[发明专利]一种结构多轴随机振动疲劳试验装置及方法

说明书

本发明公开了一种结构多轴随机振动疲劳试验装置及方法，通过改变试验装置结构的配重情况可以改变其固有频率和振动模态，使得不同振动模态下试验件疲劳危险部位的应力状态不同；在此基础上通过改变随机振动基础加速度激励的频率范围和功率谱密度量值，使得试验件结构在单轴激励载荷下被激发的振动模态组合情况以及各个模态下的振动能量比值发生变化，进而在试验件的疲劳危险部位产生不同非比例度的多轴随机应力响应状态。本发明消除了由于阻尼系数等不确定因素产生的动力学响应分析误差，载荷形式简单、应力响应分析方便且易于理解，能够为工程结构尤其是带缺口结构在随机振动载荷下多轴疲劳寿命分析方法的研究提供试验依据。

技术领域

本发明涉及疲劳断裂技术领域，尤其涉及一种结构多轴随机振动疲劳试验装置及方法。

背景技术

早期的振动疲劳试验条件只能支持进行共振条件下的疲劳试验，后来由于试验费用昂贵以及振动载荷下结构失效部位应力状态复杂等原因振动疲劳试验发展也受到一定影响，直到20世纪90年代人们对振动疲劳问题才进行了较系统的试验研究。工程结构中的许多零部件是在复杂振动载荷条件下服役的，结构件局部通常出现多轴应力状态进而发生疲劳破坏。由于结构振动疲劳的研究尚处于起步阶段，结构振动疲劳试验尤其是多轴振动疲劳试验的研究很少。因此，进行多轴振动疲劳试验对研究振动载荷下结构件局部出现多轴应力状态的疲劳破坏模式研究和疲劳寿命分析方法具有非常重要的意义。

传统的多轴振动疲劳试验都是通过同时在多个方向施加激励载荷进行的。这种做法首先需要使用多轴振动试验台对试验件施加多向激励载荷，因此对试验设施的要求十分严苛。此外在对振动试验进行有限元动力学仿真分析时会出现以下两个问题：一是为了完整地描述激励载荷状态，需要采用包含载荷历程互功率谱密度在内的功率谱密度矩阵(对于3轴激励载荷该矩阵为3×3矩阵)来表征各激励载荷之间的相关性，使得多轴振动疲劳试验的载荷无法采用单一指标进行规划；二是由于激励载荷不止一个，需要将结构模型在多个载荷下进行动力学分析，分别获取结构的动力学响应结果，然后再采用适当方式进行叠加得到实际载荷条件下的响应。尽管工程结构的多轴振动疲劳问题大多源自于多向激励载荷的作用，但是在开展多轴振动疲劳寿命分析方法研究的过程中并不一定要采用这种成本昂贵并且分析复杂的试验方式，因为多轴振动疲劳问题关注的是结构疲劳危险部位的多轴应力响应特性，完全可以通过试验件及其装配结构振动特性的设计来达到单轴外部激励载荷下局部疲劳危险部位产生多轴应力响应的目的。

近年来一些学者开始考虑采用上述施加单轴激励载荷获得多轴应力响应的方法进行多轴振动疲劳的试验研究，但是试验对象均为实际工程中的复杂结构或产品，试验数据量太小从而导致试验缺少系统完整性。因此发展结构多轴随机振动疲劳试验装置的设计方法需求十分迫切，该发明能够兼顾试验件结构自身振动特性、外部激励载荷确定以及随机振动响应分析等问题，具有良好的学术研究价值和工程应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种结构多轴随机振动疲劳试验装置及方法，能够实现在单轴外部激励条件下结构疲劳危险部位出现多轴随机振动应力响应，并且能够同时考虑外部激励载荷和系统自身振动特性对结构动力学响应的影响。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种结构多轴随机振动疲劳试验装置，包含薄壁开缝圆管试验件、夹具、承载盘、固定环和配重模块；

所述薄壁开缝圆管试验件为两端开口的空心圆管，其侧壁上设有两道和其端面平行且开口相反的开缝；

所述承载盘呈圆盘状，其上端面周向均匀设有若干用于固定配重块的通孔；

所述固定环的一端和所述承载盘下端面同轴固连，且固定环的侧壁上周向设有若干用于固定薄壁开缝圆管试验件的通孔；

所述夹具为一端开口一端封闭的空心圆柱体，夹具的封闭端中心设有用于将夹具固定在外界的通孔，夹具的侧壁周向设有若干用于固定薄壁开缝圆管试验件的通孔；