本发明专利技术公开一种适合于开展高低周复合疲劳试验的复合材料试件和试验装置，设计了一种非对称哑铃型试验件，可使失效部位远离激振端，又确保疲劳考核区内纤维的连续性。同时还设计了一种应用上述非对称试件进行高低周复合疲劳试验的实验装置，包括低周疲劳载荷加载模块、高周疲劳载荷加载模块与应变测量模块。其中，低周疲劳载荷加载模块中通过万能试验机向试件施加轴向带保载的低周疲劳载荷；同时设计试验机上夹头与试件的上夹具间通过柔性带连接，由此通过激振器的激振杆对试件试验件施加横向高频低幅值的高周疲劳载荷持续作用直至试件发生断裂。过程中通过应变测量模块记录试件疲劳考核区在疲劳试验中的应变数据。试件疲劳考核区在疲劳试验中的应变数据。试件疲劳考核区在疲劳试验中的应变数据。
【技术实现步骤摘要】
一种适合于开展高低周复合疲劳试验的复合材料试件和试验装置
[0001]本专利技术属于机械工程
，涉及复合材料和工程常见的复合疲劳状态，具体涉及一种适合于开展高低周复合疲劳试验的复合材料试件和试验装置。
技术介绍
[0002]航空发动机风扇叶片在服役过程中承受高低周复合疲劳(简称：复合疲劳)作用。复合疲劳包括以离心载荷为主的低周疲劳载荷(Low Cycle fatigue，简称LCF)和由气动载荷激振引起的高周疲劳载荷(High Cycle fatigue，简称HCF)，参考“[0003]LUO S,WU S.Fatigue failure analysis of rotor compressor blades concerning the effect of rotating stall and surge[J].Engineering Failure Analysis,2016.”。为追求更高的经济效益，复合材料逐步代替钛合金用于制备风扇叶片，而复合材料复杂的结构特征使其在复合疲劳载荷下的应力状态和损伤演化过程都更加复杂且缺少相关试验理论研究。因此设计能进行复合疲劳试验的复合材料试件及其配套试验装置具有重要的工程意义。
[0004]现有关于复合疲劳试验研究主要围绕金属材料开展。为便于试验室内开展复合疲劳研究，学者们将复合疲劳载荷简化为轴向带保载的低周疲劳载荷和横向高频低幅值的高周疲劳载荷，并设计相配合的试件与试验装置，共同实现低周和高周疲劳载荷的非同轴加载，参考“WESER S,GAMPE U,RADDATZ M,et al.Advanced Experimental and Analytical Investigations on Com
‑
bined Cycle Fatigue(CCF)of Conventional Cast and Single
‑
Crystal Gas Turbine Blades[J].Proceedings of ASME Turbo Expo 2011,Vancouver,2011:19
‑
28”。
[0005]Xie Ming等人于2002年建立复合疲劳试验平台，并对风扇叶片进行拉弯或拉扭两类多轴疲劳试验，参考“MING X,SONI S R,CROSS C J,et al.Multiaxial high cycle fatigue test system[J].2004.”。其特征为选用尼龙带传递低周疲劳载荷至叶片，同时尼龙带作为柔性连接件使高周疲劳载荷通过2个激振器实现横向加载。欧盟在研究复合疲劳的PREMECCY(Predictive Methods For Combined Cycle Fatigue In Gas Turbines)计划中提出叶片结构振动特性受几何外形影响的观点，并以特征模拟件代替矩形截面试件来模拟真实叶片的振动特性。试验采用正交方向刚度不一的板簧夹具，并通过激振试件达到共振模态从而实现横向高周疲劳载荷的施加。北航闫晓军课题组在关于服役涡轮叶片榫齿的高低周复合疲劳试验研究中，试验夹具借助轴承机构实现叶片处于拉伸状态的同时将激振装置产生振动高周疲劳载荷同时传递至榫齿部位的目标，参考“闫晓军,孙瑞杰,邓瑛,等.涡轮叶片复合疲劳特性曲线及其规律的试验[J].航空动力学报,2011,26(8):6.”。
[0006]目前金属材料的复合疲劳试验技术取得一定的研究成果，但将金属材料疲劳试验技术直接延用复合材料时会遇到后续问题：
[0007](1)若借鉴制备特征模拟件的思想设计复合材料的复合疲劳试验，则面临复合材
料制备特征模拟件的加工难度和成本远大于金属材料等困难。树脂传递模塑(简称：RTM)工艺为现有复合材料先进的制备工艺，其工艺过程需先获得纤维预成型体，再将预成型体放入模具中经液态树脂浸渍固化成型。特征模拟件相对复杂的几何特征使得预成型体制备过程中纤维精确定位困难，此外还需根据几何外形准备相应模具用于后续定型。若直接用机械加工方法将已成型的复合材料制备为特征模拟件，则无法保证模拟件在考核部位处纤维的连续性。
