超声波疲劳实验系统的组成及部件设计

    超声波的频率可以达到每秒几万赫兹,将这一优点用于疲劳实验是疲劳研究领域的一大突破。例如,用20 kHz超声波振动疲劳实验机可以比常规快几百倍甚至上千倍,并可以将研究的疲劳寿命范围由百万次提高到十亿次。其成本也大大降代。例如,30 Hz常规疲劳实验机做一个106周疲劳实验需10 h,而用20 kHz的超声波振动疲劳实验机仅需不到1 min.常规疲劳实验机做一个1010周疲劳实验需11年,而用20 kHz的超声波振动疲劳实验机仅需6天。由于上述原因,常规疲劳实验机只能将疲劳寿命延长到106周次,而用20 kHz的超声波振动疲劳实验机则可以将疲劳寿命延长到1010周。巴黎国立技术学院的疲劳断裂实验室已经成功将20 kHz超声波用于疲劳实验。

    下面介绍超声波振动疲劳实验系统的组成及其部件的设计方法。

    系统主要由超声波发生器、能量转换器、位移放大器、试件、计算机等(见图1).

    其中,超声波发生器发出超声电子振动正弦波,能量转换器将电子振动转换为机械振动,位移放大器将位移放大,以便于加大载荷,计算机控制整个实验过程。前2种设备由专门厂家制造,而位移放大器与试件必须由自己设计,关键是其自振频率与前2种设备的频率一致。

    放大器的设计 放大器必须设计其自振频率与转换器输出频率一致,否则便不能振动,由于超声波振动频率高,位移小,应力和应变与位移成正比,太小的位移无法测量,太小的应力又无法满足大载荷试验需要。因此需要一个放大器将位移和应力放大。对于承受纵向拉压载荷的试件,只要将其与试件相连的一端的剖面尺寸减小,便可达到加大应力与位移的效果。为了便于计算自振频率,便于加工。放大器一般采用回转体,主体用圆柱体,过渡部分用圆锥体。

    为防止高速振动放大器产生过热变形,其材料可采用导热好,强度高的钛合金钢。图2为一放大器,其应力放大系数为10.26,应力在400~2 000 MPa.

    试件的设计 试件的设计要求与放大器有许多相似之处,即要求其自振频率与转换器输出频率)致,便于加工,易于计算其应力,一般加工成圆柱体或长方体。试件材料确定后,可根据其密度、弹性模量及频率确定其尺寸。例如一试件,几何形状(见图3).

    式中,f为频率(Hz),Ed为弹性模量(Pa),Q为密度(kg/m3).

    用以上公式可以确定试件尺寸。

    为加大应力,一般将试件长度方向中间半径尺寸减小。试件将在该处折断。

    例如,所需频率f=20 kHz,试件弹性模量Ed=2.1@1011Pa及密度Q=7 850 kg/m3,选用试件尺寸(mm):R0=31,R1=1.25,R2=3.25,L2=10.95,算得L1=30.15,即L =41.2则可得到应力与位移关系式为