疲劳试验装置设计

『壹』 疲劳强度的设计方法

设计人员通常认为最重要的安全因素是零部件、装配体或产品的总体强度。为使设计达到总体强度，工程师需要使设计能够承载可能出现的极限载荷，并在此基础上再加上一个安全系数，以确保安全。但是，在运行过程中，设计几乎不可能只承载静态载荷。在绝大多数的情况下，设计所承载的载荷呈周期性变化，反复作用，随着时的推移，设计就会出现疲劳。
实际上，疲劳的定义为：“由单次作用不足以导致失效的载荷的循环或变化所引起的失效”。疲劳的征兆是局部区域的塑性变形所导致的裂纹。此类变形通常发生在零部件表面的应力集中部位，或者表面上或表面下业已存在但难以被检测到的缺陷部位。尽管我们很难甚至不可能在FEA 中对此类缺陷进行建模，但材料中的变化永远都存在，很可能会有一些小缺陷。FEA 可以预测应力集中区域，并可以帮助设计工程师预测他们的设计在疲劳开始之前能持续工作多长时间。
对承受循环应力的零件和构件，根据疲劳强度理论和疲劳试验数据，决定其合理的结构和尺寸的机械设计方法。机械零件和构件对疲劳破坏的抗力，称为零件和构件的疲劳强度。疲劳强度由零件的局部应力状态和该处的材料性能确定，所以疲劳强度设计是以零件最薄弱环节为依据的。通过改进零件的形状以减小应力集中，或对最弱环节的表面层采用适当的强化工艺，便能显著地提高其疲劳强度。应用疲劳强度设计能保证机械在给定的寿命内安全运行。

『贰』 疲劳试验该怎么做

疲劳试验为了精确地估算材料结构的零部件的疲劳寿命，疲劳试验也是有限元仿真分析的重要指标之一。试验方式：试验应力（应变）和循环周次（高周疲劳，低周疲劳，室温疲劳，低温疲劳，高温疲劳，热疲劳，腐蚀疲劳，接触疲劳，微动磨损疲劳等），加载方式（拉压疲劳，弯曲疲劳（旋转弯曲疲劳、三点弯曲疲劳、四点弯曲疲劳、悬臂弯曲疲劳），扭曲疲劳，复合应力疲劳等等），扩展速率试验，S-N曲线的测式，旋转弯曲方法等等。

『叁』 气缸盖材料热疲劳试验台的开发

为比较不同气缸盖材料在实际循环热负荷条件下的疲劳特性，开发了1套用于进行热疲劳分析的新型试样设计与试验系统。采用有限元分析对试样几何结构和热循环进行了优化。利用高频感应加热器对热疲劳试样的哑铃形截面进行了局部加热，并利用压缩空气对其进行了冷却。然后，利用试样范围内产生的非均匀热梯度内部诱导产生机械应变，从而精确模拟气缸盖内气阀桥在实际工况下的运行情况。所得到的疲劳寿命不仅与合金固有的抗疲劳强度有关，而且还与导热系数、弹性模量和热膨胀系数等其他相关属性有关。该试验是比较不同合金热疲劳应用的必要工具。为了研究组成变化及热处理对热机性能的影响，对4种铝合金进行了测试，并对该试验方法及其结果进行了详细介绍。

0前言

汽车制造商们一直在致力于提高燃油效率，以满足为未来制定的严格燃油经济性要求。除轻量化外，涡轮增压也已成为提高燃油效率并保证功率输出，进而实现发动机小型化的1种先进设计策略。但是，涡轮增压会导致发动机工作温度升高，通常会导致零部件故障。车用发动机零部件通常需要承受复杂的负荷条件和热循环。在发动机气缸盖内，高周疲劳(HCF)是由循环发火压力导致的，低周疲劳(LCF)是由发动机起动和关闭过程中热循环诱发的塑性应变导致的。针对气缸盖温度和压力的提升需求，开发了多种耐热铸铝合金，以供该新型发动机设计使用。通常，新型合金的热疲劳性能通过各种试验进行预测，如等温疲劳试验、热机疲劳(TMF)试验，以及其他热属性测量(热容量、热膨胀系数、导热系数等)。这些试验费用昂贵且耗时。此外，由于所有热属性的共同作用，估算得到的热疲劳性能准确度不高。热疲劳试验是将所有材料属性考虑在内的结构试验，等温低周疲劳试验和热机疲劳试验是获取材料固有疲劳属性的良好工具。对于合金的热疲劳试验，最准确和最直接的方法是进行零部件级的试验。试验利用喷灯对气缸盖上的燃烧室进行加热，利用水雾进行冷却。利用热电偶对临界位置的温度进行连续监测。在光学显微镜下对气缸盖进行周期性检查，直至其出现裂纹。但是，气缸盖成形及气缸盖热疲劳试验的成本都是非常高的。因此，只能进行小规模的热疲劳试验。

