气液压差下橡胶隔膜超高周疲劳等效模拟测试方法及系统

本发明涉及橡胶隔膜疲劳性能测试，特别涉及一种气液压差下橡胶隔膜超高周疲劳等效模拟测试方法及系统。

背景技术：

1、橡胶隔膜是一类常用于密封、隔离、压力传递和柔性补偿的弹性元件，广泛应用于阀类装置、泵类装置、压力调节装置、执行机构以及其他涉及气体或液体介质隔离的设备中。在实际服役过程中，橡胶隔膜通常安装于固定边界内，其两侧分别受到气体压力、液体压力或气液压差的作用。随着设备长期运行，橡胶隔膜会在周期性压差载荷作用下发生反复变形，进而可能产生疲劳损伤，从而导致密封性能下降甚至失效。

2、对于碗状或膜片状橡胶隔膜而言，其服役状态下的受力和变形通常具有明显的非线性特征。一方面，橡胶材料本身具有大变形、超弹性和黏弹性等力学特性；另一方面，隔膜结构在气液压差作用下会发生较大挠曲变形，局部区域容易形成较高的应变集中。因此，为评价橡胶隔膜在长期服役条件下的可靠性，需要对其进行疲劳性能测试，尤其是在高循环或超高周服役条件下，需要获得其在接近实际压差载荷状态下的疲劳响应和寿命特征。

3、现有橡胶隔膜疲劳测试方法通常采用气压加载、液压加载或气液压差加载方式，以尽可能模拟橡胶隔膜的实际服役环境。然而，对于超高周疲劳测试而言，直接采用气体或液体压力进行长时间循环加载存在一定不足。例如，气压或液压循环加载系统对密封性要求较高，加载装置结构较复杂；在高频或长周期加载条件下，压力控制稳定性和响应速度难以保证；同时，气液介质加载过程还可能受到管路容积、介质压缩性、密封泄漏、温升以及压力波动等因素影响，导致测试效率低、重复性差和试验周期长。此外，若仅依靠实际气液压差加载进行疲劳验证，试验系统的搭建和维护成本较高，且不便于快速开展不同载荷幅值、不同循环条件下的对比测试。特别是在需要进行超高周疲劳评价时，传统流体加载方式往往难以兼顾加载稳定性、测试效率和工况等效性。

4、因此，有必要设计一种气液压差下橡胶隔膜超高周疲劳等效模拟测试方法及系统，使其能够在保持橡胶隔膜关键响应与实际气液压差载荷响应等效的基础上，将不便长期稳定施加的气液压差循环载荷转化为易于控制的机械循环载荷，从而提高橡胶隔膜超高周疲劳测试的可实施性、稳定性和测试效率。

技术实现思路

1、本发明提出一种气液压差下橡胶隔膜超高周疲劳等效模拟测试方法及系统，解决了现有橡胶隔膜疲劳测试中直接采用气压、液压或气液压差循环加载时存在的密封要求高、加载控制复杂、加载频率受限、长周期测试效率低以及试验重复性不易保证等问题。

2、本发明的技术方案是：一种气液压差下橡胶隔膜超高周疲劳等效模拟测试方法，包括以下步骤：

3、建立橡胶隔膜在实际气液压差载荷作用下的有限元分析模型，获得橡胶隔膜在所述实际气液压差载荷作用下的响应特征；

4、根据实际服役橡胶隔膜制备橡胶隔膜试验件，并在所述橡胶隔膜试验件上设置通孔；

5、对所述橡胶隔膜试验件的边缘区域进行固定，在橡胶隔膜试验件的一侧垂直设置刚性加载杆，在橡胶隔膜试验件的两侧分别设置第一夹片和第二夹片，并通过穿过第一夹片、橡胶隔膜试验件通孔及第二夹片与刚性加载杆相连接的固定件，使第一夹片和第二夹片夹紧橡胶隔膜试验件；

