专利名称：亚超声高频疲劳试验机的制作方法
技术领域：
本发明属于疲劳检测与试验领域，更加具体地说，涉及一种亚超声频率(5kHz 15kHz)下的疲劳试验装置。
背景技术：
高频疲劳试验机广泛应用于对金属与非金属构件的拉压、扭转、弯曲、点蚀等疲劳性能的检测，属于疲劳检测与试验中应用范围最广、数量最多的一类设备，在机械、电子、航空、航天、冶金等领域有着广泛应用。现有高频疲劳试验机均是采用电磁驱动或电液伺服驱动，一般工作频率不大于500Hz。但是材料的高周疲劳循环周次则介于IO5 IO7之间，超高周疲劳的循环周次更高达IO8以上。如此大的时间和经济成本限制了现阶段高周及超高周疲劳试验及研究。而现有 超声疲劳试验机频率则在20kHz左右，由此会带来材料疲劳性能的频率效应，同时超声疲劳试验机20kHz的工作频率限制了被测试件的大小，会带来疲劳性能的尺寸效应。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种工作于亚超声频带(5kHz^l5kHz)的疲劳试验装置，以利用压电换能器或超磁致伸缩换能器作为高频疲劳试验机的驱动源。本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现:亚超声高频疲劳试验机，工作在亚超声频带(5kHz 15kHz)，采用换能器作为驱动力源，处于工作状态时，与被测试样、从变幅杆共同构成谐振系统。由此在外部交变电信号驱动下，换能器将电信号转化为机械振动，使整个系统处于谐振状态，被测试样上亦有谐振振动及应力，同时设置有预置静载机构为其提供静载，从而实现不同应力比的疲劳试验。本发明的亚超声高频疲劳试验机包括以下组成部分:预置静载机构，预先对试样进行静态加载而设置，可选用卧式电子拉伸试验机，与其配套实现静态加载的部件，包括试验机体I，静载输出轴201，固定轴202，主卡具301，从卡具302:所述试验机体I的一端固定设置有固定轴202,所述固定轴202和试验机体I与从卡具302固定连接，以使三者连为一体且相对位置不发生变动；所述试验机体I的另一端设置有能够伸缩活动的静载输出轴201，所述静载输出轴201与主卡具301之间固定连接，所述主卡具301与试验机体I之间为活动连接，例如采用滑槽或者滑轨结构，这样一来，通过静载输出轴201相对于试验机体I的伸缩来推动主卡具301相对于试验机体I产生位置变化，例如沿着滑槽或者滑轨结构来实现位移。所述主卡具301和从卡具302均可选择圆筒结构，其空腔用于分别固定安放加载端4和从变幅杆7。加载谐振机构，即根据系统预置状态，可对试件进行不同应力比的亚超声(5kHz 15kHz)高频疲劳试验，包括加载端4、从变幅杆7、连接件9:所述从变幅杆7固定设置在从卡具302中，所述从变幅杆7由安装端703、固定凸台702和后端701组成，所述固定凸台可选择圆盘结构，其直径与从卡具302的外径相等，这样以来在安装时，从变幅杆7的后端位于从卡具302的空腔中，将从变幅杆7的固定凸台卡在从卡具302的开口处，两者之间选择设置有绝缘垫5 (例如橡胶)，在固定凸台的外层固定安装从卡具302的封口盖304，两者之间选择设置有绝缘垫5 (例如橡胶)，并选择销钉或者固定螺钉、螺栓以使封口盖、从卡具、绝缘垫和固定凸台固定连接为一体，以使固定安装从变幅杆7在从卡具302中的目的；所述从变幅杆7的安装端一端与固定凸台固定连为一体，另一端表面的中央设置有用于和连接件9连接的连接孔，所述从变幅杆7的安装端具体可选择圆锥结构；所述连接件9与从变幅杆7活动相连，可选择螺纹机构进行相连。