3= 11. 13_，變截面段過渡弧半徑R= 58. 89_。而后 根據(jù)L1, L2, L3, bp b2, R等參數(shù)將材料加工成超聲疲勞試樣，拋光試樣中部的工作區(qū)域，即等 截面段和變截面段表面，達(dá)到光潔度Ra= 〇. 32。對試樣的一側(cè)進(jìn)行攻孔，螺孔直徑為5mm。
[0147] 3.測量加工完的試樣尺寸，測得的實際尺寸為L'丨=12. 5mm，L' 2= 20mm，L' 3 = ll.OOmnbb' i=2.86111111,1^2=9.90mm。由圖5所示可以反算出對應(yīng)的實際諧振頻率f' =19. 88 X IO3Hz0
[0148] 4.將加工好的試樣固定在超聲疲勞試驗機(jī)位移放大器中，調(diào)整冷卻空氣噴嘴，對 準(zhǔn)試樣等截面段部位，打開閥門，冷卻試樣，如圖6所示。
[0149] 5.打開超聲疲勞系統(tǒng)控制軟件，選取圓弧形試樣類型，擬定圓弧形試樣尺寸參數(shù)
為圓弧形試樣中最細(xì)處的半徑，筆為試樣兩端處圓 柱的半徑，i?為試樣中間變截面段長度的一半。由圓弧形試樣兩端處長度的解析公式（6) 或者由超聲疲勞試驗機(jī)系統(tǒng)控制軟件可以求得圓弧形試樣兩端處的長度<=9.86mm。
[0150] 6.擬定含等截面段板狀試樣需要加載的應(yīng)力幅值σ _= 200MPa，根據(jù)擬定的圓 弧形試樣的尺寸參數(shù)
和測得的含等截面 段板狀試樣的尺寸參數(shù) L' 丨=12. 5mm，L' 2= 20mm，L' 3= 11. 00mm，b' 1= 2. 86mm，b' 2 = 9. 90mm以及計算得到的實際諧振頻率f' = 19. 88X 103Hz。由應(yīng)力修正公式即式（9)求得相 同的位移振幅下對應(yīng)的圓弧形試樣的應(yīng)力幅值=447MPa，即需要在系統(tǒng)控制軟件中輸 入的圓弧形試樣的應(yīng)力幅值，此時的振動位移幅值為22. 0 μπι。對比實施例1可以看出，修 正后的應(yīng)力幅值447MPa相比未修正的應(yīng)力幅值449MPa小了 2MPa，位移振幅小了 0· 1 μπι， 如果直接采用未修正的應(yīng)力幅值449MPa加載，將可能導(dǎo)致實際壽命變短。
[0151] 7.在控制系統(tǒng)軟件中設(shè)定好其他各項試驗參數(shù)后，開始含等截面段板狀試樣的軸 向拉壓超聲疲勞試驗，振動頻率為19. 88 X IO3Hz,經(jīng)過I. 84X IO7周次的循環(huán)后，試樣斷裂。
[0152] 以上所述之實施例子只為本發(fā)明之較佳實施例，并非以此限制本發(fā)明的實施范 圍，故凡依本發(fā)明之形狀、原理所作的變化，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種含等截面段板狀試樣的金屬超聲疲勞試驗方法，其特征在于包括以下三部分內(nèi) 容： 第一部分、首先根據(jù)試驗材料的密度和彈性模量，采用解析計算得到含等截面段板狀 軸向拉壓超聲疲勞試樣的尺寸設(shè)計公式； 第二部分、推導(dǎo)含等截面段板狀試樣和圓弧形試樣之間的應(yīng)力轉(zhuǎn)換公式，將含等截面 板狀超聲疲勞試樣的應(yīng)力轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)控制軟件上的圓弧形試樣對應(yīng)的應(yīng)力，利用已有的設(shè) 備和軟件來完成含等截面板狀試樣的超聲疲勞試驗控制； 第三部分、推導(dǎo)當(dāng)含等截面段板狀試樣的實際尺寸與設(shè)計尺寸存在偏差時的應(yīng)力修正 公式，保證試驗控制更加精確。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的含等截面段板狀試樣的金屬超聲疲勞試驗方法，其特征在 于： 所述第一部分中，尺寸設(shè)計公式的計算包括如下幾個具體步驟： 步驟一、測量測試材料的密度P和彈性模量E; 步驟二、對含等截面段板狀軸向拉壓超聲疲勞試樣進(jìn)行解析計算，如下： 2. 1擬定tvb2,Q，1^數(shù)據(jù)，bi為板等截面段的厚度，b2為板兩端處的厚度，Li為板等 截面段長度的一半，L2為板變截面段長度； 2. 2計算板兩端處的長度L3;根據(jù)連續(xù)系統(tǒng)振動理論，材料滿足理想彈性體條件，假定 坐標(biāo)原點為試樣軸向中心，取試樣軸向為X軸；U(x,t)為坐標(biāo)X處的截面在t時刻的縱向 振動位移；S(x)是坐標(biāo)X處試樣橫截面的面積，S'（X)為函數(shù)S(x)的一階導(dǎo)數(shù)，那么試樣 在諧振時的縱向波動方程為：假設(shè)試樣滿足諧振條件，將U(x，t)分離變量成u(x，t) =U(X)e1IJt，代入（1)式得頻率； 根據(jù)板狀試樣的橫截面面積方程其中，h為板等截面段的厚度，b2為板兩端處的厚度，w為板的寬度； 根據(jù)試樣的橫截面面積方程并根據(jù)邊界條件U|xy=U_，U| 'xy= 0，U|,1。