結(jié)構(gòu)振動疲勞試驗監(jiān)測方法研究

顧曉華，陳懷海

(南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，江蘇 南京 210016)

?

結(jié)構(gòu)振動疲勞試驗監(jiān)測方法研究

顧曉華，陳懷海

(南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，江蘇 南京 210016)

摘要：在振動環(huán)境中如何有效判斷正在工作的結(jié)構(gòu)件是否已經(jīng)發(fā)生疲勞破壞具有重要的工程意義。選擇三種常用的振動疲勞壽命判斷方法：直接觀測法，動態(tài)應(yīng)變法和固有頻率法，分析其判斷的理論依據(jù)和可行性，并開展實驗研究。試驗分別運用三種判斷方法同時監(jiān)測結(jié)構(gòu)的振動疲勞壽命，比較研究試驗結(jié)果以分析獲得振動環(huán)境下最適合的結(jié)構(gòu)壽命判斷方法，探討選擇該種方法的依據(jù)，為以后工程應(yīng)用鋪平了道路。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)振動； 振動疲勞； 判定方法； 固有頻率； 動態(tài)應(yīng)變

0引言

近年來，在航空航天、風(fēng)能利用、公路鐵路以及海洋運輸?shù)裙こ虒嵺`中，由于振動而產(chǎn)生的疲勞問題凸顯，由于實際工程應(yīng)用的需要，結(jié)構(gòu)的振動疲勞問題越來越受到研究人員的重視[1]。但是，受制于復(fù)雜的外界環(huán)境和眾多的影響因素，振動疲勞問題尚未得到很好的解決，對振動疲勞的破壞機理、模式的認識還不夠。因此，試驗仍然是對振動疲勞進行研究的主要手段。

隨著振動試驗技術(shù)的不斷進步，振動疲勞試驗擁有了良好的試驗基礎(chǔ)，能夠進行各種環(huán)境下的振動疲勞模擬試驗。振動疲勞試驗主要以通過對環(huán)境激勵的模擬，在實驗室里得到試件的使用壽命，重點在于如何準確判斷何時試件已經(jīng)發(fā)生了破壞。但是，判斷試驗中試件發(fā)生振動疲勞破壞的方法和標(biāo)準尚未達成統(tǒng)一認識。目前，在工程實踐中，大多數(shù)研究都以出現(xiàn)可觀測裂紋時的時間作為試件的疲勞壽命，但裂紋的觀測長度具有不確定性。在試驗中停機觀測的裂紋長度隨機性也比較大，這些都會給實驗人員帶來很大困難。而采用應(yīng)變計監(jiān)測試件應(yīng)變變化，進而確定振動疲勞試驗壽命的方法又受到試件的幾何形狀和大小以及應(yīng)變片壽命的影響，得到的結(jié)果尚需排除兩者影響才能令人信服。有多項研究[2,3]提出以結(jié)構(gòu)第一階固有頻率下降一定比值作為判定振動疲勞失效的準則，其中魯起新選擇了2%，肖壽庭選擇了下降5%時所經(jīng)過的循環(huán)數(shù)作為結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。但是固有頻率下降的幅度與裂紋擴展的程度沒有恒定的對應(yīng)關(guān)系，不能根據(jù)固有頻率下降的比例直接判斷裂紋擴展的長度，將固有頻率下降到一定程度作為結(jié)構(gòu)件發(fā)生疲勞失效的準則也缺乏理論支持，沒有可參考的統(tǒng)一標(biāo)準[4，5]。

本文從振動疲勞試驗的理論出發(fā)，研究了試驗時常用的三種疲勞破壞判斷方法各自的優(yōu)缺點，并對三種判斷方法的觀察效率進行了比較。使用有限元方法對幾何模型進行了優(yōu)化，選用帶缺口懸臂梁試件進行振動疲勞試驗，同時使用三種判斷方法監(jiān)測試件發(fā)生疲勞破壞的時間，比較分析所得結(jié)果，從而為振動疲勞試驗壽命的確定方法選擇提供了理論和實驗依據(jù)。

