一种基于制造技术

本发明专利技术一种基于

【技术实现步骤摘要】
一种基于Python二次开发的超声疲劳缺口试样设计优化方法


[0001]本专利技术属于金属材料超高周疲劳性能分析领域，涉及一种基于
Python
二次开发的超声疲劳缺口试样设计优化方法
。

技术介绍

[0002]随着现代机械装备的高速
、
长寿命和高可靠性发展要求，许多关键零部件的疲劳寿命早已远远超出千万周次，属于超高周疲劳研究范畴
。
常规疲劳试验机所能提供的循环载荷频率一般低于
200Hz
，开展超高周疲劳试验分析周期长，成本高
。
超声谐振技术作为研究金属材料超高周疲劳性能最有效的手段，其通过计算机控制超声发生器
、
换能器和变幅杆等将高频交流电转换成高频机械振动
(
固有频率一般为
20kHz
左右
)
，连接超声疲劳试样发生共振，获得超高周疲劳试验所需位移和载荷水平
。
超声疲劳试样的形状和尺寸设计对于实现超声疲劳试验系统共振
、
获得适宜振动位移和应力加载水平等方面极为关键
。
最常使用的超声疲劳试样包括沙漏型和狗骨型，这些试样由于中部截面面积的减小，从而获得了一定的应力放大系数，并在中间截面产生最大应力应变响应，加速实验进程
。
目前常用的超声疲劳试样解析设计方法已经在超高周疲劳试验领域得到广泛应用
。
[0003]疲劳缺口试样作为疲劳试验中常用的一种试样类型，它具有特定的缺口或裂纹，用于评估材料或结构在存在缺口或裂纹情况下的疲劳行为
。
基于缺口试样下的疲劳分析，可以更真实地模拟许多实际工程结构中的应力集中情况，如焊接接头
、
划痕和孔洞等，提供对实际工程结构的更准确评估
。
疲劳缺口试样常用于研究裂纹在疲劳载荷下的扩展行为以及材料的疲劳特性
。
通过监测和分析缺口或裂纹的扩展情况，来获得材料或结构的疲劳寿命
、
疲劳裂纹扩展速率以及疲劳裂纹扩展路径等关键参数
。
疲劳缺口试样还可以提供与实际工程应用更接近的试验条件，来实现材料的评估筛选和工程结构的设计验证等
。
[0004]然而，目前针对缺口试件的疲劳研究仍处于传统疲劳范畴，极少涉及超高周疲劳领域，常用的超高周疲劳试样设计方法也未对含缺口试样展开过系统的分析
。
因此，设计超高周疲劳缺口试样对于理解材料的高频疲劳行为
、
应力集中情况
、
研究结构的超高周疲劳性能及其寿命预测具有重要意义
。

