結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞試驗(yàn)監(jiān)測(cè)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)

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結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞試驗(yàn)監(jiān)測(cè)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(dòng)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(dòng)疲勞壽命判斷方法：直接觀測(cè)法，動(dòng)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(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究。試驗(yàn)分別運(yùn)用三種判斷方法同時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)疲勞壽命，比較研究試驗(yàn)結(jié)果以分析獲得振動(dòng)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(dòng)； 振動(dòng)疲勞； 判定方法； 固有頻率； 動(dòng)態(tài)應(yīng)變

0引言

近年來(lái)，在航空航天、風(fēng)能利用、公路鐵路以及海洋運(yùn)輸?shù)裙こ虒?shí)踐中，由于振動(dòng)而產(chǎn)生的疲勞問(wèn)題凸顯，由于實(shí)際工程應(yīng)用的需要，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)疲勞問(wèn)題越來(lái)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(dòng)疲勞問(wèn)題尚未得到很好的解決，對(duì)振動(dòng)疲勞的破壞機(jī)理、模式的認(rèn)識(shí)還不夠。因此，試驗(yàn)仍然是對(duì)振動(dòng)疲勞進(jìn)行研究的主要手段。

隨著振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，振動(dòng)疲勞試驗(yàn)擁有了良好的試驗(yàn)基礎(chǔ)，能夠進(jìn)行各種環(huán)境下的振動(dòng)疲勞模擬試驗(yàn)。振動(dòng)疲勞試驗(yàn)主要以通過(guò)對(duì)環(huán)境激勵(lì)的模擬，在實(shí)驗(yàn)室里得到試件的使用壽命，重點(diǎn)在于如何準(zhǔn)確判斷何時(shí)試件已經(jīng)發(fā)生了破壞。但是，判斷試驗(yàn)中試件發(fā)生振動(dòng)疲勞破壞的方法和標(biāo)準(zhǔn)尚未達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。目前，在工程實(shí)踐中，大多數(shù)研究都以出現(xiàn)可觀測(cè)裂紋時(shí)的時(shí)間作為試件的疲勞壽命，但裂紋的觀測(cè)長(zhǎng)度具有不確定性。在試驗(yàn)中停機(jī)觀測(cè)的裂紋長(zhǎng)度隨機(jī)性也比較大，這些都會(huì)給實(shí)驗(yàn)人員帶來(lái)很大困難。而采用應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)試件應(yīng)變變化，進(jìn)而確定振動(dòng)疲勞試驗(yàn)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(xiàng)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(dòng)疲勞失效的準(zhǔn)則，其中魯起新選擇了2%，肖壽庭選擇了下降5%時(shí)所經(jīng)過(guò)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(kuò)展的程度沒(méi)有恒定的對(duì)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(kuò)展的長(zhǎng)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(zhǔn)則也缺乏理論支持，沒(méi)有可參考的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[4，5]。

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

1振動(dòng)疲勞試驗(yàn)方法

1.1　直接觀測(cè)法

試件的疲勞破壞監(jiān)測(cè)主要依賴于危險(xiǎn)點(diǎn)的裂紋長(zhǎng)度監(jiān)測(cè)。根據(jù)斷裂力學(xué)準(zhǔn)則，載荷作用下裂紋尖端會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到臨界值時(shí)，裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)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(dòng)疲勞的失效準(zhǔn)則就可以簡(jiǎn)述為:

Kmax≤KIC

(1)

直接觀測(cè)法通過(guò)借助顯微鏡等儀器直接觀察結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)點(diǎn)是否已經(jīng)產(chǎn)生裂紋，估量裂紋長(zhǎng)度，從而判斷結(jié)構(gòu)是否已經(jīng)疲勞破壞，這是試驗(yàn)中最常用的判斷方法。