本文提出了多种热疲劳试验装置及试验方法，所有这些装置和方法都各有优劣。Hayashi采用沙漏圆头哑铃形试样及专门设计的热压罐测试了304不锈钢的热疲劳强度。利用沸水堆(BWR)在水环境中的热水射流和冷水射流对试样分别进行加热和冷却。该试验系统的目的是要在BWR模拟环境中研究304不锈钢的热疲劳特性。

Meyer-Olbersleben等采用带刃状的楔形试样研究了镍基单晶高温合金的热疲劳特性。采用感应线圈加热刃状部分，由刃状前端的铜喷头进行空气冷却。试样中的热膨胀差异导致出现热应变和热应力。该设计的优点是试样几何结构简单且循环时间短，缺点是整个刃状部分的加热和冷却不均匀。Panda和Wei等采用具有类似设计但呈扁厚状的试样，利用气焊焊炬进行加热。Schneider等采用圆盘形试样，利用2盏卤钨灯进行加热。加热速率可达到1000°C/s。

综上所述，良好的加热方法及合适的试样结构是设计高效可靠热疲劳试验台的必要条件。本文介绍了1种新型热疲劳试验台，提出了比较不同铝合金热疲劳性能的试验方法。

1试验装置

1.1热疲劳试验台

本研究采用的热疲劳试验台见图1。该设计借鉴了其他研究者能够提高效率的几项理念。在加热过程中，试验台采用具有特殊设计线圈的感应加热器对试样测量段进行局部加热。

2.2最高温度的影响

设计试验条件3用于验证如下假设，即合金1在试验条件1和2下观察到的较低的最高温度不是合金1具有更佳抗热疲劳性能的唯一原因。试验条件3中的最高温度被设定为280°C。需要注意的是，由于机械应变是由所有热属性相互作用决定的，因此，相同的最高温度无法确保在测量段出现相同的机械应变。如图5(c)所示，合金1仍具有最少量的裂纹且所有裂纹长度均短于100μm。另一方面，合金2、合金3和合金4具有更多的长裂纹，最大裂纹长度可长达400μm。结果显示，合金1确实比其他合金具有更佳的抗热疲劳性能。

3结论

为了研究和比较4种铸铝合金的热疲劳性能，开发了1套新型热疲劳试验台，并建立了相关试验方法。结果显示，合金1在所有试验条件下都具有比其他合金更佳的抗热疲劳性能，成功验证了试验台在合金抗热疲劳性能方面的定性比较能力。本文提出了采用固定电流输入和固定最高温度的2种试验方法，且2种方法的试验结果一致。与其他昂贵的试验过程相比，该试验可用作成本和时间相对高效的合金选择工具。为确保试验台及试验方法的可靠性和适用性，还应对其他合金进行深入研究。

注：本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第2期

作者：[美]?W.J.LAI等

整理：田永海

编辑：虞展

本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。

『肆』 双轴疲劳试验装置的有什么功能和特点

双轴疲劳试验装置采用自主研发的电液伺服技术、成熟的传感检测技术等，成熟的高温真空加热技术，先进的应变测量系统，试验的压力、升压速率、试验温度、真空度等参数均可以在调节范围内自行设定，此试验机结构上采用模块化设计，便于系统的紧凑和售后维修，控制上采用自动控制方式，具有可控性好、控制精度高、可靠耐用等特点。

主要功能

1. 本试验机集压力脉冲疲劳、动拉疲劳、高温加热、真空系统、双应变测量控制为一体，可对合金锆管进行一定高温真空下的双疲劳寿命试验。

2. 设备运行前需先设定试验工艺流程，试验过程通过界面设定，包括脉冲压力、脉冲频率、脉冲次数、炉体温度、炉体真空度等相关参数，试验结束或异常时自动停机。

3. 本试验机对试验的相关参数可以进行保存，便于以后做相同试件、相同标准的试验时直接提取试验参数，不需再进行设置。

4. 本试验机压力曲线可以实现压力脉冲曲线、力疲劳曲线、轴向和径向应变曲线等，并可以通过鼠标指示来显示出任意点的试验值。

5. 本试验机具备良好的安全措施：具有油温超高报警、液位报警、泄漏报警、异常报警、过载保护、紧急卸压、冷却水压压力过低报警、安全停机、炉体超温报警、门限位报警等等功能。可以及时的反馈设备的运行状态，便于监管设备。