技术实现思路

[0005]为了解决现有超声疲劳试样设计方法，以及缺口件疲劳分析多集中于传统疲劳研究范畴，极少涉及到超高周疲劳领域等问题，本专利技术采用的技术方案是：
[0006]一种基于
Python
二次开发的超声疲劳缺口试样设计优化方法，包括以下步骤：
[0007]S1、
根据超声疲劳试验原理和给定试验要求，确定所需试样初始形状
、
材料和尺寸要求，获得含缺口试样尺寸设计初步方案；
[0008]S2、
基于含缺口试样尺寸设计初步方案，采用超声疲劳试样的解析经验公式，给出初始试样的振动位移幅函数和解析谐振长度；
[0009]S3、
基于解析谐振长度，开展含缺口试样的有限元分析前处理工作和模态分析，确
定缺口试样固有频率及所属振型，输出模态分析结果；
[0010]S4、
提取模态分析结果中的固有频率及固有振型，与试验设计频率进行对比，确定含缺口试样的尺寸调整措施；
[0011]S5、
含缺口试样的尺寸调整后，重新建模提交模态分析，直至其所需振型下的固有频率满足试验设计频率；
[0012]S6、
开展缺口试样的稳态动力学响应有限元分析，输出试样所需的位移
、
应力
、
应变结果分布图，验证微调后的试样确认满足超声疲劳试验的谐振要求，得到超声疲劳缺口试样
。
[0013]进一步地：所述超声疲劳试样按照中部截面类型分为两大类：圆形截面试样和长方形截面试样，圆形截面试样包括等截面圆柱试样
、
变截面圆柱试样
、
中部含等截面段的变截面圆柱试样；变截面薄板试样
、
中部含等截面段的变截面薄板试样；
[0014]缺口类型包括
U
型
、V
型和
C
型；
[0015]对于超声疲劳试验圆形截面试样，采用中部环形缺口；
[0016]对于超声疲劳试验长方形截面试样，采用存在单边开口或双边开口类型
。
[0017]进一步地：所述基于含缺口试样尺寸设计初步方案，采用超声疲劳试样的解析经验公式，给出初始试样的振动位移幅函数和解析谐振长度如下：
[0018]等截面圆柱试样，为最简单的试验类型，其谐振长度解析公式为：
[0019][0020]其中，
f
为试样与超声疲劳试验系统共振的谐振频率，
L
为试样长度，同时也是等截面圆柱试样的谐振长度，
L3为试样解析谐振长度，
E
为试样材料的弹性模量，
ρ
为材料密度
。
[0021]变截面圆柱试样，其振动位移幅函数表达式为：
[0022][0023][0024]其中，
A0为试样的端部位移，
L2为试样中部变截面段半长，
c
为纵波波速，
ω
为角频率；
k、
α
、
β
无实际含义，
i
为虚部，
C1、C2、C3
为方程解析解常数；
[0025]满足特定谐振频率的试样谐振长度解析公式为：
[0026][0027]中部含等截面段的变截面圆柱试样，其振动位移幅函数表达式为：
[0028][0029]其中，
L1为试样中部等截面段半长，
L2为试样中部变截面段半长；
[0030][0031]满足特定谐振频率的试样谐振长度解析公式为：
[0032][0033]变截面薄板试样，其振动位移幅函数表达式为：
[0034][0035]其中，
[0036][0037]满足特定谐振频率的试样谐振长度解析公式为：
[0038][0039]中部含等截面段的变截面薄板试样，如图
2(e)
所示，其振动位移幅函数表达式为：
[0040][0041]其中，
[0042][0043]其中，
[0044][0045]满足特定谐振频率的试样谐振长度解析公式为：
[0046][0047]通过
MATLAB
对以上试本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于
Python
二次开发的超声疲劳缺口试样设计优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、
根据超声疲劳试验原理和给定试验要求，确定所需试样初始形状
、
材料和尺寸要求，获得含缺口试样尺寸设计初步方案；
S2、
基于含缺口试样尺寸设计初步方案，采用超声疲劳试样的解析经验公式，给出初始试样的振动位移幅函数和解析谐振长度；
S3、
基于解析谐振长度，开展含缺口试样的有限元分析前处理工作和模态分析，确定缺口试样固有频率及所属振型，输出模态分析结果；
S4、
提取模态分析结果中的固有频率及固有振型，与试验设计频率进行对比，确定含缺口试样的尺寸调整措施；
S5、
含缺口试样的尺寸调整后，重新建模提交模态分析，直至其所需振型下的固有频率满足试验设计频率；
S6、
开展缺口试样的稳态动力学响应有限元分析，输出试样所需的位移
、
应力
、
应变结果分布图，验证微调后的试样确认满足超声疲劳试验的谐振要求，得到超声疲劳缺口试样
。2.
根据权利要求1所述的一种基于
Python
二次开发的超声疲劳缺口试样设计优化方法，其特征在于：所述超声疲劳试样按照中部截面类型分为两大类：圆形截面试样和长方形截面试样，圆形截面试样包括等截面圆柱试样
、
变截面圆柱试样
、
中部含等截面段的变截面圆柱试样；变截面薄板试样
、
中部含等截面段的变截面薄板试样；缺口类型包括
U
型
、V
型和
C
型；对于超声疲劳试验圆形截面试样，采用中部环形缺口；对于超声疲劳试验长方形截面试样，采用存在单边开口或双边开口类型
。3.
根据权利要求2所述的一种基于
Python
二次开发的超声疲劳缺口试样设计优化方法，其特征在于：所述基于含缺口试样尺寸设计初步方案，采用超声疲劳试样的解析经验公式，给出初始试样的振动位移幅函数和解析谐振长度如下：等截面圆柱试样，为最简单的试验类型，其谐振长度解析公式为：其中，
f
为试样与超声疲劳试验系统共振的谐振频率，
L
为试样长度，同时也是等截面圆柱试样的谐振长度，
L3为试样解析谐振长度，
E
为试样材料的弹性模量，
ρ
为材料密度；变截面圆柱试样，其振动位移幅函数表达式为：
其中，
A0为试样的端部位移，
L2为试样中部变截面段半长，
c
为纵波波速，
ω
为角频率；
k、
α
、
β
无实际含义，
i
为虚部，
C1、C2、C3
为方程解析解常数；满足特定谐振频率的试样谐振长度解析公式为：中部含等截面段的变截面圆柱试样，其振动位移幅函数表达式为：其中，
L1为试样中部等截面段半长，
L2为试样中部变截面段半长；满足特定谐振频率的试样谐振长度解析公式为：变截面薄板试样，其振动位移幅函数表达式为：其中，满足特定谐振频率的试样谐振长度解析公式为：中部含等截面段的变截面薄板试样，如图
2(e)
所示，其振动位移幅函数表达式为：
其中，其中，满足特定谐振频率的试样谐振长度解析公式为：通过
MATLAB
对以上试样的解析设计原理过程或者解析经验公式进行编程，给出试样谐振长度
L3解析解，完成试样基本形状的初步设计
。4.
根据权利要求1所述的一种基于
Python
二次开发的超声疲劳缺口试样设计优化方法，其特征在于：所述基于解析谐振长度，开展含缺口试样的有限元分析前处理工作和模态分析，确定缺口试样固有频率及所属振型，输出模态分析结果采用
AB...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭艳，李如俊，张伟，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：