1.2　動(dòng)態(tài)應(yīng)變法

電阻應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變的過(guò)程為：將應(yīng)變片粘貼在構(gòu)件表面，接入測(cè)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(dòng)態(tài)應(yīng)變法，就是根據(jù)試件的實(shí)際幾何外形將合適的應(yīng)變片粘貼在試件的危險(xiǎn)點(diǎn)處，通過(guò)動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀監(jiān)測(cè)粘貼處的應(yīng)變變化。動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀能實(shí)時(shí)反映出應(yīng)變片粘貼處的結(jié)構(gòu)應(yīng)變，當(dāng)危險(xiǎn)點(diǎn)出現(xiàn)裂紋時(shí)，應(yīng)變必然隨之增加，由應(yīng)變的突然增大并超過(guò)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(guò)監(jiān)測(cè)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(dòng)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(huì)引起頻響函數(shù)的變化，而固有頻率能夠及時(shí)的體現(xiàn)出頻響函數(shù)的變化。頻響函數(shù)為輸出信號(hào)x(t)與輸入信號(hào)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(shí)，強(qiáng)度減弱，固有頻率降低。固有頻率法就是通過(guò)觀察結(jié)構(gòu)的固有頻率降低幅度來(lái)有效判斷是否發(fā)生了疲勞破壞。

2實(shí)驗(yàn)

2.1　 試驗(yàn)方案

振動(dòng)疲勞試驗(yàn)?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(jī)械性能見(jiàn)表1。

表1　LY12CZ鋁合金機(jī)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(dòng)臺(tái)上。振動(dòng)臺(tái)數(shù)字控制系統(tǒng)根據(jù)給定的激勵(lì)功率譜控制振動(dòng)臺(tái)，使其在一定的范圍內(nèi)振動(dòng)。

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

對(duì)于結(jié)構(gòu)的疲勞失效時(shí)間采用多種方法進(jìn)行確定。1)應(yīng)變法：在結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)位置粘貼應(yīng)變片，當(dāng)被檢測(cè)響應(yīng)點(diǎn)的應(yīng)變振幅發(fā)生異常變化時(shí)，認(rèn)為試件出現(xiàn)裂紋，試驗(yàn)停止。2)固有頻率法：采用對(duì)結(jié)構(gòu)的固有頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)結(jié)構(gòu)的第一階固有頻率下降了5%時(shí)，認(rèn)為結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞失效。3)直接觀測(cè)法：采用放大鏡實(shí)時(shí)觀察危險(xiǎn)點(diǎn)裂紋的產(chǎn)生，進(jìn)行失效判定。

試驗(yàn)具體實(shí)施時(shí)，先從試驗(yàn)開(kāi)始計(jì)時(shí)，每隔十分鐘通過(guò)數(shù)字振動(dòng)控制系統(tǒng)暫停振動(dòng)臺(tái)，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(dòng)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(shí)，將間隔時(shí)間縮短為2min。當(dāng)肉眼能觀察到裂紋或者動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀顯示應(yīng)變發(fā)生突變時(shí)，判斷試件在該觀測(cè)方法下發(fā)生疲勞破壞。

采用加速度計(jì)測(cè)量基礎(chǔ)激勵(lì)的加速度，采用激光測(cè)振儀測(cè)量試件一點(diǎn)的速度響應(yīng)，采用動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀(35670A)測(cè)結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)，每隔5min測(cè)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(shí)認(rèn)為試件疲勞失效。

試驗(yàn)時(shí)設(shè)備的安裝連接如圖1所示。

圖1　振動(dòng)疲勞試驗(yàn)及測(cè)試設(shè)備連接框圖

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，設(shè)備安裝連接情況如圖2所示。

圖2　試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

分別以均方根值為1.59g、1.36g、1.04g的功率譜密度信號(hào)作為激勵(lì)的功率譜，譜型見(jiàn)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(dòng)臺(tái)振動(dòng)。

2.2　 振動(dòng)疲勞試驗(yàn)結(jié)果

按照上述三種判斷方法判斷試驗(yàn)結(jié)束時(shí)得到的試件情況見(jiàn)下圖4所示。

圖4　試驗(yàn)結(jié)束裂紋擴(kuò)展情況

每次激振記錄得到的試件壽命見(jiàn)表2。

表2　試件疲勞失效時(shí)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(shí)間的變化情況。試驗(yàn)件的零時(shí)刻固有頻率即為未發(fā)生損傷時(shí)的固有頻率，初始固有頻率降低5%時(shí)以 “*”標(biāo)出。如圖5(a)所示，隨時(shí)間增加，固有頻率呈下降趨勢(shì)，并且下降的幅度在隨時(shí)間增大，固有頻率減小得越來(lái)越快，在下降到初始固有頻率5%之后，下降速度將達(dá)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(jí)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(shí)，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(shí)間變化圖

