一种可实现超高周拉扭复合疲劳试验的装置的制作方法

1.本发明属于材料疲劳试验技术领域，特别涉及超高周拉扭复合疲劳试验。


背景技术：

2.航空发动机及燃气轮机等关键材料领域，其重要零部件在复杂循环载荷下长时间工作，其循环周次一般在109以上，属于超高周范畴，而目前超声疲劳试验装置仅能做轴向或扭转疲劳试验，或利用扭振换能器直接输出扭转振动，轴向或切向配上重物加载静应力，形成具有平均应力的非对称扭转载荷，这无法模拟出材料在拉扭复合载荷下的状态，但关于材料在拉扭复合载荷比例加载的超声疲劳试验装置，目前尚缺乏与之对应的方案。


技术实现要素：

3.本发明提供一种可实现超高周拉扭复合疲劳试验的装置，能实现拉扭复合载荷比例加载，利用共振原理，采用一种扭转振动占主导的拉扭振型，在15khz
‑
28khz下可以对材料实现拉扭复合疲劳试验。
4.本发明采用的技术方案是：包括纵振换能器、拉扭变幅杆、拉扭试验件，纵振换能器下端与拉扭变幅杆螺纹连接，拉扭变幅杆下端连接拉扭试验件；
5.所述的纵振换能器仅能产生轴向振动。
6.所述的拉扭变幅杆圆锥段设有平行交错槽，由八个普通斜槽组成，上下各四个，且上下斜槽呈平行交错状分布，与轴成30
°‑
50
°
，能极大效率的将纵波转换成横波。
7.所述的拉扭试验件设有两个圆弧缺口，第一个圆弧缺口用于降低扭转振动模态频率，使得扭转振动模态与轴向振动模态同频共振，第二个圆弧缺口作为拉扭复合疲劳试验段。
8.所述的拉扭试验件采用二段台阶过渡连接拉扭变幅杆，用于降低连接处的拉扭载荷，避免连接失效。
9.所述的纵振换能器、拉扭变幅杆与拉扭试验件组成的共振系统采用一种扭转振动占主导的拉扭振型，该拉扭振型扭转振动分量可大于轴向振动分量，且最大变形在拉扭试验件的中间圆柱段上，而拉扭变幅杆上的拉扭载荷很小，可保证拉扭变幅杆的寿命。
10.本发明的优点及功效：实现了超高周拉扭复合疲劳试验，能实现拉扭复合载荷比例加载；其平行交错槽能极大效率的将纵波转换成横波，转换率在50％以上；拉扭试验件设有两个圆弧缺口，该方案能降低扭转振动模态频率，使其与轴向振动模态同频共振，即在轴向模态共振的时候，同时达到扭转模态的共振，使得扭转振动分量达到最大；拉扭试验件二段台阶过渡连接的方式有效降低了连接处的拉扭载荷，避免了连接的失效；该共振系统采用一种扭转振动占主导的拉扭振型，且该振型在拉扭变幅杆的变形极小，保证了其寿命。
附图说明
11.图1是本发明超高周拉扭复合疲劳试验装置较佳实施例的结构示意图；
12.图2是拉扭变幅杆；
13.图3是拉扭试验件。
14.图4是本发明装置采用的拉扭振型矢量图。
15.图中标记：10
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纵振换能器、20
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拉扭变幅杆、201
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圆锥段、202
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平行交错槽、30
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拉扭试验件、301
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二段台阶、302
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第一段圆弧缺口、303
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中间圆柱段、304
‑
第二段圆弧缺口。
具体实施方式
16.下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
17.本发明超高周拉扭复合疲劳试验装置结构示意图如图1所示，包括纵振换能器(10)、拉扭变幅杆(20)、拉扭试验件(30)，纵振换能器(10)下端与拉扭变幅杆(20)螺纹连接，拉扭变幅杆(20)下端连接拉扭试验件(30)，从而实现超高周拉扭复合疲劳试验。
18.工作原理：
19.将材料加工成拉扭试验件(30)形式如图3，不同材料可通过调节长度来达到共振频率，本实施案例材料与共振频率分别为高温合金拉扭试验件、20khz，纵振换能器(10)工作时将电信号转变成轴向机械振动，纵振换能器(10)输入的机械纵波传入到拉扭变幅杆(20)，部分纵波遇到平行交错槽(202)后会转变成横波继续传导，从而将单一的轴向振动转变成拉扭复合振动，但由于扭转振动模态频率低于轴向振动模态频率，往往在轴向振动达到共振时，扭转振动未达到共振，导致扭转振动分量较少，而本发明的拉扭试验件(30)设有两个圆弧缺口(302和304)，第一个圆弧缺口(302)可以降低扭转振动模态频率，使得扭转振动模态与轴向振动模态同频共振，即在轴向模态共振的时候，同时达到扭转模态的共振，使得扭转振动分量达到最大；由纵振换能器(10)、拉扭变幅杆(20)与拉扭试验件(30)组成的共振系统采用了一种扭转振动占主导的拉扭振型，拉扭振型矢量图如图4，该振型在拉扭变幅杆(20)的变形极小，保证了其寿命，而在拉扭试验件中间圆柱段(303)的拉扭变形极大，即作用在第二个圆弧缺口处的轴向和切向应力极大，提高了换能器的能量使用效率。
20.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明的说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。