6. 本试验机试验由计算机控制，可实时采样压力、温度、真空值、时间等内容。能以Office文档格式导出试验报表，并能自由编辑（报表格式可以根据用户格式定制，但用户必须提前提供报表格式）。

7. 本试验机能够对当次试验出现故障的时间与性质、操作人员的操作进行记录。（注意，计算机关闭后不在记录上一次开机时的操作过程）。

8. 远程监控系统：通过远程监控系统可以对设备提供全程的跟踪服务，并能及时对设备故障提出解决方案，可以节省维修时间，大大降低生产运行成本。

主要特点

1. 液压动力柜、高温真空炉、动拉系统、高温真空炉控制柜、常温真空炉的结构设计采用彼此独立风格，均各带移动脚轮和叉车位，便于移动和搬运，设备整体外观协调且美观大气。液压动力柜将液压站、压力脉冲器、介质脉冲系统有机的结合在一起，管路采用非焊接式高压管路连接，杜绝跑冒滴漏，柜内采用模块化设计，整体采用撬装式结构，便于搬运和安装、维修。

2. 液压站为压力脉冲器提供稳定的系统压力，试验压力通过伺服液压缸和伺服阀来输出，动力系统配置高、使用寿命长；伺服阀控制精度高、动态响应快；伺服液压缸爬行稳定、泄漏低、寿命长；可以满足不同压力的试件试验要求。

3. 高品质的动力液压站、电液伺服阀、液压缸、高温介质系统、压力/温度传感器、通断阀等可确保整套设备在无故障状态下长期工作，一次试验可以连续运行300小时。

4. 计算机监控系统由塔式服务器与美国高速控制器上下两级控制系统组成，上位机通过通信协议向下位机发送指令，下位机根据接收到指令启动设备，使整套设备处于完全脱离于上位机控制的状态下独立运行，同时不断将获取的试验数据上传给上位机。这样整套设备可以在长时间稳定状态下运行。

5. 试验数据具备自动采集和处理功能，自动建立试验数据库，数据可随时查询和长期保存。

6. 试件破裂后压力迅速下降，自动停止加压，即试验件破损后自动停机保护功能，最大限度保证人身、设备安全，适合试验无人看守。

7. 试件泄漏可以设定报警点。当泄漏量达到一定程度后，系统会自动报警并停止工作。

8. 高温真空具备独立控制，也具备通讯电脑系统总控功能。

『伍』 疲劳强度的设计方法是什么

设计人员通常认为最重要的安全因素是零部件、装配体或产品的总体强度。为使设计达到总体强度，工程师需要使设计能够承载可能出现的极限载荷，并在此基础上再加上一个安全系数，以确保安全。但是，在运行过程中，设计几乎不可能只承载静态载荷。在绝大多数的情况下，设计所承载的载荷呈周期性变化，反复作用，随着时的推移，设计就会出现疲劳。
实际上，疲劳的定义为：“由单次作用不足以导致失效的载荷的循环或变化所引起的失效”。疲劳的征兆是局部区域的塑性变形所导致的裂纹。此类变形通常发生在零部件表面的应力集中部位，或者表面上或表面下业已存在但难以被检测到的缺陷部位。尽管我们很难甚至不可能在FEA中对此类缺陷进行建模，但材料中的变化永远都存在，很可能会有一些小缺陷。FEA可以预测应力集中区域，并可以帮助设计工程师预测他们的设计在疲劳开始之前能持续工作多长时间。
对承受循环应力的零件和构件，根据疲劳强度理论和疲劳试验数据，决定其合理的结构和尺寸的机械设计方法。机械零件和构件对疲劳破坏的抗力，称为零件和构件的疲劳强度。疲劳强度由零件的局部应力状态和该处的材料性能确定，所以疲劳强度设计是以零件最薄弱环节为依据的。通过改进零件的形状以减小应力集中，或对最弱环节的表面层采用适当的强化工艺，便能显著地提高其疲劳强度。应用疲劳强度设计能保证机械在给定的寿命内安全运行。

『陆』 双轴疲劳试验机有什么作用，双轴疲劳试验机是用于哪个行业的自动化设备

双轴疲劳试验机的测试对象：反应堆包壳管及其他方面高温高压管材，错合金管材、不锈钢管材、碳化硅管材、铝管、相陶瓷 管材等核用管材；

测试内容：高温、高压、高真空、超高压、高频率；

双轴疲劳试验机集压力脉冲疲劳、动拉疲劳、高温加热、真空系统、双应变测量控制为一体，可对合金锆管进行一定高温真空下的双疲劳寿命试验。双轴疲劳试验机具有油温超高报警、液位报警、泄漏报警、异常报警、过载保护、紧急卸压、冷却水压压力过低报警、安全停机、炉体超温报警、门限位报警等等功能，可以及时的反馈设备的运行状态，便于监管设备。