取第二組實(shí)驗(yàn)不同時(shí)間所測(cè)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(shí)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(shí)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(shí)間向左有明顯的移動(dòng)，相應(yīng)的第一階固有頻率也在逐步降低。這是因?yàn)樵嚰偠葘?duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性變化比較敏感，裂紋擴(kuò)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(dòng)響應(yīng)特性的改變。隨著時(shí)間推移，固有頻率與裂紋的擴(kuò)展有同步的變化，可以作為判定結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)疲勞的依據(jù)。

圖6　第二組應(yīng)力水平下試件不同時(shí)刻傳遞函數(shù)圖像

2.3　振動(dòng)疲勞試驗(yàn)方法討論

通過(guò)試驗(yàn)過(guò)程中的觀察和對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析比較可知：

1) 直接觀測(cè)法雖被廣泛運(yùn)用，方便可靠，但是其中存在著一些不易解決的問(wèn)題。試件在激勵(lì)下產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，肉眼觀測(cè)不能準(zhǔn)確反映裂紋的實(shí)際情況，因而采用的停機(jī)觀測(cè)方法也不可能準(zhǔn)確把握裂紋擴(kuò)展的情況，停機(jī)時(shí)間的選擇有一定的隨機(jī)性，停機(jī)時(shí)觀測(cè)到的裂紋長(zhǎng)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(cè)作為一種最終的判斷方法，有其實(shí)用性，但是對(duì)于需要精確判斷疲勞壽命的實(shí)驗(yàn)時(shí)，還需要有更準(zhǔn)確的判斷方法。

2) 動(dòng)態(tài)應(yīng)變法方法簡(jiǎn)單明了，精確度高，對(duì)儀器要求不高，適合用于在實(shí)驗(yàn)室中監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。但是應(yīng)變片粘貼的危險(xiǎn)點(diǎn)需要有準(zhǔn)確的預(yù)判。通過(guò)焊接與動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀連接時(shí)，在試驗(yàn)過(guò)程中，焊點(diǎn)與應(yīng)變片內(nèi)部敏感柵有可能受振動(dòng)影響而產(chǎn)生破壞，從而影響應(yīng)變儀對(duì)結(jié)構(gòu)本身的疲勞破壞的判斷。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還需經(jīng)過(guò)對(duì)焊點(diǎn)疲勞和應(yīng)變片本身的結(jié)構(gòu)的檢查才能認(rèn)定是否有效。

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

較少，頻響函數(shù)測(cè)試準(zhǔn)確、方便。采用基礎(chǔ)激勵(lì)的方式，能有效避免對(duì)結(jié)構(gòu)的特性和邊界條件產(chǎn)生影響。采用激光測(cè)振儀測(cè)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(zhǎng)度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系還不夠明確，頻率的測(cè)試精度受限于設(shè)備和采樣，還有待提高。對(duì)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(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究綜合比較了直接觀測(cè)法、應(yīng)變片法和固有頻率降低法對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞的判斷準(zhǔn)確度，以國(guó)標(biāo)規(guī)定的裂紋擴(kuò)展作為振動(dòng)疲勞破壞判定的參考，探求三種方法各自的優(yōu)點(diǎn)和適用條件。研究發(fā)現(xiàn)，直接觀測(cè)法的停機(jī)時(shí)間不容易掌握，應(yīng)變片法與裂紋擴(kuò)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(cè)振儀測(cè)得結(jié)構(gòu)響應(yīng)，無(wú)需與結(jié)構(gòu)直接接觸，不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加剛度，能夠直接測(cè)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(dòng)疲勞破壞的方法，作為直接觀測(cè)法和應(yīng)變法的有效補(bǔ)充。

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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(hào)：TH113.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-5276(2015)02-0181-04

作者簡(jiǎn)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(jī)振動(dòng)疲勞。

收稿日期：2014-11-12