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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(shí)驗(yàn)調(diào)查
摘要-本文介紹了實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，以確定兩個(gè)鋁合金材料的疲勞壽命 (2024-T3 及 6061-T6)。它們受到這兩個(gè)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(cè)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(cè)進(jìn)行比較。鋁合金材料制作的懸臂梁測(cè)試標(biāo)本通過電磁振動(dòng)器勵(lì)磁的方式受到等應(yīng)變幅正弦或窄帶隨機(jī)基礎(chǔ)激勵(lì)。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(cè)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(cè)發(fā)現(xiàn)了一貫高估實(shí)際疲勞值的 2 或 3 倍。但是，發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)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(shí)驗(yàn)的結(jié)果相吻合。
簡(jiǎn)介
受到隨機(jī)載荷的金屬結(jié)構(gòu)的疲勞壽命預(yù)測(cè)的問題，一般是先制定一個(gè)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(cè)，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(qǐng)。這一標(biāo)準(zhǔn)假定積累損害的問題可被視為一個(gè)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(jí)別用完可能只需添加到提供一個(gè)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(cè)方法進(jìn)行隨機(jī)載荷。實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行了確定懸臂束測(cè)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(cè)的邁納標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用進(jìn)行對(duì)比。
實(shí)驗(yàn)方案
兩種常用的鋁合金2024-T3和6061-T6進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。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(yàn)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(dòng)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(cè)試這兩種類型之間的一致性。做疲勞試驗(yàn)的大多數(shù)是對(duì)電磁振動(dòng)器勵(lì)磁，與正在執(zhí)行 Instron 測(cè)試儀的低周期等應(yīng)變幅測(cè)試的一小部分。為進(jìn)行測(cè)試，已在振動(dòng)勵(lì)磁機(jī)上執(zhí)行，疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪腔A(chǔ)的激勵(lì)作用下的懸臂梁顯示于圖 3 (a)。
窄帶隨機(jī)疲勞測(cè)試中，激勵(lì)指定的頻率帶寬較窄帶信號(hào)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(cè)試是略高于基本梁共振勵(lì)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(zhǎng)度最大彎曲應(yīng)力，遠(yuǎn)離固定端將在第一振動(dòng)模式。草繪的測(cè)試樣本配置如圖 4 所示。試驗(yàn)樣品被這直接相連的電樞的振動(dòng)勵(lì)磁機(jī)安裝夾具的夾在中間。從圖中可以看出，每個(gè)疲勞試驗(yàn)標(biāo)本所載兩懸臂梁標(biāo)本的同時(shí)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(jì)，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(gè)振動(dòng)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(cè)試發(fā)生。要測(cè)量應(yīng)變級(jí)別疲勞測(cè)試期間，應(yīng)變片被裝在每個(gè)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(jì)的信號(hào)用于確定疲勞標(biāo)本的故障時(shí)間。從加速度計(jì)的信號(hào)用于觸發(fā)的停用一個(gè)計(jì)時(shí)器時(shí)加速級(jí)別降至 50%的名義 RMS 加速級(jí)別的繼電器。據(jù)指出出現(xiàn)故障，加速級(jí)別刪除非常迅速，這樣，計(jì)時(shí)器表示非常密切的標(biāo)本的失效的總時(shí)間。圖 5 中的圖片顯示裝載的振動(dòng)勵(lì)磁機(jī)只是之前，測(cè)試上的疲勞試驗(yàn)標(biāo)本。
從圖中可以看出，由拼接兩個(gè)更小、 更靈活，鉛電線電纜標(biāo)準(zhǔn)來說加速度計(jì)建造特別加速度傳感器電纜。這樣做是為了盡量減少對(duì)標(biāo)本的加速度計(jì)電纜振動(dòng)的影響。雖然接頭增加噪音污染，信號(hào)水平是如此之大這種增加噪音不是明顯的。
來自應(yīng)變計(jì)和加速度計(jì)的信號(hào)是在測(cè)試期間監(jiān)測(cè)，并記錄在磁帶上。每個(gè)測(cè)試之后, 錄制的信號(hào)被播放到波分析儀系統(tǒng)以確定 RMS 級(jí)別。數(shù)字計(jì)算機(jī)被用于執(zhí)行時(shí)間序列從窄帶隨機(jī)疲勞測(cè)試獲得的隨機(jī)信號(hào)分析。典型的窄帶隨機(jī)測(cè)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(gè)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(dòng)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(shí)間，以秒為單位乘以每秒周期的共振頻率。在等幅、 正弦測(cè)試周期失效的總數(shù)是只是總時(shí)間失效以秒為單位乘以勵(lì)磁頻率每秒周期。