1振動疲勞試驗方法

1.1　直接觀測法

試件的疲勞破壞監(jiān)測主要依賴于危險點的裂紋長度監(jiān)測。根據(jù)斷裂力學(xué)準則，載荷作用下裂紋尖端會產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力強度因子達到臨界值時，裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴展，結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞失效。此臨界值為材料斷裂韌度KIC，表征結(jié)構(gòu)材料的抗斷裂能力。如果應(yīng)力集中系數(shù)用Kmax表示，振動疲勞的失效準則就可以簡述為:

Kmax≤KIC

(1)

直接觀測法通過借助顯微鏡等儀器直接觀察結(jié)構(gòu)危險點是否已經(jīng)產(chǎn)生裂紋，估量裂紋長度，從而判斷結(jié)構(gòu)是否已經(jīng)疲勞破壞，這是試驗中最常用的判斷方法。

1.2　動態(tài)應(yīng)變法

電阻應(yīng)變片測量應(yīng)變的過程為：將應(yīng)變片粘貼在構(gòu)件表面，接入測量電路，隨著構(gòu)件受力，應(yīng)變片敏感柵隨之變形使其電阻發(fā)生變化。電阻與應(yīng)變的關(guān)系可以表述為：

(2)

動態(tài)應(yīng)變法，就是根據(jù)試件的實際幾何外形將合適的應(yīng)變片粘貼在試件的危險點處，通過動態(tài)應(yīng)變儀監(jiān)測粘貼處的應(yīng)變變化。動態(tài)應(yīng)變儀能實時反映出應(yīng)變片粘貼處的結(jié)構(gòu)應(yīng)變，當(dāng)危險點出現(xiàn)裂紋時，應(yīng)變必然隨之增加，由應(yīng)變的突然增大并超過限定值可以判斷結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了疲勞破壞。

1.3　固有頻率法

通過監(jiān)測結(jié)構(gòu)的固有頻率降低幅度也能有效地判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生振動疲勞破壞。頻響函數(shù)反映了結(jié)構(gòu)的固有特性，疲勞裂紋引發(fā)的結(jié)構(gòu)損傷必然會引起頻響函數(shù)的變化，而固有頻率能夠及時的體現(xiàn)出頻響函數(shù)的變化。頻響函數(shù)為輸出信號x(t)與輸入信號f(t)兩者的傅里葉變化之比，則頻響函數(shù)FRF(ω)可表示為：

(3)

當(dāng)結(jié)構(gòu)局部產(chǎn)生裂紋時，強度減弱，固有頻率降低。固有頻率法就是通過觀察結(jié)構(gòu)的固有頻率降低幅度來有效判斷是否發(fā)生了疲勞破壞。

2實驗

2.1　 試驗方案

振動疲勞試驗?zāi)Ｐ蜑閹笨趹冶哿?，材料為厚LY12CZ鋁合金板材2 mm，其材料的機械性能見表1。

表1　LY12CZ鋁合金機械性能表

試件左端使用螺栓與底座固定，底座固定在SAI30-H560B16型振動臺上。振動臺數(shù)字控制系統(tǒng)根據(jù)給定的激勵功率譜控制振動臺，使其在一定的范圍內(nèi)振動。

激勵的功率譜密度根據(jù)國軍標(biāo)GJB 150.16A-2009軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法，選用高速公路卡車振動環(huán)境，以標(biāo)準GJB150.16A中的高速公路卡車振動環(huán)境的加速度功率譜密度為基礎(chǔ)，在保證疲勞失效機理不發(fā)生改變的情況下，選擇合適的應(yīng)力水平進行試驗。

對于結(jié)構(gòu)的疲勞失效時間采用多種方法進行確定。1)應(yīng)變法：在結(jié)構(gòu)危險位置粘貼應(yīng)變片，當(dāng)被檢測響應(yīng)點的應(yīng)變振幅發(fā)生異常變化時，認為試件出現(xiàn)裂紋，試驗停止。2)固有頻率法：采用對結(jié)構(gòu)的固有頻率進行實時監(jiān)控，當(dāng)結(jié)構(gòu)的第一階固有頻率下降了5%時，認為結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞失效。3)直接觀測法：采用放大鏡實時觀察危險點裂紋的產(chǎn)生，進行失效判定。