所述加载端4由换能器401、节点盘402、主变幅杆403组成，三者依次相连，并固定连接在主卡具301中。所述主变幅杆403上未与节盘点相连的一端的表面中央设置有用于和连接件9连接的连接孔，所述连接件9与主变幅杆403活动相连，可选择螺纹机构进行相连，所述主变幅杆403上与连接件9连接的一端选择圆锥结构。所述加载端4上设置有固定凸台404，所述固定凸台可选择圆盘结构，其直径与主卡具301的外径相等，这样以来在安装时，加载端的后端位于主卡具302的空腔中，将固定凸台卡在主卡具301的开口处，两者之间选择设置有绝缘垫5 (例如橡胶)，在固定凸台的外层固定安装主卡具301的封口盖303，两者之间选择设置有绝缘垫5(例如橡胶)，并选择销钉或者固定螺钉、螺栓以使封口盖、主卡具、绝缘垫和固定凸台固定连接为一体，以实现固定安装加载端4在主卡具301中的目的。所述换能器401选择全波长压电换能器、全波长超磁致伸缩换能器、半波长压电换能器或者半波长超磁致伸缩换能器。当换能器401选择全波长的换能器时，可选择在主变幅杆403上设置固定凸台404,用来和主卡具301固定连接；当换能器401选择半波长的换能器时，可选择缩小主变幅杆所占的体积，直接将节点盘402当做固定凸台404使用。冷却系统8，在测试过程中，采用冷却系统对被测试样6进行冷却，例如循环液体进行冷却，冷却系统8对被测试样6进行温度采样，并自动调节冷却液流量，使被测试样6保持恒温。在进行疲劳测试时，首先加工被测试样，并在其两端加工用于连接的螺纹；然后将加载端4与主卡具301、从变幅杆7与从卡具302分别予以固定；最后利用连接件9，将被测试样6的两端分别与加载端4、从变幅杆7相连。本发明的亚超声高频疲劳试验机工作在亚超声频带(5kHf 15kHz )，采用换能器作为驱动力源，处于工作状态时，通过换能器类型的选择和各个组成结构的长度以使换能器、主变幅杆、被测试样、从变幅杆共同构成谐振系统。由此在外部交变电信号驱动下，换能器将电信号转化为机械振动，使整个系统处于谐振状态，被测试样上亦有谐振振动及应力；同时设置有预置静载机构为其提供静载，从而实现不同应力比的疲劳试验。与现有技术相比，本发明的优点在于根据系统预置状态，可对试件进行不同应力比的亚超声(5kHz"l5kHz)高频疲劳试验,相比于传统高频疲劳试验机,其结构简单体积小，缩短试验周期，高效节能；相比于现有超声疲劳试验机，减小了对材料疲劳性能的频率效应和尺寸效应，故相对于以上二者更适合于高周疲劳性能检测。
图1本发明的亚超声高频疲劳试验机结构示意图(1)，其中试验机体1、静载输出轴201、固定轴202、主卡具301、从卡具302、加载端4、从变幅杆7、待测试样6、冷却系统8。图2本发明的亚超声高频疲劳试验机结构示意图(2)，其中加载端4、从变幅杆7、待测试样6、连接件9。图3本发明的亚超声高频疲劳试验机结构示意图(3)，其中主卡具301、加载端4、绝缘垫5、封口盖303。图4本发明的亚超声闻频疲劳试验机结构不意图(4),其中从卡具302、从变幅杆7绝缘垫5、封口盖304。图5本发明的亚超声高频疲劳试验机结构示意图(5)，其中换能器401、节点盘402、主变幅杆403、固定凸台404、待测试样6、从变幅杆的安装端703、从变幅杆的固定凸台702、从变幅杆的后端701。图6本发明的亚超声高频疲劳试验机结构示意图(6)，其中换能器401、节点盘402、主变幅杆403、待测试样6、从变幅杆的安装端703、从变幅杆的固定凸台702、从变幅杆的后端701。图7采用不同换能器的加载端结构示意图，其中(a)利用全波长压电式换能器的加载端，(b)利用全波长超磁致伸缩换能器的加载端，(C)利用半波长压电换能器的加载端，Cd)利用半波长超磁致伸缩换能器的加载端。图8动载加载波形示意图，其中横坐标为时间S，纵坐标为应力MPa，σ m为静载，Δσ为动态载荷的输入范围。图9动载加载疲劳试验后的样品图片。图10本发明实施例中用最小二乘法以疲劳循环周次拟合成双log S-N曲线。
