[发明专利]一种带孔结构元件低周疲劳性能的试验方法

说明书

本发明提供一种带孔结构元件低周疲劳性能的试验方法，首先通过有限元仿真，初步给定带孔元件结构形状与尺寸，输入材料特征曲线进行带圆孔结构板状试样设计，创建CAE几何模型，而计算辅助设计中的边界条件设置则对应元件试验条件的转换，提取计算结果中的应力、应变与变形特征反馈给元件尺寸进行设计优化，形成闭环，通过多轮次修正，确定元件的优化结构与尺寸设计结果。低周疲劳测试通过控制带孔结构元件的最小面积截面应变量以及孔径尺寸进行试验，试样设计中的最小截面尺寸与圆孔直径是试验控制的两个关键因素。本发明提供的带孔结构元件试样及低周疲劳试验方法，能够实现不同材料应用于开孔结构的元件低周疲劳性能评估。

技术领域

本发明涉及金属材料非标准试样疲劳性能测试方法研究领域，具体涉及一种带孔结构元件低周疲劳性能的试验方法。

背景技术

目前，对于金属材料本身的疲劳性能测试多采用标准的试样设计与标准的疲劳测试试验方法。然而，对于航空发动机机匣结构，在实际服役过程中，其结构上有很多开孔结构承受不同幅值的低周疲劳载荷，运用基础的材料标准低周疲劳测试数据难以准确评估机匣的带孔结构在不同疲劳载荷下的服役寿命。为了表征材料在带孔结构件不同服役条件下的应用性能，迫切需要在材料与结构设计之间通过元件设计与测试搭建桥梁，从而大幅度提升材料的应用成熟度及带孔结构件设计的疲劳性能准确评估，实现结构材料元件的性能考核验证。

带孔结构元件的低周疲劳试验目前尚无统一参考标准，国内在航空发动机设计与研制过程中针对结构元件的设计与测试方法方面研究几乎空白，很大的原因是受原有从材料试验直接到部件试验的设计思想所限制。国外在结构元件设计及非标准测试方面已经开展大量的研究，罗一罗公司对发动机结构件疲劳寿命的处理方式，是通过对大量的结构实验元件做疲劳试验，将试验结果与结构件关键部位计算得到的应力或应变以数据库的形式存储，建立两者之间的关系，根据结构件实际结构尺寸，计算关键部位的应力或应变，通过插值的方法确定寿命。因真实发动机结构件的造价很昂贵，只能是通过制造便宜的模拟元件来进行疲劳寿命试验，以获得发动机结构件的疲劳寿命数据。国内在这一方面的研究几乎空白。

一般常规的金属材料疲劳试验均采用光滑的等截面试样，难以对带有开孔结构的部件进行有效准确评估，也无法评价开孔结构在不同低周疲劳载荷下的组织损伤及疲劳寿命。

发明内容

本发明的目的是：针对现有技术的不足，提出一种带孔结构元件低周疲劳性能的试验方法。

为解决此技术问题，本发明的技术方案是：

一种带孔结构元件低周疲劳性能的试验方法，所述的试验方法将带孔结构元件放入疲劳测试系统，采用应变控制模式，通过控制带孔结构元件最小截面积尺寸及带孔元件的孔径，测得元件不同应变幅值的疲劳寿命。

所述的带孔结构元件通过以下方法确定：

步骤一、参照实际所应用的结构件确定带孔结构元件的厚度与孔径值；

步骤二、建立带孔结构元件低周疲劳过程数值分析模型；

步骤三、应用有限元法进行试样等效应力应变关系计算，得到带孔试样孔径周围应力应变分布特征，结合标准试样的标距并满足以下条件：

确保应力集中发生在标距范围内的孔径周围最小截面处以及在压应力疲劳载荷作用情况下不能失稳，从而确定标距与标距内的宽度；

步骤四、根据所述带孔结构元件的尺寸值计算获得最小截面积尺寸。

优选地，步骤一中带孔结构元件的厚度与所应用的结构件厚度一致；

优选地，步骤一中带孔结构元件的孔径为5-8mm；

步骤三中还包括运用有限元分析计算带孔结构元件在不同应变幅值的低周疲劳试验条件下所需要施加的载荷值。