[发明专利]一种圆柱面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件

说明书

一种圆柱面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件，整体为板状结构，中部为工作段，左右两侧为夹持段，工作段为菱性结构，两条对角线两侧部分对称。工作段上设计有柱面槽及异形孔；其中，柱面槽设计于工作段的正反面上，沿工作段上下方向对角线设计；异形孔为四个，分别开设于工作段由其两条角平分线所等分的四个部分上。通过单轴疲劳试验机实现对试验件的加载，在设计的柱面槽及异形孔下，最终在整个试验件的中心产生了水平方向拉伸、垂直方向压缩的多轴应力状态，形成典型的拉/压多轴应力状态。本发明可以实现对涡轮盘盘心处拉、压双轴状态的模拟，可以部分代替部件级考核试验，缩短结构设计周期，节省试验费用。

技术领域

本发明针对叶轮机械叶片、轮盘、轴等典型结构的典型受力状态，设计能够反映结构应力特征的试验件结构，属于机械结构强度考核及模拟件设计的技术领域，具体来说是一种针对圆柱工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件。

背景技术

目前，在包括航空发动机、内燃机等在内的叶轮机械叶片、轮盘、轴等典型结构中，孔边、圆角等应力集中位置是容易出现疲劳裂纹并进而发生破坏的关键部位。为保证这些位置的工作安全，通常需要通过试验进行强度考核，特别是疲劳强度考核。对于部件而言，开展部件级试验进行整体结构考核，无疑周期长、费用高，同时，试验测试中存在很多不可控因素，因而，经常采用模拟件进行强度考核。以航空发动机结构为例，采用模拟件进行疲劳强度考核的有点主要有两方面：一方面，航空发动机部件/整机试验成本特别高，设计模拟件能够降低疲劳试验的成本；另一方面是因为航空发动机实际工作的环境比较复杂，难以准确模拟，在实验室环境下进行局部危险位置的考核更容易抓住重点。

航空发动机涡轮盘是关键结构件，其强度及寿命有着严格的要求，投入使用前需要开展各种测试工作，盘心、偏心孔、榫槽等部位都要作为重点考核部位。以航空发动机涡轮盘盘心为例，航空发动机在工作时，对于某些盘心较厚的中小型发动机涡轮盘，其盘心承受的载荷是呈多轴分布的，失效形式也是多轴疲劳失效，因此对该类轮盘盘心疲劳寿命的研究实质上是一个多轴疲劳问题，而模拟件也应该设计成多轴疲劳模拟件。通过合理设计，使得模拟件危险点处的应力分量以及应力梯度能够反映轮盘盘心处的应力状态，通过模拟件的寿命来预测轮盘盘心的疲劳寿命。

对于设计出来的多轴疲劳试验件，通常要在多轴疲劳试验机上开展试验，这又带来了研究过程中的另外一个难度，即载荷的施加方式收到很大的限制。采用多轴疲劳试验机加载，试验费用同样较高，而载荷通常为拉扭载荷，受限较多。为了使得模拟件更具有普遍性，结构形式简单，加载方便，使其能够在单向拉伸的试验设备上进行疲劳试验，而不是一定要在双向载荷设备上进行试验，这就需要合理设计模拟件，使得模拟件在单向拉伸的情况下，内部出现多轴应力状态。轮盘盘心处是多轴应力状态，所以需要对模拟件进行合理设计，使得模拟件在受到单向拉力的情况下，危险点呈现多轴应力状态，再通过对模拟件尺寸的调节，使得危险点处的应力状态与轮盘盘心处的应力状态一致，在单向拉伸的试验设备上对模拟件进行疲劳试验，记录模拟件形成疲劳裂纹所需要的载荷循环次数，根据试验所得数据来预测轮盘盘心的疲劳寿命。

用于研究疲劳裂纹萌生和早期裂纹扩展的试样有很多种，包括实心圆柱试样、管状试样和十字形试样，其中十字形试样是研究双轴拉伸应力下疲劳的理想试样，但十字形试样必须要在相应的双轴疲劳试验机上进行疲劳试验，比如给十字形试样一个方向上施加拉力而另一个方向上施加压力，十字形试样的中心处就会是双轴应力状态。

发明内容

针对现有模拟件设计技术中存在的问题，本发明提出一种圆柱面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件，该试验件可以通过单轴疲劳试验机实现加载，能够在单向拉伸的情况内部出现双轴应力状态，且这种双轴应力状态为，一个主应力为正(拉伸)，另一个主应力为负(压缩)。

本发明圆柱面工作段的单轴加载实现双轴应力状态试验件，整体为板状结构，中部为工作段，左右两侧为夹持段，工作段为菱性结构，且工作段的两条对角线两侧部分对称。