試驗具體實施時，先從試驗開始計時，每隔十分鐘通過數(shù)字振動控制系統(tǒng)暫停振動臺，并借用手電筒觀察試件缺口處是否有裂紋產(chǎn)生，在觀察到動態(tài)應(yīng)變儀顯示的應(yīng)變數(shù)值增大到預(yù)期破壞應(yīng)變的2/3時，將間隔時間縮短為2min。當(dāng)肉眼能觀察到裂紋或者動態(tài)應(yīng)變儀顯示應(yīng)變發(fā)生突變時，判斷試件在該觀測方法下發(fā)生疲勞破壞。

采用加速度計測量基礎(chǔ)激勵的加速度，采用激光測振儀測量試件一點的速度響應(yīng)，采用動態(tài)信號分析儀(35670A)測結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)，每隔5min測一次頻響函數(shù)，以監(jiān)控試件的固有頻率變化。當(dāng)試件第一階固有頻率下降5%時認為試件疲勞失效。

試驗時設(shè)備的安裝連接如圖1所示。

圖1　振動疲勞試驗及測試設(shè)備連接框圖

試驗現(xiàn)場，設(shè)備安裝連接情況如圖2所示。

圖2　試驗現(xiàn)場

分別以均方根值為1.59g、1.36g、1.04g的功率譜密度信號作為激勵的功率譜，譜型見圖3所示。

圖3　加速度功率譜密度

圖中y分別為0.035 g2/Hz、0.025 g2/Hz、0.015g2/Hz。依次以圖中的功率譜控制振動臺振動。

2.2　 振動疲勞試驗結(jié)果

按照上述三種判斷方法判斷試驗結(jié)束時得到的試件情況見下圖4所示。

圖4　試驗結(jié)束裂紋擴展情況

每次激振記錄得到的試件壽命見表2。

表2　試件疲勞失效時間　min

圖5給出了三種應(yīng)力水平下的功率譜激振試件得到的第一階固有頻率隨時間的變化情況。試驗件的零時刻固有頻率即為未發(fā)生損傷時的固有頻率，初始固有頻率降低5%時以 “*”標(biāo)出。如圖5(a)所示，隨時間增加，固有頻率呈下降趨勢，并且下降的幅度在隨時間增大，固有頻率減小得越來越快，在下降到初始固有頻率5%之后，下降速度將達到最快，比較圖5(b)和圖5(c)兩圖也出現(xiàn)同樣規(guī)律。綜合比較三圖可知，功率譜的均方根值(RMS)量級越大，固有頻率降低的速度越快，圖5(a)中均方根值為1.59g時，只需23min固有頻率就能下降5%，而為了使固有頻率同樣下降5%，圖5(b)和圖5(c)卻分別畫了32min和56min。

圖5　不同應(yīng)力水平下試件第一階固有頻率隨時間變化圖

取第二組實驗不同時間所測得的頻響函數(shù)匯總到圖6，反映出頻響函數(shù)曲線隨著時間推移產(chǎn)生了明顯變化。圖6中，第一到第四曲線分別是零時刻、第15min、第25min和第32min的頻響函數(shù)曲線，峰值所在位置隨著時間向左有明顯的移動，相應(yīng)的第一階固有頻率也在逐步降低。這是因為試件剛度對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性變化比較敏感，裂紋擴展引起了結(jié)構(gòu)基本參數(shù)的變化，從而導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)動響應(yīng)特性的改變。隨著時間推移，固有頻率與裂紋的擴展有同步的變化，可以作為判定結(jié)構(gòu)發(fā)生振動疲勞的依據(jù)。

圖6　第二組應(yīng)力水平下試件不同時刻傳遞函數(shù)圖像

2.3　振動疲勞試驗方法討論

通過試驗過程中的觀察和對試驗數(shù)據(jù)的分析比較可知：

1) 直接觀測法雖被廣泛運用，方便可靠，但是其中存在著一些不易解決的問題。試件在激勵下產(chǎn)生振動時，肉眼觀測不能準確反映裂紋的實際情況，因而采用的停機觀測方法也不可能準確把握裂紋擴展的情況，停機時間的選擇有一定的隨機性，停機時觀測到的裂紋長度不一定就是結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞的臨界值。因此，肉眼觀測作為一種最終的判斷方法，有其實用性，但是對于需要精確判斷疲勞壽命的實驗時，還需要有更準確的判斷方法。