双轴疲劳一般用于核电行业，双轴疲劳试验机是由一个主动力柜、高温真空动拉系统、高温真空炉电控柜等组成，采用模块化设计，控制系统、加热源、压力动力源、压力增压系统、介质补液系统等等均采用模块化设计，彼此间通过高性能的管路连接，结构紧凑，美观大体，便于售后维护等。

『柒』 高频疲劳试验机的原理是什么

高频疲劳试验机根据电磁谐振的原理工作，依靠电磁铁的震荡施加载荷，是载荷比较大20KN-300KN，频率80-250Hz测试时间短的首选。需要调频率，频率时固定几个档，根据使用客户的反馈，调频操作比较麻烦。低频疲劳试验机根据电液伺服的原理工作，依靠液压作动缸的往复运动施加载荷，大载荷5KN-1000KN低频率0-10Hz的首选，一般建议在10Hz左右使用，更高的频率对于液压伺服阀、密封圈等等部件的摩擦损伤太大，后面的维护成本太高，不建议使用更高频率。如果不考虑维护成本，使用20Hz，30Hz也是可以的，只是液压疲劳试验机的寿命会受到重大的影响。电机驱动疲劳试验机根据电场与磁场的关系，米力光国际贸易有限公司通过磁场的来回移动实现往复运动施加载荷，是小载荷20N-30KN，频率0-100Hz要求高的首选，频率随意可以设置。是小载荷，中频率的首选。维护不过，同样是20KN的疲劳试验机系统，电机驱动疲劳试验机系统购买非常昂贵，但是液压疲劳试验机它有许多活动部件和密封件，维护费用高。

另外，其能源成本也很高，因为泵必须连续运转，而且油被看作有害废料，一旦污染就必须更换。由于传动装置和/或伺服阀的密封件摩擦，分辨率和保真度可能受到限制，而且传动装置的活动质量非常高。在多轴应用时由于摩擦，传动装置的侧向负荷还会引起波形扭曲或密封件磨损，液压疲劳试验机需要定期停机做一些维护。

『捌』 如何正确选配疲劳试验机试验夹具

如何正确选择的疲劳试验机的夹具：考虑点如下：
一.试验分为多种不同类型的动静态试验，其中包括：拉伸、压缩、剪切弯曲和疲劳/断裂。
如果要选择正确的夹具，需要考虑下列几个方面：
1、试验类型：拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切、反向应力（扭转并压缩）
2、试验试样：配置、大小、形状和材料
3、最大载荷：预期的最大载荷，以磅、牛顿或千克表示
4、最大应变位移/压缩：预期的最大伸长，以初始标距长度的百分比表示
5、应变测量：引伸计标距、行程百分比、其他要求
二、成功的夹持要求试样不会滑动、不会造成夹片断裂，并且确保所施力的轴对称性。有些情况下，夹持要求非常特别，会需要特别设计的夹具或工装来满足特殊的试验标准。然而，多数情况下，可以使用通用的配件。通用夹具具有很多优势，可以固定很多类型的试样和材料，可以选择使用很多不同的夹面、对齐工装等。
三、如何固定式样？
首先，操作员面临的两个最常见问题就是试样滑动和夹片断裂。如果采用的是平底的机械或旋紧式夹具，经常会发生滑动。选择夹面时，表面区域应该足够大能够盖住接触部位（哑铃试
样），或者对于平行试样，尽可能多的盖住接触面。无论使用何种夹具，请确保试样一端至
少由 75% 的夹面有效长度夹持，否则，将会降低夹持效率，有时还可能破坏夹面。
当你遇到夹持问题，请记住重要的一点就是进行试验。你得到最终的结果是随机的。
当夹具内的样品由于夹持力太大或锯齿夹面夹入太深时，常常会发生夹持部位破损。下面是减少夹持部位破损的提示：
旋紧式夹具：当固定样品时，操作员可能用了过大的力；请使用扭矩扳手或气动夹具。
气动夹具：减小压力，但请不要减小到会滑动的程度。
锯齿夹面：改用每英寸具有更多锯齿（咬入较小）的夹面，或垫上胶带或类似材料（这样可以减缓咬入，防止损坏样品）。
试验单丝和单纤维
单纤维或单丝可以贴附在穿孔卡片上。试样的标距长度即为孔的高度。当卡片固定在试验仪器上后，将试样两侧的卡片部分剪去。
K 定期检查夹具是否有破损，如胶皮管裂缝或漏气。
K 定期校验压力表是否准确地记录夹持装置的气压或油压。
K 如果夹面有磨损、破坏或污损，请更换夹面。
K 切勿使用超过需要的夹持力，以便提供可靠的，不滑动的固定。
K 旧的夹具不一定能和新材料或试样配合使用。
您可能会发现需要特殊的夹具或不同的夹面。
可以尝试多种物品，改进现有的夹持方式，其中包括纱布、胶带等。
更多疲劳试验机知识，请网络搜索“试验机老二”大量视频供您参考学习