具体实施例方式以下结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。参考附图1一7所示，本发明的高频疲劳试验机由一个将电能转换成机械能的换能器作为驱动力源，依靠其具有的逆压电效应或磁致伸缩效应将交变电压转化为交变变形，进而对系统提供振动激励。具体结构如下:试验机体1，静载输出轴201，固定轴202，主卡具301，从卡具302:试验机体I的一端固定设置有固定轴202和从卡具302，试验机体I的另一端设置有能够伸缩活动的静载输出轴201，主卡具301与试验机体I之间采用滑轨结构，通过静载输出轴201相对于试验机体I的伸缩来推动主卡具301相对于试验机体I产生位置变化。从卡具302可选择圆筒结构，从变幅杆7固定设置在从卡具302的空腔中，从变幅杆7由安装端703、固定凸台702和后端701组成，固定凸台选择圆盘结构，其直径与从卡具302的外径相等，这样以来在安装时，从变幅杆7的后端位于从卡具302的空腔中，将从变幅杆7的固定凸台卡在从卡具302的开口处，两者之间设置橡胶绝缘垫5，在固定凸台的外侧固定安装从卡具302的封口盖304，两者之间设置有橡胶绝缘垫5，并选择固定螺钉以使封口盖、从卡具、绝缘垫和固定凸台固定连接为一体，以使固定安装从变幅杆7在从卡具302中的目的。从变幅杆7的安装端一端与固定凸台固定连为一体，另一端表面的中央设置有用于和连接件9连接的连接孔，从变幅杆7的安装端选择圆锥形状；连接件9与从变幅杆7活动相连,选择螺纹机构进行相连。主卡具301选择圆筒结构,其空腔用于固定安装加载端4。加载端4由换能器401、节点盘402、主变幅杆403组成，三者依次相连。主变幅杆403上未与节盘点相连的一端(选择圆锥结构)的表面中央设置有用于和连接件9连接的连接孔，连接件9与主变幅杆403活动相连，可选择螺纹机构进行相连。换能器401选择全波长压电换能器、全波长超磁致伸缩换能器、半波长压电换能器或者半波长超磁致伸缩换能器。当换能器401选择全波长的换能器时，选择在主变幅杆403上设置固定凸台404，选择圆盘结构，其直径与主卡具301的外径相等，这样以来在安装时，加载端的后端位于主卡具302的空腔中，将固定凸台卡在主卡具301的开口处，两者之间设置有橡胶绝缘垫5，在固定凸台的外侧固定安装主卡具301的封口盖303，两者之间设置橡胶绝缘垫5，并选择固定螺钉以使封口盖、主卡具、绝缘垫和固定凸台固定连接为一体，以实现固定安装加载端4在主卡具301中的目的；当换能器401选择半波长的换能器时，缩小主变幅杆所占的体积，直接将节点盘402当做固定凸台404使用，实现加载端和主卡具的固定连接。上述使用的橡胶绝缘垫5可起到换能器与卡具的电气绝缘以及机械隔振的作用。在测试过程中，冷却系统8对被测试样6进行冷却，冷却系统8对被测试样6进行温度采样，并自动调节冷却液流量，使被测试样6保持恒温。在换能器对系统提供振动激励后，经全波长主变幅杆(图5)或半波长主变幅杆(图6)与被测试样6、从变幅杆7共同构成谐振系统，例如整个加载端的设计可采用中国专利“一种半波长超声冲击枪”(申请号200710061395.6，申请日2007年10月10日，公开号CN101134195A，
