一种测试多种材料复杂形状零部件疲劳特性的方法

摘要

本发明提供了一种测试多种材料复杂形状零部件疲劳特性的方法，对组成零部件的多种材料进行拉伸疲劳试验，建立各种材料疲劳试验的分析模型，对比各种材料拉伸疲劳试验与数值模拟结果，验证所得各种材料疲劳特性参数的可靠性；建立多种材料复杂形状零部件数值模拟计算模型，将经过验证的疲劳特性参数导入多种材料复杂形状零部件数值模拟计算模型，进行有限元模拟计算，得到该多种材料复杂形状零部件的疲劳特性结果。本发明提供的方法避免了零部件由于组成材料多、形状和受力复杂所决定的不利直接测试疲劳特性的难题，克服了直接疲劳测试造成的成本高、经济性不佳的缺点，具有准确、可靠、经济、有效、方便的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可以准确、可靠、经济地测试出由多种材料组成且具有复杂形状的零部件的疲劳特性的方法，属于多种材料复杂形状零部件测试技术领域。

背景技术

多种材料复杂形状零部件通常由不同的金属材料、不同的非金属材料等组成，并且外观及截面形状复杂，这些零部件在系统装置中经常受到多物理场如力、热、电等的共同作用，受力状态也很复杂，往往在系统装置中都起着非常重要的作用。它们的疲劳特性直接影响着整个系统装置的安全运行，为了减少系统的疲劳故障及故障造成的损失，了解和掌握这些零部件的疲劳特性对整个系统装置的稳定性、安全性和可靠性是十分重要的。

但是由于这些零部件具有的多材料性、形状复杂性以及受力状态复杂性，导致直接通过标准疲劳实验的方法测试它们的疲劳特性非常困难，一是相应的受力载荷无法施加，二是相应复杂形状的夹具需要特殊加工，这样成本相对很高，经济性不佳。因此，设计一种能够准确、可靠、经济地测试多种材料复杂形状零部件疲劳特性的方法是十分必要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够准确、可靠、经济地测试出由多种材料组成且具有复杂形状的零部件的疲劳特性的方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种测试多种材料复杂形状零部件疲劳特性的方法，其特征在于：采用试验测试-曲线验证-数值模拟计算相结合的方法，具体包括如下7个步骤：

步骤1：对组成零部件的各种材料进行拉伸疲劳试验；

步骤2：根据材料拉伸疲劳试验结果，采用幂函数式的对数形式，拟合各种材料的S-N曲线；

步骤3：建立所述各种材料疲劳试验的分析模型，对各种材料试验进行数值模拟计算，得到各种材料S-N曲线的数值模拟结果；

步骤4：对比所述各种材料拉伸疲劳试验与数值模拟结果，验证所得各种材料疲劳特性参数的吻合性；当拉伸疲劳试验与数值模拟结果相对误差小于等于0.1％时，为相吻合，进入步骤5；否则为不吻合，返回步骤3；

