(fā)生時，損傷的積累是同等統(tǒng)一，使正逢失效總數(shù)最終失效。這個方程的解為CDC6400數(shù)字電腦編程。在邁納的兩個材料進(jìn)行預(yù)測計算中使用的參數(shù)列于表2。
在圖8和圖9虛線表示對邁納假設(shè)為基礎(chǔ)的預(yù)測。正如從這些數(shù)字可以看出，雖然按照數(shù)據(jù)的趨勢形式出現(xiàn)，邁納的預(yù)測始終高估疲勞壽命的2到3倍。
結(jié)論
共振電磁激振器振動疲勞試驗似乎是一個非常快速，經(jīng)濟(jì)的方式獲得固定應(yīng)變振幅的正弦和隨機(jī)應(yīng)變振幅疲勞載荷數(shù)據(jù)。然而，由于高循環(huán)率，低周疲勞的數(shù)據(jù)就無法獲得這種方式了。
測試的鋁合金，似乎有三個不同的疲勞范圍對應(yīng)三種不同的線路段須符合的ε-N數(shù)據(jù)繪制在一個日志記錄的規(guī)模。窄帶隨機(jī)載荷條件下地疲勞壽命預(yù)測適用于邁納標(biāo)準(zhǔn)，ε-N的數(shù)據(jù)必須是完整的了至少四次RMS應(yīng)變水平的隨機(jī)載荷的應(yīng)變水平。
對邁納標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的預(yù)測似乎始終高估了實際的疲勞壽命，然而預(yù)測曲線的形式似乎是正確的，并按照數(shù)據(jù)的趨勢非常接近。
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