=0和 連續(xù)性條件在試樣解析計算時假設(shè)含等截面段板狀試樣的變截面段曲線為懸鏈線，由于機(jī)械加工 難以完成，在實際加工時，用圓弧曲線代替懸鏈線；由變截面段長度L2，最小厚度bi，兩端處3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含等截面段板狀試樣的金屬超聲疲勞試驗方法，其特征在 于： 所述第二部分，具體如下： 含等截面段板狀超聲疲勞試樣的應(yīng)力分布函數(shù)σ(X)通過對位移函數(shù)U(x)求導(dǎo)得到：其最大應(yīng)力幅在試樣中間截面（X= 〇)處，求得含等截面段板狀試樣 的最大應(yīng)力幅σ_為：其中，Ε為試樣材料的彈性模量，對于含等截面段板狀試樣，擬定其尺寸參數(shù)Q，L2,bpb2，首先根據(jù)公式（4)求得板兩 端處的長度L3，擬定需要加載的應(yīng)力幅值為〇 _，由式（5)求得含等截面段板狀試樣應(yīng)力幅 值σ_對應(yīng)的位移幅值對于系統(tǒng)控制軟件中自帶的圓弧形超聲疲勞試樣，擬定<數(shù)據(jù)，貧為圓弧 形試樣中最細(xì)處的半徑，g為試樣兩端處圓柱的半徑，貧為試樣中間變截面段長度的一 半；那么圓弧形試樣兩端處的長度1?由系統(tǒng)控制軟件自動給出，或由圓弧形試樣兩端處長 度的解析公式給出：樣材料的彈性模量，f為試樣振動頻率； 圓弧形試樣的應(yīng)力分布函數(shù)σ°(χ)通過對位移函數(shù)求導(dǎo)得到，圓弧形試樣最大應(yīng)力幅 在試樣中間截面（X= 〇)處：由式（7)可知，為了使含等截面段板狀試樣的位移振幅為1]_，需擬定圓弧形試樣在與 含等截面段板狀試樣相同的位移振幅U_下對應(yīng)的應(yīng)力幅值σ?..為：式（8)即為含等截面段板狀試樣和圓弧形試樣之間的應(yīng)力轉(zhuǎn)換公式，其中，為含 等截面段板狀試樣的應(yīng)力幅值，為相同位移幅值下對應(yīng)的圓弧形試樣應(yīng)力幅值。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含等截面段板狀試樣的金屬超聲疲勞試驗方法，其特征在于 所述第三部分，具體如下： 假定通過精確測量測得實際加工出來的含等截面段板狀試樣尺寸為L'pL' 2,L' 3,b/，b'2,b'i為板等截面段的實測厚度，b' 2為板兩端處的實測厚度，L'i為板等截面段實測長 度的一半，L'2為板變截面段實測長度，L' 3為板兩端處的實測長度；由于試樣實測尺寸與設(shè) 計尺寸存在偏差，將導(dǎo)致試樣的實際諧振頻率可能不是2. 0X104Hz;此時試樣實際諧振頻 率f'可根據(jù)式⑷由試樣的實測尺寸來反算，將L' ^L' 2,b/，b' 2代入式（4)，并將振動頻 率在超聲疲勞試驗機(jī)的振動頻率范圍內(nèi)，即在19. 50X103Hz~20. 50X103Hz之間每隔10Hz 逐一取值編程計算，求得板兩端處的實測長度L' 3和諧振頻率f'之間的對應(yīng)關(guān)系，即可由 1；3的值得到實際諧振頻率f' ； 若f'小于19. 50X103Hz或大于20. 50X103Hz，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； 根據(jù)得到的f'，可以求得含等截面段板狀試樣在應(yīng)力幅值σ_下的實際振動位移幅根據(jù)U'_，由式（8)可以求得給定尺寸圓弧形試樣在振幅U'_下對應(yīng)的應(yīng)力幅值 值，f°= 2. 0X104Hz的表達(dá)式如下：式（9)即為含等截面段板狀試樣的應(yīng)力修正公式；其中，<，1°2，<為給定的 圓弧形試樣的尺寸值，f°= 2. 0X10 4Hz，L' ^L' 2,L' 3,b/，b' 2為含等截面段板狀試樣的實 測尺寸值，f'為由板狀試樣實測尺寸L'pL' 2,L' 3,b/，b' 2反算得到的實際諧振頻率。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種含等截面段板狀試樣的金屬超聲疲勞試驗方法，包括以下三部分內(nèi)容：第一部分、首先根據(jù)試驗材料的密度和彈性模量，采用解析計算得到含等截面段板狀軸向拉壓超聲疲勞試樣的尺寸設(shè)計公式；第二部分、推導(dǎo)含等截面段板狀試樣和圓弧形試樣之間的應(yīng)力轉(zhuǎn)換公式，將含等截面板狀超聲疲勞試樣的應(yīng)力轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)控制軟件上的圓弧形試樣對應(yīng)的應(yīng)力，利用已有的設(shè)備和軟件來完成含等截面板狀試樣的超聲疲勞試驗控制；第三部分、推導(dǎo)當(dāng)含等截面段板狀試樣的實際尺寸與設(shè)計尺寸存在偏差時的應(yīng)力修正公式，保證試驗控制更加精確。本發(fā)明適用于不同金屬材料，涵蓋范圍廣；可用于完成含等截面段板狀試樣的超高周疲勞試驗，無需升級，節(jié)約成本。
【IPC分類】G01N29/12
【公開號】CN105301113
【申請?zhí)枴緾N201510828131
【發(fā)明人】彭文杰, 薛歡, 陳一鳴, 劉冬, 嚴(yán)龍, 曾永龍, 張彥文
【申請人】武漢鋼鐵(集團(tuán))公司
【公開日】2016年2月3日
【申請日】2015年11月25日