隨著當(dāng)前社會(huì)的飛速發(fā)展,中國橋中國車中國路等“中國驕傲”不斷“出品”,工程對(duì)零配構(gòu)件的功能要求越來越高,特別是對(duì)金屬構(gòu)件的可靠性和耐久性要求,已經(jīng)成為重要工程的發(fā)展的緊迫需求,是航空航天、車輛船舶、高速列車、微機(jī)電系統(tǒng)以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)問題。為了節(jié)能環(huán)保,保護(hù)更多的綠水青山,這些工程中的金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件通常要求服役時(shí)間達(dá)到一定長度。另一方面,目前工程中使用到的各類構(gòu)件都逐漸向微型化、輕量化趨勢發(fā)展,這些輕量化構(gòu)件中的一些小型機(jī)械構(gòu)件,工作環(huán)境常常是高頻交變載荷,因此這些小型構(gòu)件的安全性、可靠性以及穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)工程來說是非常重要的。在橋梁結(jié)構(gòu)和高層結(jié)構(gòu)中,構(gòu)件之間的連接經(jīng)常使用焊接連接或螺栓緊固,但由于焊接材料或螺栓材料與母材本身的力學(xué)性質(zhì)一般不同,連接點(diǎn)連接復(fù)雜,因此連接點(diǎn)往往是整個(gè)結(jié)構(gòu)受荷下的能量集聚點(diǎn),也是最易發(fā)生疲勞破壞,造成經(jīng)濟(jì)損失。因此研究焊接連接接頭和螺栓連接接頭的疲勞行為,特別是受荷次數(shù)超過10~7次的超長壽命疲勞性能,對(duì)于保證結(jié)構(gòu)的可靠性、安全性和耐久性具有重要的工程意義。本文首先對(duì)Q345低合金材料的母材進(jìn)行分析研究,利用有限元分析軟件建模,調(diào)整各部分尺寸以達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需。應(yīng)用日本島津公司USF-2000超聲疲勞試驗(yàn)機(jī),設(shè)置拉壓應(yīng)力比為-1,振動(dòng)頻率為20kHz,在常溫環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn),研究母材自身的超高周疲勞性能。結(jié)果表明,材料自身的超高周疲勞循環(huán)周次隨著應(yīng)力值的提高而降低,得到的S-N應(yīng)力壽命曲線呈對(duì)數(shù)散布,沒有疲勞極限。觀察構(gòu)件斷裂位置,大多數(shù)斷裂在中間截面,少量斷裂在圓弧過渡截面處。采使用電子掃描顯微鏡進(jìn)行斷口觀察:裂紋均從表面萌生,尤其是表面有劃痕、粗糙處或滲入夾雜物的地方。模擬工程上的兩個(gè)鋼構(gòu)件搭接的焊接接頭,運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì),超聲疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。分析研究了各項(xiàng)尺寸對(duì)構(gòu)件固有頻率和應(yīng)力位移比Cs的影響。結(jié)果表明,各部分尺寸對(duì)其固有頻率的影響均呈線性關(guān)系,其中圓弧段長度L3和板的厚度t的尺寸變動(dòng)對(duì)頻率的影響最大,在加工試件需要控制精度。各尺寸對(duì)應(yīng)力位移系數(shù)Cs的影響大體上影響不大。進(jìn)行超聲疲勞振動(dòng)試驗(yàn),結(jié)果表明,搭接焊接接頭的疲勞性能較母材低,約為母材強(qiáng)度的57%。觀察試件斷口,大多數(shù)都斷裂于焊趾處,有部分?jǐn)嗔言谑軓澢绊戄^大的母材處,因此尺寸設(shè)計(jì)加工時(shí)需考慮彎曲的影響。觀察斷面可知,焊接接頭裂紋不止萌生于一處,且夾雜和氣孔較多。探索螺栓緊固構(gòu)件的超聲疲勞性能,使用有限元進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì),采用接觸單元模擬螺帽與連接件之間的緊固,施加預(yù)緊力模擬螺紋桿與螺帽之間的相互作用,最后得到試件第13階軸向拉壓振型的固有頻率為20.15kHz,確定了試件尺寸。繼續(xù)進(jìn)行超聲疲勞試驗(yàn),得出結(jié)論首先需理想化模型,螺栓必須將連接件緊固得非常緊密,可采用專業(yè)儀器進(jìn)行螺栓固定,保證整個(gè)試件內(nèi)部無儀器可識(shí)別空隙,或者可以將試件做成一個(gè)整體,中間攻絲然后安裝上螺栓;其次由于高速振動(dòng)時(shí)螺紋桿與連接件之間易積累能量而導(dǎo)致溫度急速提升,因此采用間隔加載,保證試件有足夠散熱時(shí)間。最后試件成功振動(dòng)。
【學(xué)位單位】：西華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TU391
【部分圖文】：

常溫工作下的試件，如圖 1.1 所示，高溫會(huì)極大降低材料的疲勞性能，且使材料疲勞性能的降低程度隨著循環(huán)周次的增加不斷增大。圖1.1 疲勞強(qiáng)度隨疲勞壽命的變化[19]Fig. 1.1 Variation of fatigue strength with fatigue life[19]

[46]。圖1.2 疲勞過程中的不同階段及相應(yīng)的控制參數(shù)[46]Fig. 1.2 Different stages of fatigue process and corresponding control parameters[46]

[12]。圖1.3 裂紋萌生擴(kuò)展到斷裂發(fā)展過程[7]Fig. 1.3 The process of crack initiation、development and fracture[7]圖 1.3 所示的超高周（VHCF）疲勞壽命，裂紋萌生與擴(kuò)展占疲勞壽命的大部分。可以看出，研究裂紋萌生、擴(kuò)展機(jī)制和萌生、擴(kuò)展壽命對(duì)于超高周疲勞的研究是非常重要的。程禮[7]等人形象的形容了超高周疲勞試驗(yàn)過程就像大樹的年輪增長一樣，整個(gè)過程都會(huì)在斷口上完整的記錄下來，所以研究斷口形貌特征已經(jīng)成為疲勞研究的重要組成部分，可以從中揭示疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展機(jī)理。材料產(chǎn)生的疲勞裂紋可能從表面萌生，也可能從內(nèi)部萌生，大量學(xué)者研究表明，低周疲勞時(shí)裂紋較多從表面起裂，高周時(shí)通常只有一個(gè)主裂紋從表面起裂，超高周疲勞則存在內(nèi)部和表面多種萌生機(jī)制競爭的現(xiàn)象[47]。侯方[19]等人也得出相關(guān)裂紋萌生機(jī)制競爭現(xiàn)象結(jié)論：CrMoW 轉(zhuǎn)子鋼在高溫環(huán)境下低周試件裂紋主要出現(xiàn)在表面
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2866400