[0008](2)若采用激振器输出的横向位移来施加挠度和高周疲劳应力的试验思路同样存在困难。由于复合材料标准件的弯曲刚度明显小于金属叶片，试验过程夹具有失稳的危险。此外，当标准件一端受横向激振而弯曲时，其固定端(另一端)加固区处的复合材料容易发生失效，从而导致无法获得有效的疲劳试验数据。
技术实现思路
[0009]针对现有金属复合疲劳试验技术在复合材料上使用所遇到的种种困难，在认真分析复合材料结构特征和复合疲劳载荷特征后，本专利技术提出一种适合于开展高低周复合疲劳试验的复合材料试件和试验装置，为复合材料的复合疲劳试验研究提供了一种思路。
[0010]本专利技术适合于开展高低周复合疲劳试验的复合材料试件，整体为非对称哑铃型板状结构，一端为固定端，另一端为激振端，两者之间为连接段；同时，连接段中靠近固定端位置为最窄位置，形成疲劳考核区；最窄位置两侧宽度逐渐增加。
[0011]本专利技术中通过上述设计的符合材料试件结合设计的开展复合疲劳试验的复合材料疲劳试验装置，实现复合疲劳试验。该复合材料疲劳实验装置包括三个模块，分别为低周疲劳载荷加载模块、高周疲劳载荷加载模块与应变测量模块。
[0012]所述低周疲劳载荷加载模块包括万能试验机、连接转换机构、尼龙带、上夹具与下夹具。其中，连接转换机构与万能试验机的上夹头固连；上夹具通过尼龙带与连接转换机构相连，并夹持固定试件的激振端；下夹具与万能试验机的下夹头固连，夹持固定试件的固定端。
[0013]所述高周疲劳载荷加载模块包括激振器、信号发生器和功率放大器；其中，激振器与功率放大器和信号发生器相连；功率放大器用于调整激振器的输出功率；信号发生器用于控制激振器的输出频率；同时，激振器的激振杆水平设置，与上夹具连接固定；激振器在输出振幅时上夹具会产生的横向往复位移。
[0014]所述应变测量模块包括动态应变片和动态应变仪；其中，动态应变片黏贴于试件疲劳考核区，并与动态应变仪相连，由动态应变仪对高周疲劳应变数据进行采集。
[0015]通过上述设计的复合材料疲劳试验装置，使复合疲劳载荷被分为轴向带保载的低周疲劳载荷与横向高频低幅值的高周疲劳载荷。整个实验分为符合材料试验过程中：首先，控制万能试验机施加低周疲劳载荷，在第一个低周疲劳载荷循环时不叠加高周疲劳载荷，利用动态应变仪仅记录试件仅受低周疲劳载荷时的应变数据；在第二个低周疲劳循环达到保载段时，启动激振器输出振幅，对试件施加高周疲劳载荷，动态应变仪此时记录高低周复合疲劳载荷持续作用下的应变数据，且高周疲劳载荷会持续作用直至试件发生断裂。
[0016]本专利技术优点在于：
[0017]1、本专利技术首次针对复合材料复合疲劳试验研究进行试件和试验装置的设计。综合
考虑复合材料结构特征和复合疲劳载荷的加载方式后，设计特殊外形试件和相配合的试验装置，实现本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种适合于开展高低周复合疲劳试验的复合材料试件，一端为固定端，另一端为激振端，两者之间为连接段；其特征在于：整体为非对称哑铃型板状结构，中间的连接段中靠近固定端位置为最窄位置，形成疲劳考核区；最窄位置两侧宽度逐渐增加。2.如权利要求1所述一种适合于开展高低周复合疲劳试验的复合材料试件，其特征在于：通过数控加工将复合材料试件外形从矩形加工成非对称哑铃型。3.一种开展复合疲劳试验的复合材料试验装置，其特征在于：包括三个模块，分别为低周疲劳载荷加载模块、高周疲劳载荷加载模块与应变测量模块；所述低周疲劳载荷加载模块包括万能试验机、连接转换机构、尼龙带、上夹具与下夹具；其中，连接转换机构与万能试验机的上夹头固连；上夹具通过尼龙带与连接转换机构相连，并夹持固定试件的激振端；下夹具与万能试验机的下夹头固连，夹持固定试件的固定端；所述高周疲劳载荷加载模块包括激振器、信号发生器和功率放大器；其中，激振器与功率放大器和信号发生器相连；功率放大器用于调整激振器的输出功率；信号发生器用于控制激振器的输出频率；同时，激振器的激振杆水平设置，与上夹具连接固定；激振器在输出振幅时上夹具会产生的横向往复位移；所述应变测量模块包括动态应变片和动态应变仪；其中，动态应变片黏贴于试件疲劳考核区，并与动态应变仪相连，由动态应变仪对高周疲劳应变数据进行采集。4.如权利要求3所述一种开展复合疲劳试验的复合材料试验装置，其特征在于：连接转换机构、尼龙带与上夹具三者连接方式为：在连接转换...
【专利技术属性】
技术研发人员：齐红宇，温班宁，李少林，石多奇，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。