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静态疲劳试验技术和静态疲劳试验机的历史进程


文章来源:http://www.asryq.com/news/284.html发表时间:2020-10-14
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静态疲劳试验技术和静态疲劳试验机的历史进程


早批的静态是机械式,如英国早在1880年已消耗了杠杆重锤式材料试验机,在1908年又消耗了螺母、螺杆加载的多功能试验机(电子多功能试验机的雏形),这些试验机可进行材料的拉伸、压缩、迂回和转变等验,约在90年前,瑞士公司开发了液压多功能试验机,这种试验机较机械式操作简便、输出力大、结构简单、体积紧凑,能完成材料的各种静态力学性能试验。

仅仅了解材料的静态力学性能是远远不够的,在现实生活中大部分的破坏是由于疲劳破坏。根据国外统计,失效的机器零件中50%-90%为疲劳破坏。因此许多国非常注意对疲劳强度的研究。

 

疲劳问题的发生可追溯到19世纪初叶,产业革命以后,随着蒸汽机车和灵巧运载工具的展开以及机械设备的广泛应用,运动部件的破坏经常发生。破坏往往发生在零部件的截面突变处。破坏处的名义应力不高,低于材料的强度临界点,有时还低于屈服临界点。

 

对疲劳现象先进行系统研究的试验者是德国人沃勒,他自1847年起,在担任机车车辆厂厂长和机械厂厂长的23年中,对金属疲劳进行了深入系统的研究。1850年,德国人沃勒设计了一台用于机车车轴的疲劳试验机(亦称A.Whler疲劳试验机),用来进行全尺寸机车车轴的疲劳试验。以后他又研制出多种型式的疲劳试验机,并用了金属试样进行疲劳试验。他在1871年宣告的论文中,系统论述了疲劳寿命和循环应力的关系,提出了S-N曲线和疲劳临界点的概念,确立了应力幅是疲劳破坏的选择因素,奠定了金属疲劳的基础。因此公认沃勒是疲劳的奠基人,有“疲劳试验之父”之称。

 

19世纪70年代到90年代,Gerber W。(格伯)研究了平均应力对疲劳强度的影响,提出了Gerber抛物线方程,英国人Goodman J。(古德曼)提出了简化直线—Goodman图。1884年Bauschinger J。(包辛格)在验证Whler疲劳试验时,发现了在循环载荷下弹性临界点降落的“循环硬化”现象,引入了应力—应变迟滞回线的概念。但他的义务事前人们并不注意,直到1952年Keuyon(柯杨)在做铜棒试验时才把它重新提出来,并命名为“包辛格效应”。

 

20世纪初叶,起头应用金相来研究疲劳机制。1903年Ewing J。A。(尤因)和Humfery J。C。W。(汉弗莱)在单晶格铝和多晶格铁上发现了循环应力发生的滑移痕迹,指出了疲劳变形是由于与干燥变形相类似的滑移所发生。1910年Bairstow(拜尔斯托)研究了循环载荷下应力—应变曲线的变化,测定了迟滞回线,建立了循环硬化与循环硬化的概念;并且还进行了次序疲劳试验。在此时期,英国人Gough H。J。(高尔)在疲劳机制的研究上做出了很大贡献;他还进行了弯—扭复合疲劳试验,研究了弯—扭复合应力下的疲劳强度;并在伦敦出版了一本巨著《金属疲劳》。

 

1929年美国人Peterson R。E。(彼特逊)对尺寸效应进行了一系列试验,提出了应力集中系数的实践值。1929年—1930年英国人Haigh B。P。(海夫)对高强钢和软钢的不同缺口效应做了合理解释。

 

1945年美国人Miner M。A。(迈因纳)在对疲劳危害积累问题进行了大批试验研究的基础上,将Palmgren J。V。(帕姆格伦)1924年提出的线性累积危害实践公式化,形成了出名的Palmgren—Miner线性累积危害法则(简称Miner法则)。在20世纪40年代前苏联的CepeHceH C。A。(谢联先)还提出了通例疲劳的设计计算公式,奠定了通例疲劳设计的基础。

 

1952年美国国航空管理局刘易斯研究所的Manson S。S。(曼森)和Coffin L。F。(科芬),在大批试验的基础上,提出了表达塑性应变与疲劳寿命关系的Manson—Coffin方程,奠定了低周疲劳的基础。20世纪50年代应用电子显微镜,给疲劳机制的研究开拓了新纪元。

 

用概率统计方法处理疲劳试验数据是从20世纪40年代起头的。1949年Weibull W。(威布尔)宣告了对疲劳试验数据进行统计处理的出名方法。1959年Pope J。A。(波普)指出疲劳寿命听从对数正态散播。20世纪60年代起头将统计学应用于疲劳试验和疲劳设计,1963年美国材料试验学会(ASTM)上午E9委员会总结了这方面的研究后果,宣告了《疲劳试验与疲劳数据的统计分析指南》(ASTM STP91A)一书。

 

在上个世纪50年代初,出现了高速响应的永磁式力矩马达,50年代后期又出现了已喷嘴挡板阀为先导级的电液伺服阀,使电液伺服系统成为事前响应快,控制精度高的伺服系统。1958年美国勃莱克布恩等宣告了他们在麻省理工学院的研究义务,为现代电液伺服系统的实践和实践奠定了基础。60年代各种结构的电液伺服阀的相继问世,特别是以穆格为代表的采用干式力矩马达的级间力反映的电液伺服阀的出现和各类电反映技术的应用,进一步提高了电液伺服阀的性能,电液伺服技术日臻成熟,电液伺服系统已成为武器和航空、航天自动控制以及一部分民用技术设备自动控制的重要组成部分。

 

电液伺服静态疲劳,在此背景下随着电液伺服技术的展开而展开起来。由于它既能进行动态的上下周疲劳试验、次序控制疲劳试验,也能进行动态的恒速率、恒应变、恒应力控制下的试验和各种通例的力学性能试验,还可进行断裂力学试验,根据需要也能够进行部分的振动和冲击试验,也能够对广义规模上材料或构件的疲劳寿命、裂纹扩张、断裂韧性性能测试、实践试件的安全性评价、工况模拟等,因此有着其它任一种类的试验机所不能对比的优势,是海内疲劳界推许的材料试验设备。

 

20世纪60年代,随着大规模集成电路的出现,研制出了能够模拟零部件服役载荷工况的随机疲劳试验机。20世纪70年代,国外已广泛应用电子计算机控制的电液伺服疲劳试验装置来进行随机疲劳试验。20世纪90年代,已经出现了上下位机结构的全数字的伺服控制器,闭环控制计算速率抵达了6kHz,数据传输采用100Mb以太网卡(Ethernet),能够完成控制情势的平滑无扰切换、多通道的谐和加载以及各种工况谱的试验室再现。

 

低周疲劳Manson—Coffin方程、电子以及电液伺服静态疲劳试验机的出现被海内疲劳研究界认为是疲劳研究的三大贡献,电液伺服静态疲劳试验机由于采用了闭环控制技术,从而在试验中能够模拟实践应用工况,大大促进了疲劳试验的展开。


疲劳试验机


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