步骤5：建立多种材料复杂形状零部件数值模拟计算模型；

步骤6：将经过验证的各种材料S-N曲线导入多种材料复杂形状零部件数值模拟计算模型；

步骤7：进行有限元模拟计算，得到该多种材料复杂形状零部件的疲劳特性结果。

优选地，所述步骤1具体包括如下步骤：

步骤1.1：根据组成零部件的各种材料制作相应的试件；

步骤1.2：使用夹具将试件固定在试验机上，必须保证在试验过程中所夹持试件始终完好无损，避免试件在夹具端部首先断裂；

步骤1.3：用标距器在试件未变形状态下对其标记标距；

步骤1.4：移动试验机的往复件，使试件上的标线达到所需要的距离；

步骤1.5：启动试验机，记录每个试件断裂时的周期数及最大循环应力参数。

优选地，所述步骤1.1中，每种材料的试件制作不少于五件。

优选地，所述步骤3中采用有限元方法，具体包括如下步骤：

步骤3.1：根据材料拉伸疲劳试件具体尺寸，建立试件有限元模拟模型；

步骤3.2：根据试件的具体材料种类采用相应的本构关系，设置试验状况的边界条件，施加拉伸载荷，进行计算，得到各种材料S-N曲线的数值模拟结果。

优选地，所述步骤5具体包括如下步骤：

步骤5.1：根据零部件具体的复杂形状，建立有限元模拟计算模型；

步骤5.2：根据零部件具体组成的各种材料，采用各种材料相应的本构关系；

步骤5.3：根据零部件不同复杂的受力状态，设置相应的约束边界条件。

本发明提供的方法采用试验测试-曲线验证-数值模拟计算相结合的方法，利用简单可行的材料拉伸疲劳试验测试，进行材料试验数值模拟计算，采用曲线验证的方法，并通过零部件整体数值计算，准确地得到多种材料复杂形状零部件的疲劳特性。本方法避免了零部件由于组成材料多、形状和受力复杂所决定的不利直接测试疲劳特性的难题，克服了直接疲劳测试造成的成本高、经济性不佳的缺点，具有准确、可靠、经济、有效、方便的特点。

附图说明

图1为本发明提供的测试多种材料复杂形状零部件疲劳特性的方法操作流程图；

图2为疲劳试验结果拟合的S-N曲线，图2(a)为绝缘橡胶材料S-N曲线，

图2(b)为半导电橡胶材料S-N曲线；

图3为疲劳试验数值模拟计算模型图；

图4为S-N曲线验证图，图4(a)为绝缘橡胶材料数值模拟S-N曲线与试验所得S-N曲线对比图，图4(b)为半导电橡胶材料数值模拟S-N曲线与试验所得S-N曲线对比图；

图5为零部件数值模拟计算模型图，图5(a1)为绝缘橡胶材料部分有限元模型，

图5(a2)为绝缘橡胶材料部分有限元模型剖视图，图5(b1)为半导电橡胶材料部分有限元模型，图5(b2)为半导电橡胶材料部分有限元模型剖视图，图5(c1)为应力锥整体有限元模型，图5(c2)为应力锥整体有限元模型剖视图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

图1为本发明提供的测试多种材料复杂形状零部件疲劳特性的方法操作流程图，所述的测试多种材料复杂形状零部件疲劳特性的方法采用试验测试-曲线验证-数值模拟计算相结合的方法。对组成零部件的多种材料进行拉伸疲劳试验，得到各种材料的S-N曲线等参数。建立各种材料疲劳试验的分析模型，对各种材料试验进行数值模拟计算，得到各种材料S-N曲线等疲劳特性参数的数值模拟结果。对比各种材料拉伸疲劳试验与数值模拟结果，验证所得各种材料疲劳特性参数的可靠性。依据该零部件具体实际情况建立分析模型，施加符合零部件在系统装置中的实际受力状态，将验证的疲劳特性参数作为计算时所需要的疲劳特性参数导入计算模型，对该零部件整体进行疲劳特性数值模拟计算，最终得到该多种材料复杂形状零部件的疲劳特性结果。

本实施例中采用的零部件为一种由绝缘和半导电两种橡胶材料组成的，内侧为空心圆柱外侧为圆锥形的橡胶应力锥零部件。具体实施步骤如下：

步骤1：对组成橡胶应力锥的两种材料进行拉伸疲劳试验，具体步骤如下：

1.1根据零部件橡胶应力锥的组成材料，制作绝缘和半导电两种橡胶材料的哑铃状试件；标距长度(两条标距线之间的距离)为25mm，此距离与试样中间平行部分的两端等距离；哑铃状试样的厚度为2mm；每种材料试件各5件；

1.2为了保证在试验过程中夹持试件始终完好无损，采用的夹具为本发明人另一实用新型专利(专利号ZL201120185704.2)“一种用于板状试件低频疲劳实验的夹具”中介绍的夹具；