公开日2008年3月5日)中公开的设计方案，采用半波长冲击枪的换能器和变幅杆的技术方案；还可以采用中国专利“一种压电式超声冲击枪”(申请号02100036.0，申请日2002年I月9日，公开号CN1359777A，
公开日2002年7月24日)中公开的压电振动体与振幅杆的技术方案。压电换能器一般采用压电陶瓷串联或并联的组合结构。加载端4与被测试样6之间通过连接件9进行螺纹连接，被测试样6与从变幅杆7之间通过连接件9进行螺纹连接。节点盘402、全波长主变幅杆403与主卡具301连接处、从变幅杆7与从卡具302连接处为高频动载加载结构的三个波节点。换能器401组成四分之一波长，全波长主变幅杆403组成四分之三波长，即加载端4组成全波长；被测试件6组成半波长；从变幅杆7组成半波长，从而使整个高频动载加载结构形成高频谐振(图5)。换能器401组成四分之一波长，半波长主变幅杆403组成四分之一波长，即加载端4组成半波长，被测试件6组成半波长，从变幅杆7组成半波长，从而使整个高频动载加载结构形成高频谐振(图6)。参照图8，在固定待测试样后，启动预置静载机构，预先对试样进行静态加载而设置，通过静载输出轴201的运动实现加载端对待测试样输入静载σ m，对被测试样6施加静载后保持恒定。启动换能器电源，输入应力范围△ σ，计算机将其转化为交变信号电流值，换能器将电信号转化为机械振动，使高频加载系统处于谐振状态，被测试样6上亦有谐振振动及应力，从而实现任何应 力比的疲劳检测与试验。试样断裂后，谐振状态停止，计算机输出循环周次即疲劳寿命N。使用5Α06铝合金为实验材料，选择频率14kHz (即加载端的频率，换能器和主变幅杆输出的超声冲击的频率)，进行试样疲劳测试，断裂样品如附图9所示，断裂位置在样品中央。
权利要求
1.超声高频疲劳试验机，采用换能器作为驱动力源，与被测试样、从变幅杆共同构成谐振系统，其特征在于，包括以下组成部分: 预置静载机构，预先对试样进行静态加载而设置，包括试验机体，静载输出轴，固定轴，主卡具，从卡具: 所述试验机体的一端固定设置有固定轴，所述固定轴和试验机体与从卡具固定连接，以使三者连为一体且相对位置不发生变动；所述试验机体的另一端设置有能够伸缩活动的静载输出轴，所述静载输出轴与主卡具之间固定连接，所述主卡具与试验机体之间为活动连接,通过静载输出轴相对于试验机体的伸缩来推动主卡具相对于试验机体产生位置变化； 加载谐振机构，根据系统预置状态，可对试件进行不同应力比的亚超声高频疲劳试验，包括加载端、从变幅杆、连接件: 所述从变幅杆固定设置在从卡具中，所述从变幅杆由安装端、固定凸台和后端组成，所述固定凸台直径与从卡具的外径相等，以使在安装时，从变幅杆的后端位于从卡具的空腔中，将从变幅杆的固定凸台卡在从卡具的开口处，两者之间设置有绝缘垫，在固定凸台的外层固定安装从卡具的封口盖，两者之间设置有绝缘垫，并进行固定以使封口盖、从卡具、绝缘垫和固定凸台固定连接为一体，以使固定安装从变幅杆在从卡具中的目的；所述从变幅杆的安装端一端与固定凸台固定连为一体，另一端表面的中央设置有用于和连接件连接的连接孔；所述连接件与从变幅杆活动相连； 所述加载端由换能器、节点盘、主变幅杆组成，三者依次相连，并固定连接在主卡具中，所述主变幅杆上未与节点盘相连的一端的表面中央设置有用于和连接件连接的连接孔，所述连接件与主变幅杆活动相连，所述加载端上设置有固定凸台，其直径与主卡具的外径相等，在安装时，加载端位于主卡具的空腔中，将固定凸台卡在主卡具的开口处，两者之间设置有绝缘垫，在固定凸台的外层固定安装主卡具的封口盖，两者之间设置有绝缘垫，并选择固定以使封口盖、主 卡具、绝缘垫和固定凸台固定连接为一体，以实现固定安装加载端在主卡具中的目的； 冷却系统对被测试样进行温度采样，并自动调节冷却液流量，使被测试样保持恒温。