『玖』 疲劳试验机的原理和目的

疲劳试验机

疲劳试验机，是一种主要用于测定金属及其合金材料在室温状态下的拉伸、压缩或拉、压交变负荷的疲劳性能试验的机器。

中文名

疲劳试验机

外文名

fatigue machine

产品类型

主要生产制造

地域

中国上海

厂商

百若试验仪器

更多

概述

疲劳试验机，是一种主要用于测定金属及其合金材料在室温状态下的拉伸、压缩或拉、压交变负荷的疲劳性能试验的机器。

疲劳试验机特点是可以实现高负荷、高频率、低消耗，从而缩短试验时间，降低试验费用。

疲劳试验机用于进行测定金属、合金材料及其构件（如操作关节、固接件、螺旋运动件等）在室温状态下的拉伸、压缩或拉压交变负荷的疲劳特性、疲劳寿命、预制裂纹及裂纹扩展试验。高频疲劳试验机在配备相应试验夹具后，可进行正弦载荷下的三点弯曲试验、四点弯曲试验、薄板材拉伸试验、厚板材拉伸试验、强化钢条拉伸试验、链条拉伸试验、固接件试验、连杆试验、扭转疲劳试验、弯扭复合疲劳试验、交互弯曲疲劳试验、CT试验、CCT试验、齿轮疲劳试验等。

试验方法

疲劳试验是指通过金属材料实验测定金属材料的σ-1，绘制材料的S-N曲线，进而观察疲劳破坏现象和断口特征，进而学会对称循环下测定金属材料疲劳极限的方法。检测设备一般有疲劳试验机和游标卡尺。

在足够大的交变应力作用下，于金属构件外形突变或表面刻痕或内部缺陷等部位，都可能因较大的应力集中引发微观裂纹。分散的微观裂纹经过集结沟通将形成宏观裂纹。已形成的宏观裂纹逐渐缓慢地扩展，构件横截面逐步削弱，当达到一定限度时，构件会突然断裂。金属因交变应力引起的上述失效现象，称为金属的疲劳。静载下塑性性能很好的材料，当承受交变应力时，往往在应力低于屈服极限没有明显塑性变形的情况下，突然断裂。疲劳断口明显地分为两个区域：较为光滑的裂纹扩展区和较为粗糙的断裂区。裂纹形成后，交变应力使裂纹的两侧时而张开时而闭合，相互挤压反复研磨，光滑区就是这样形成的。载荷的间断和大小的变化，在光滑区留下多条裂纹前沿线。至于粗糙的断裂区，则是最后突然断裂形成的。统计数据表明，机械零件的失效，约有70%左右是疲劳引起的，而且造成的事故大多数是灾难性的。因此，通过实验研究金属材料抗疲劳的性能是有实际意义的。

用途

本机主机采用高刚度负荷框架、横梁液压升降、锁紧。结合高精度负荷、位移传感器及全数字式电液伺服闭环控制系统，可对各种金属、非金属及复合材料进行拉、压、弯、剪、疲劳、裂纹扩展、断裂等动态和静态力学性能试验，配高温装置特别适用于高温应变控制试验。是科研生产、仲裁检验所需的先进检测设备。

『拾』 怎么设计疲劳试验 高周 低周 高温低温 高频低频

是以可经受的疲劳次数区分的，当应力水平高（就是拉力大），能经受的疲劳次数就低，一般以10^4(10000)为界，低于这个次数为低周疲劳，高于为高周疲劳。问题中频率指的是试验频率，一般液压疲劳试验机的工作频率为0~50HZ，称为低频试验机；电磁疲劳试验机30~300HZ，称为高频疲劳试验机。所以大家不要把这两个概念搞混淆了。
另外，借你这里推介一下我的实验室：广东检验检疫技术中心化矿金实验室，有最先进的瑞士rumul高频疲劳试验机，可以进行拉拉疲劳，拉压疲劳，三点弯曲疲劳，扭转疲劳，裂纹扩展（COT规）等疲劳试验。特别是采用先进的分析，在材料的S-N曲线测试方面提高了精度，减少了试验次数。