6、向所述刚性加载杆施加轴向循环机械载荷，使橡胶隔膜试验件在机械加载状态下的响应特征与实际气液压差载荷状态下的响应特征满足预设等效条件；

7、采集所述橡胶隔膜试验件在轴向循环机械载荷作用下的应变、循环次数或失效状态，以获得橡胶隔膜在气液压差载荷服役条件下的疲劳性能。

8、在本发明至少一实施例中，所述响应特征包括橡胶隔膜的变形状态、位移场、最大主应变、危险区域位置和关键路径应变分布中的至少一种。

9、在本发明至少一实施例中，所述预设等效条件包括以下条件中的至少一种：

10、机械加载状态下橡胶隔膜试验件的变形响应与气液压差载荷状态下橡胶隔膜的变形响应一致或基本一致；

11、机械加载状态下橡胶隔膜试验件的最大主应变分布与气液压差载荷状态下橡胶隔膜的最大主应变分布一致或基本一致；

12、机械加载状态下橡胶隔膜试验件的危险区域位置与气液压差载荷状态下橡胶隔膜的危险区域位置一致或基本一致；

13、在采用应变形式的goodman关系进行评价时，机械加载状态下橡胶隔膜试验件危险区域的goodman等效应变大于或等于气液压差载荷状态下橡胶隔膜危险区域的goodman等效应变。

14、在本发明至少一实施例中，所述轴向循环机械载荷包括加载位移、加载幅值、加载上下限、加载频率、加载波形、循环次数和停止条件中的至少一种。

15、在本发明至少一实施例中，所述橡胶隔膜试验件上被第一夹片和第二夹片夹紧的区域为非疲劳评价区域。

16、本发明还提出了一种气液压差下橡胶隔膜超高周疲劳等效模拟测试系统，用于橡胶隔膜试验件的测试，所述橡胶隔膜试验件上开设有通孔，该系统包括：

17、固定部包括两个相互贴合且螺栓连接的第一固定环和第二固定环；橡胶隔膜试验件夹装在第一固定环和第二固定环之间；

18、加载件包括垂直设置在橡胶隔膜试验件一侧的刚性加载杆、分别设置在橡胶隔膜试验件两侧的第一夹片和第二夹片以及与刚性加载杆相连接的加载驱动件，所述第一夹片和第二夹片通过穿过第一夹片、橡胶隔膜试验件通孔及第二夹片的固定件将橡胶隔膜试验件夹紧，所述固定件与刚性加载杆固定连接；所述加载驱动件用于向所述刚性加载杆施加轴向循环机械载荷；

19、加载控制器与加载驱动件信号连接，用于设置加载驱动件的加载幅值、加载上下限、加载频率、加载波形、加载位移、循环次数或停止条件；

20、数据采集单元，与加载驱动件信号连接，用于采集加载驱动件的循环次数；所述数据采集单元还用于采集橡胶隔膜试验件在轴向循环机械载荷作用下的应变和失效状态。

21、在本发明至少一实施例中，所述数据采集单元包括设置在橡胶隔膜试验件的应变片、用于测量加载位移的位移传感器、用于检测加载驱动件的循环次数的循环次数记录模块以及用于记录橡胶隔膜试验件失效状态的图像采集装置。

22、在本发明至少一实施例中，所述第一夹片和第二夹片均具有与橡胶隔膜试验件相贴合的曲面，所述刚性加载杆的端部设有螺纹孔，所述固定件为穿过第一夹片、橡胶隔膜试验件通孔及第二夹片并与螺纹孔螺纹连接的螺栓。

23、在本发明至少一实施例中，所述第一固定环和第二固定环的相对一侧设有相对的环槽，所述橡胶隔膜试验件的边缘区域卡装至环槽内。

24、在本发明至少一实施例中，所述刚性加载杆为圆柱杆，所述刚性加载杆上套设有滑动轴承，所述滑动轴承用于对刚性加载杆进行导向，并限制刚性加载杆的径向偏移。

25、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

26、本发明提出的一种气液压差下橡胶隔膜超高周疲劳等效模拟测试方法及系统，通过建立橡胶隔膜在实际气液压差载荷作用下的有限元分析模型，获得其变形、应变响应，并据此确定轴向循环机械载荷参数，能够将不便长期稳定施加的气液压差循环载荷转化为易于控制的机械循环载荷，无需依赖复杂的气压或液压循环加载系统，从而大幅降低了对密封系统、压力控制系统和流体循环系统的要求；其次，通过对橡胶隔膜试验件边缘固定、设置通孔并采用第一夹片、第二夹片及刚性加载杆施加轴向循环机械载荷，加载形式简单，便于控制加载位移、幅值、频率、波形、循环次数等参数，显著提高了超高周疲劳测试的可实施性和测试效率；最后，通过采集机械载荷作用下的应变、循环次数或失效状态，能够在保证机械加载响应与实际气液压差载荷响应满足预设等效条件的前提下，获得橡胶隔膜在气液压差服役条件下的疲劳性能，解决了传统流体加载方式难以兼顾加载稳定性、测试效率和工况等效性的问题，适用于碗状或膜片状橡胶隔膜的超高周疲劳寿命测试、失效分析和结构优化。