技术特征：
1.一种可实现超高周拉扭复合疲劳试验的装置，其特征在于，包括：纵振换能器(10)、拉扭变幅杆(20)、拉扭试验件(30)；纵振换能器(10)下端与拉扭变幅杆(20)螺纹连接，拉扭变幅杆(20)下端连接拉扭试验件(30)。2.根据权利要求1所述的一种可实现超高周拉扭复合疲劳试验的装置，其特征在于：所述的拉扭变幅杆圆锥段(201)设有八个互相平行交错的槽(202)，能将纵波转换成横波；所述的槽为平行交错槽(202)，由八个普通斜槽组成，上下各四个，且上下斜槽呈平行交错状分布，与轴成30
°‑
50
°
。3.根据权利要求1所述的一种可实现超高周拉扭复合疲劳试验的装置，其特征在于：所述的拉扭试验件(30)设有两个圆弧缺口，第一个圆弧缺口(302)用于降低扭转振动模态频率，使得扭转振动模态与轴向振动模态同频共振，第二个圆弧缺口(304)作为拉扭复合疲劳试验缺口。4.根据权利要求1所述的一种可实现超高周拉扭复合疲劳试验的装置，其特征在于：所述的拉扭试验件采用二段台阶(301)过渡连接拉扭变幅杆(20)，用于降低连接处的拉扭载荷，避免连接失效。5.根据权利要求1所述的一种可实现超高周拉扭复合疲劳试验的装置，其特征在于：所述的纵振换能器(10)、拉扭变幅杆(20)与拉扭试验件(30)组成的共振系统采用一种扭转振动占主导的拉扭振型。

技术总结
本发明公开了一种可实现超高周拉扭复合疲劳试验的装置，属于材料疲劳试验技术领域。包括：纵振换能器、拉扭变幅杆、拉扭试验件。纵振换能器下端与拉扭变幅杆螺纹连接，拉扭变幅杆下端连接拉扭试验件。拉扭变幅杆圆锥段表面开设八个平行交错槽，平行交错槽可以将部分纵波转变成横波，拉扭试验件设有两个圆弧缺口，第一个圆弧缺口用于降低扭转振动模态频率，使得扭转振动模态与轴向振动模态同频共振，工作时拉扭试验件中间圆柱段同时产生轴向和扭转运动，于是目标缺口处同时受轴向与切向应力。本发明能实现15khz


技术研发人员：尚德广 陈超林 张佳林 郭一二 尹翔
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2021.08.01
技术公布日：2021/11/2