1.3用标距器在试样未变形状态下对其标记标距，标线的宽度不大于0.5mm，标在试样的狭长部分并与其边缘成直角，且与试样中心等距；

1.4移动低频疲劳试验机的往复件，使试样上的标线达到所需要的距离；

1.5利用低频疲劳试验机对两种橡胶材料试件进行拉伸疲劳试验，频率为5Hz。启动试验机，记录每个试样断裂时的周期数及最大循环应力等参数。

步骤2：根据材料拉伸疲劳试验结果，采用幂函数式的对数形式，拟合两种橡胶材料的S-N曲线，如图2所示，图2(a)为绝缘橡胶材料S-N曲线，图2(b)为半导电橡胶材料S-N曲线。半导电橡胶材料的疲劳极限比绝缘橡胶材料大，表明半导电橡胶材料能承受更大的载荷而不受到疲劳破坏。

步骤3：进行两种橡胶材料拉伸疲劳试验数值模拟，采用有限元方法，其具体步骤如下：

3.1根据哑铃状试件具体尺寸，建立总长度为115mm，端部宽度为25mm的试件有限元模拟模型，如图3所示；

3.2根据试样材料种类采用橡胶本构关系，设置边界条件为固定实验标记段的一端，在实验标记段的另一端的所有节点上施加拉力，进行计算。

步骤4：对不同的拉力情况进行疲劳计算后得到绝缘和半导电橡胶材料数值模拟S-N曲线结果，对比数值模拟与具体拉伸疲劳试验两种材料的S-N曲线，如图4所示，图4(a)为绝缘橡胶材料数值模拟S-N曲线与试验所得S-N曲线对比图，图4(b)为半导电橡胶材料数值模拟S-N曲线与试验所得S-N曲线对比图。数值模拟结果与试验结果较为吻合，验证了数值模拟各种材料的S-N曲线的可靠性，表明所采用的有限元疲劳计算方法有效可行。

步骤5：建立由两种材料组成圆锥形应力锥零部件数值模拟计算模型，其具体步骤如下：

5.1根据零部件应力锥具体的圆锥复杂形状，建立有限元数值模拟计算模型，如图5所示，图5(a1)为绝缘橡胶材料部分有限元模型，图5(a2)为绝缘橡胶材料部分有限元模型剖视图，图5(b1)为半导电橡胶材料部分有限元模型，图5(b2)为半导电橡胶材料部分有限元模型剖视图，图5(c1)为应力锥整体有限元模型，图5(c2)为应力锥整体有限元模型剖视图。

5.2根据两种橡胶材料，采用多参数Mooney-Rivlin方程为本构关系；

橡胶材料的Mooney-Rivlin方程超弹性模型为：

W＝C₁₀(I₁-3)+C₀₁(I₂-3)(a)

其中，W为应变能密度函数，C₁₀、C₀₁为两种橡胶材料相对应的常数，I₁、I₂为仅与变形相关的应变不变量。

5.3根据应力锥受力状态，设置复杂的约束边界条件。

步骤6：将经过验证的两种橡胶材料S-N曲线导入应力锥整体数值模拟计算模型。

步骤7：对应力锥整体进行有限元模拟，根据材料和几何非线性建立多场非线性有限元求解方程为

K(u)u＝P(b)

其中，K为整体刚度矩阵，它是单元节点位移u的函数，u为位移矩阵，P为整体载荷矩阵。根据应力锥的受力情况，整体载荷矩阵中包含由温度应变引起的温度载荷和受到其它零部件的压力载荷，即：

P＝P_b+P_ε+P_f(c)

式中，P_b为重力和压力载荷矩阵，P_ε为温度应变引起的载荷矩阵项，P_f为其它零部件的压力载荷矩阵。

进行非线性有限元模拟计算，得到零部件应力锥的疲劳特性结果，应力锥绝缘橡胶材料部分会最先疲劳破坏，疲劳寿命为1089000次。