對(duì)于振動(dòng)激振器上進(jìn)行的測(cè)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(yàn)RMS，從1700年到7000微應(yīng)變恒定振幅測(cè)試。由于循環(huán)對(duì)振動(dòng)激勵(lì)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(cè)試設(shè)置。為此，英斯特龍測(cè)試儀進(jìn)行了一些低周期、 等應(yīng)變幅疲勞測(cè)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%?？梢灶A(yù)期RMS的應(yīng)變窄帶隨機(jī)試驗(yàn)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(dòng)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(gè)連接圖高達(dá)14000微應(yīng)變邁納的故障預(yù)測(cè)所需的水平。英斯特郎測(cè)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(dòng)勵(lì)磁機(jī)測(cè)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(cè)試的測(cè)試設(shè)置的照片。試樣標(biāo)本振動(dòng)激振器安裝時(shí)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(cè)試。標(biāo)本的一角舉行了兩個(gè)隊(duì)的成員連接的尖端試驗(yàn)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(cè)試儀計(jì)數(shù)器確定失效的周期數(shù)。
振動(dòng)勵(lì)磁機(jī)上執(zhí)行的疲勞測(cè)試的結(jié)果如圖8和圖9所示，RMS應(yīng)變級(jí)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(gè)不同類型的加載同一RMS應(yīng)變級(jí)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(jí)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(duì)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(huì)高于獲得能夠與現(xiàn)有的振動(dòng)勵(lì)磁測(cè)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(yàn)結(jié)果表明：雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上的同一個(gè)斜坡，這是為相應(yīng)的恒定振動(dòng)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(jì)將超過屈服應(yīng)變?cè)谳^高的應(yīng)變水平。
英斯特朗測(cè)試儀上執(zhí)行的固定應(yīng)變振幅疲勞試驗(yàn)的結(jié)果顯示如圖10和圖11所示，峰值應(yīng)變?chǔ)纽辗纫雅c繪制的周期總數(shù)的懸臂梁試樣的失效。斯特朗測(cè)試數(shù)據(jù)繪制恒定振幅與振動(dòng)勵(lì)磁測(cè)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(gè)試驗(yàn)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(shí)，工作頻率高達(dá)CPS約1000。
如圖10和圖11所顯示的拉伸試驗(yàn)的結(jié)果可以看出經(jīng)歷過大的塑性應(yīng)變時(shí)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(gè)大的增量應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的性質(zhì)提高應(yīng)變對(duì)應(yīng)一個(gè)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?chǔ)脓怖L制對(duì)比周期數(shù)。符號(hào)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(yàn)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(yàn)的結(jié)果，窄帶隨機(jī)疲勞試驗(yàn)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(cè)。
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(cè)假設(shè)失敗是由于一個(gè)損壞的線性積累，可以確定其外的恒定振幅測(cè)試結(jié)果。（表12）測(cè)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(gè)直線段時(shí)，日志記錄的規(guī)模繪制，可以表明這三個(gè)范圍的原理如圖12所示。
在范圍2內(nèi)，它會(huì)假設(shè)，ε-N圖是一個(gè)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(huì)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(duì)應(yīng)的耐力應(yīng)變。認(rèn)為它低于這個(gè)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(shí)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(gè)雷射線分布，可表示為
利用（3），（4）和（5）累計(jì)可得公式
假定發(fā)生時(shí)，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(gè)方程的解為CDC6400數(shù)字電腦編程。在邁納的兩個(gè)材料進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算中使用的參數(shù)列于表2。
在圖8和圖9虛線表示對(duì)邁納假設(shè)為基礎(chǔ)的預(yù)測(cè)。正如從這些數(shù)字可以看出，雖然按照數(shù)據(jù)的趨勢(shì)形式出現(xiàn)，邁納的預(yù)測(cè)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(dòng)疲勞試驗(yàn)似乎是一個(gè)非?？焖?，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(cè)試的鋁合金，似乎有三個(gè)不同的疲勞范圍對(duì)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(gè)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(cè)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(duì)邁納標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的預(yù)測(cè)似乎始終高估了實(shí)際的疲勞壽命，然而預(yù)測(cè)曲線的形式似乎是正確的，并按照數(shù)據(jù)的趨勢(shì)非常接近。
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