超声疲劳试件设计及疲劳寿命研究

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近几十年随着人类科技水平的不断进步与发展,尤其在航空航天、轨道交通和机械制造等领域里面的结构和机械设备对运行速度和使用寿命需求都成倍增加。自二战以来,机械领域的超高周疲劳(Very High cycle Fatigue)的问题逐渐呈现出来。以往的传统疲劳试验方法由于振动频率很低,在测量使用寿命达到10~9循环周次零部件的疲劳寿命规律时,用传统的疲劳试验方法绘制S-N曲线需要耗费巨量的时间与成本。而采用超声疲劳试验就会在时间和成本控制方面有巨大的改善。在上述的背景与问题下,本文以超高周疲劳试验中试件的理论设计和所处工作环境为切入点,结合对超声疲劳装置、试验流程的演化历程、国内外超声疲劳试验测试系统的总结分析,对铝合金7075-T6试件进行优化设计和超声疲劳试验。本文主要研究如下:(1)本文针对超声疲劳试验系统的数据采集需求,开发出集成记录检测功能的超高周疲劳试验测控系统,可以满足试件在试验过程中的系统谐振频率、加载时间、环境温度和试件最大位移的动态检测和记录要求,极大的提升测量准确度和缩短试验时间,为后续试验提供软件支持。(2)本文通过超高周疲劳理论设计出试件的几何尺寸,并利用AnsysWorkbench进行有限元分析与结构优化设计,分析试件各项尺寸参数与试件固有频率和试件最小截面所承受的最大应力值之间的敏感性系数图,可以得到试件各项尺寸和系统谐振频率存在线性关系。(3)本文通过表面轮廓测微仪测量实际加工后的试件尺寸,利用SPSS软件进行数据分析,得到多元线性回归模型具体方程式,根据回归方程改变试件的谐振长度和直径大小使超声疲劳试验系统整体的共振频率达到20k Hz,去除加工误差对试验共振频率的影响。(4)本文对7075-T6铝合金试件开展在9种不同最大应力情况下的超声疲劳试验,通过对比疲劳寿命规律S-N曲线,来验证超声疲劳测控软件系统与试验装置的可靠性,对试件断口进行宏观和微观观察,分析材料超高周疲劳断裂原理与裂纹萌生和扩展方式。
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