2) 動態(tài)應(yīng)變法方法簡單明了，精確度高，對儀器要求不高，適合用于在實驗室中監(jiān)測結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。但是應(yīng)變片粘貼的危險點需要有準確的預(yù)判。通過焊接與動態(tài)應(yīng)變儀連接時，在試驗過程中，焊點與應(yīng)變片內(nèi)部敏感柵有可能受振動影響而產(chǎn)生破壞，從而影響應(yīng)變儀對結(jié)構(gòu)本身的疲勞破壞的判斷。因此，實驗結(jié)果還需經(jīng)過對焊點疲勞和應(yīng)變片本身的結(jié)構(gòu)的檢查才能認定是否有效。

3) 頻響函數(shù)法中，測頻響函數(shù)所需的傳感器和設(shè)備

較少，頻響函數(shù)測試準確、方便。采用基礎(chǔ)激勵的方式，能有效避免對結(jié)構(gòu)的特性和邊界條件產(chǎn)生影響。采用激光測振儀測結(jié)構(gòu)響應(yīng)，不需與結(jié)構(gòu)直接相連，避免了傳感器與結(jié)構(gòu)直接相連引起的結(jié)構(gòu)局部剛度變化。但是，固有頻率降低法也有其不足之處。固有頻率的降低幅度與裂紋的長度之間的對應(yīng)關(guān)系還不夠明確，頻率的測試精度受限于設(shè)備和采樣，還有待提高。對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，頻響函數(shù)中的第一階固有頻率影響因素還不清楚，需要繼續(xù)研究后幾階的固有頻率變化情況。

3結(jié)語

通過實驗研究綜合比較了直接觀測法、應(yīng)變片法和固有頻率降低法對結(jié)構(gòu)振動疲勞的判斷準確度，以國標(biāo)規(guī)定的裂紋擴展作為振動疲勞破壞判定的參考，探求三種方法各自的優(yōu)點和適用條件。研究發(fā)現(xiàn)，直接觀測法的停機時間不容易掌握，應(yīng)變片法與裂紋擴展的同步性較好，但應(yīng)變片的粘貼有局限性，受到結(jié)構(gòu)幾何形狀和材料的限制，而固有頻率法采用激光測振儀測得結(jié)構(gòu)響應(yīng)，無需與結(jié)構(gòu)直接接觸，不會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加剛度，能夠直接測得頻響函數(shù)和固有頻率。因此，固有頻率法可作為一種判定振動疲勞破壞的方法，作為直接觀測法和應(yīng)變法的有效補充。

參考文獻:

[1] Dirlik T. Application of Computers in Fatigue Analysis [D]. Warwick: Warwick University, 1985.

[2] 魯啟新，吳鐵鷹. 振動疲勞試驗自動化[J]. 航空學(xué)報，1985，6(5)：474-477.

[3] 肖壽庭，杜修德. LY12CZ 鋁合金懸臂梁動態(tài)疲勞S-N曲線的試驗測定[J]. 機械強度，1995，17(1)：22-24.

[4] De-Guang Shang. Measurement of fatigue damage based on the natural frequency for spot-welded joints. Materials and Design, 2009, 30:1008-1013.

[5] 葛森，曹琦，邵闖，等.飛機壁板結(jié)構(gòu)的高溫聲疲勞試驗方法[J]. 實驗力學(xué)，1997，12(4)：593-598.

Research on Monitoring Methods in Structure Vibration Fatigue Test

GU Xiao-hua, CHEN Huai-hai

(College of Aerospace Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016, China)

Abstract:It is of great realistic significance to judge the working structure in vibration environment to be fatigue or not. The three common determination methods of structure vibration fatigue life are chosen, namely direct observational method, dynamic strain method and natural frequency method. The theoretical basis and feasibility for the judgment are analyzed, and experimental studies are carried out. These methods are used to monitor the fatigue life of the structure. The most suitable method of judging the structural fatigue life under vibration environments is elected by comparative study. The theoretical and experimental basis is provided for the future research.

Keywords:structural vibration; vibration fatigue; determination method; natural frequency; dynamic strain

中圖分類號：TH113.1

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-5276(2015)02-0181-04

作者簡介：顧曉華(1988- )，男，江蘇海門人，碩士研究生，主要研究方向是結(jié)構(gòu)的隨機振動疲勞。

收稿日期：2014-11-12