2.根据权利要求1所述的亚超声高频疲劳试验机，其特征在于，所述换能器选择全波长压电换能器、全波长超磁致伸缩换能器、半波长压电换能器或者半波长超磁致伸缩换能器。
3.根据权利要求2所述的亚超声高频疲劳试验机，其特征在于，当换能器选择全波长的换能器时，选择在主变幅杆上设置固定凸台，用来和主卡具固定连接；当换能器选择半波长的换能器时，选择缩小主变幅杆所占的体积，直接将节点盘当做固定凸台使用。
4.根据权利要求1所述的亚超声高频疲劳试验机，其特征在于，所述主卡具和从卡具选择圆筒结构；所述加载端和从变幅杆的固定凸台选择圆盘结构，其直径分别与主卡具、从卡具的外径相等。
5.根据权利要求1所述的亚超声高频疲劳试验机，其特征在于，所述主卡具与试验机体之间的活动连接采用滑槽或者滑轨结构；所述绝缘垫选择橡胶绝缘垫。
6.根据权利要求1所述的亚超声高频疲劳试验机，其特征在于，所述主卡具和加载端的固定连接，所述从卡具和从变幅杆的固定连接，选择销钉或者固定螺钉、螺栓以使封口盖、从卡具或者主卡具、绝缘垫和固定凸台固定连接为一体。
7.根据权利要求1所述的亚超声高频疲劳试验机，其特征在于，所述从变幅杆的安装端选择圆锥结构；所述主变幅杆上与连接件连接的一端选择圆锥结构；所述从变幅杆和连接件的活动连接、主变幅杆和连接件的活动连接选择螺纹机构进行相连。
8.用如权利要求1所述的亚超声高频疲劳试验机进行试样疲劳测试的方法，其特征在于，在进行疲劳测试时，首先加工被测试样，并在其两端加工用于连接的螺纹；然后将加载端与主卡具、从变幅杆与从卡具分别予以固定；最后利用连接件，将被测试样的两端分别与加载端、从变幅杆相连；采用换能器作为驱动力源，以使换能器、主变幅杆、被测试样、从变幅杆共同构成谐振系统，在外部交变电信号驱动下，换能器将电信号转化为机械振动，使整个系统处于谐振状态。
9.根据权利要求8所述的进行试样疲劳测试的方法，其特征在于，所述亚超声频带为5kHz 15kHz ο
10.根据权利要求8所述的进行试样疲劳测试的方法，其特征在于，通过预置静载机构为被测试样提供静载，从而 实现不同应力比的疲劳试验。
全文摘要
本发明公开了一种亚超声高频疲劳试验机，采用换能器作为驱动力源，与被测试样、从变幅杆共同构成谐振系统，另有预置静载机构为试件提供静载。换能器可选择用全波长换能器和半波长换能器。在外部交变电压驱动下，换能器将电信号转化为机械振动，使整个系统处于谐振状态，被测试样上有谐振振动及应力，从而实现疲劳检测。换能器可采用压电换能器，亦可采用超磁致伸缩换能器。根据系统预置状态，可对试件进行不同应力比的亚超声高频疲劳试验，相比于传统高频疲劳试验机，其结构简单体积小，缩短试验周期，高效节能；相比于现有超声疲劳试验机，减小了对材料疲劳性能的频率效应和尺寸效应。
文档编号G01N3/38GK103091184SQ20131004721
公开日2013年5月8日 申请日期2013年2月5日 优先权日2013年2月5日
发明者王东坡, 吴良辰, 柳阳, 张涛, 黄超, 王颖 申请人:天津天东恒科技发展有限公司