隨著當前社會的飛速發(fā)展,中國橋中國車中國路等“中國驕傲”不斷“出品”,工程對零配構(gòu)件的功能要求越來越高,特別是對金屬構(gòu)件的可靠性和耐久性要求,已經(jīng)成為重要工程的發(fā)展的緊迫需求,是航空航天、車輛船舶、高速列車、微機電系統(tǒng)以及生物醫(yī)學等領域的關(guān)鍵技術(shù)問題。為了節(jié)能環(huán)保,保護更多的綠水青山,這些工程中的金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件通常要求服役時間達到一定長度。另一方面,目前工程中使用到的各類構(gòu)件都逐漸向微型化、輕量化趨勢發(fā)展,這些輕量化構(gòu)件中的一些小型機械構(gòu)件,工作環(huán)境常常是高頻交變載荷,因此這些小型構(gòu)件的安全性、可靠性以及穩(wěn)定性對整個工程來說是非常重要的。在橋梁結(jié)構(gòu)和高層結(jié)構(gòu)中,構(gòu)件之間的連接經(jīng)常使用焊接連接或螺栓緊固,但由于焊接材料或螺栓材料與母材本身的力學性質(zhì)一般不同,連接點連接復雜,因此連接點往往是整個結(jié)構(gòu)受荷下的能量集聚點,也是最易發(fā)生疲勞破壞,造成經(jīng)濟損失。因此研究焊接連接接頭和螺栓連接接頭的疲勞行為,特別是受荷次數(shù)超過10~7次的超長壽命疲勞性能,對于保證結(jié)構(gòu)的可靠性、安全性和耐久性具有重要的工程意義。本文首先對Q345低合金材料的母材進行分析研究,利用有限元分析軟件建模,調(diào)整各部分尺寸以達到實驗所需。應用日本島津公司USF-2000超聲疲勞試驗機,設置拉壓應力比為-1,振動頻率為20kHz,在常溫環(huán)境進行實驗,研究母材自身的超高周疲勞性能。結(jié)果表明,材料自身的超高周疲勞循環(huán)周次隨著應力值的提高而降低,得到的S-N應力壽命曲線呈對數(shù)散布,沒有疲勞極限。觀察構(gòu)件斷裂位置,大多數(shù)斷裂在中間截面,少量斷裂在圓弧過渡截面處。采使用電子掃描顯微鏡進行斷口觀察:裂紋均從表面萌生,尤其是表面有劃痕、粗糙處或滲入夾雜物的地方。模擬工程上的兩個鋼構(gòu)件搭接的焊接接頭,運用有限元軟件進行尺寸設計,超聲疲勞試驗機進行實驗。分析研究了各項尺寸對構(gòu)件固有頻率和應力位移比Cs的影響。結(jié)果表明,各部分尺寸對其固有頻率的影響均呈線性關(guān)系,其中圓弧段長度L3和板的厚度t的尺寸變動對頻率的影響最大,在加工試件需要控制精度。各尺寸對應力位移系數(shù)Cs的影響大體上影響不大。進行超聲疲勞振動試驗,結(jié)果表明,搭接焊接接頭的疲勞性能較母材低,約為母材強度的57%。觀察試件斷口,大多數(shù)都斷裂于焊趾處,有部分斷裂在受彎曲影響較大的母材處,因此尺寸設計加工時需考慮彎曲的影響。觀察斷面可知,焊接接頭裂紋不止萌生于一處,且夾雜和氣孔較多。探索螺栓緊固構(gòu)件的超聲疲勞性能,使用有限元進行尺寸設計,采用接觸單元模擬螺帽與連接件之間的緊固,施加預緊力模擬螺紋桿與螺帽之間的相互作用,最后得到試件第13階軸向拉壓振型的固有頻率為20.15kHz,確定了試件尺寸。繼續(xù)進行超聲疲勞試驗,得出結(jié)論首先需理想化模型,螺栓必須將連接件緊固得非常緊密,可采用專業(yè)儀器進行螺栓固定,保證整個試件內(nèi)部無儀器可識別空隙,或者可以將試件做成一個整體,中間攻絲然后安裝上螺栓;其次由于高速振動時螺紋桿與連接件之間易積累能量而導致溫度急速提升,因此采用間隔加載,保證試件有足夠散熱時間。最后試件成功振動。
【學位單位】：西華大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TU391
【部分圖文】：

常溫工作下的試件，如圖 1.1 所示，高溫會極大降低材料的疲勞性能，且使材料疲勞性能的降低程度隨著循環(huán)周次的增加不斷增大。圖1.1 疲勞強度隨疲勞壽命的變化[19]Fig. 1.1 Variation of fatigue strength with fatigue life[19]

[46]。圖1.2 疲勞過程中的不同階段及相應的控制參數(shù)[46]Fig. 1.2 Different stages of fatigue process and corresponding control parameters[46]

[12]。圖1.3 裂紋萌生擴展到斷裂發(fā)展過程[7]Fig. 1.3 The process of crack initiation、development and fracture[7]圖 1.3 所示的超高周（VHCF）疲勞壽命，裂紋萌生與擴展占疲勞壽命的大部分�？梢钥闯�，研究裂紋萌生、擴展機制和萌生、擴展壽命對于超高周疲勞的研究是非常重要的。程禮[7]等人形象的形容了超高周疲勞試驗過程就像大樹的年輪增長一樣，整個過程都會在斷口上完整的記錄下來，所以研究斷口形貌特征已經(jīng)成為疲勞研究的重要組成部分，可以從中揭示疲勞裂紋的萌生和擴展機理。材料產(chǎn)生的疲勞裂紋可能從表面萌生，也可能從內(nèi)部萌生，大量學者研究表明，低周疲勞時裂紋較多從表面起裂，高周時通常只有一個主裂紋從表面起裂，超高周疲勞則存在內(nèi)部和表面多種萌生機制競爭的現(xiàn)象[47]。侯方[19]等人也得出相關(guān)裂紋萌生機制競爭現(xiàn)象結(jié)論：CrMoW 轉(zhuǎn)子鋼在高溫環(huán)境下低周試件裂紋主要出現(xiàn)在表面
【參考文獻】

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1 劉永杰;何超;楊少波;王清遠;;薄片超聲彎曲疲勞試驗方法研究[J];四川大學學報(工程科學版);2012年S2期

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本文編號：2866400