疲勞強度研究新篇章：力學所推動疲勞強度測試與評價方法創(chuàng)新

2024-08-06 08:42:46來源：中國科學院力學研究所閱讀量：43 評論

導讀：疲勞是機械零部件的一種主要失效模式，發(fā)展高效、可靠的疲勞強度測試與評價方法至關(guān)重要。力學所非線性力學國家重點實驗室微結(jié)構(gòu)計算力學課題組孫成奇研究員等基于概率統(tǒng)計理論，創(chuàng)新性地提出了一種新型的疲勞強度測試與評價方法。

　　疲勞是機械零部件的一種主要失效模式，發(fā)展高效、可靠的疲勞強度測試與評價方法至關(guān)重要。力學所非線性力學國家重點實驗室微結(jié)構(gòu)計算力學課題組孫成奇研究員等基于概率統(tǒng)計理論，創(chuàng)新性地提出了一種新型的疲勞強度測試與評價方法。該成果以“A continuous testing method for fatigue strength evaluation in high cycle and very high cycle regimes”為題發(fā)表在疲勞領域權(quán)威期刊Int. J. Fatigue。

　　現(xiàn)有通用的疲勞強度測試方法——GB/T 24176-2009的升降法(up-and-down method, UDM)中，后一個試樣的測試應力需要依據(jù)前一個試樣的測試結(jié)果來確定，這一過程往往導致測試周期的顯著延長，耗費大量時間。在超高周疲勞(≥107周次的疲勞)強度評價中，這一不足尤為突出。比如100 Hz下測試109周次需要116天，如果有效測試樣品16件，其中不少于6件測試109周次，則至少需要1.9年。同時，現(xiàn)有疲勞強度測試方法在一些情況下無法根據(jù)測試結(jié)果評價疲勞強度，大大增加測試成本。

　　多種材料的實驗結(jié)果表明，新的疲勞強度測試與評價方法(continuous testing method, CTM)(圖1)評估的高周和超高周疲勞強度下極限優(yōu)于UDM。如圖2給出的兩種方法測試與評價中，UDM無法對40Cr鋼的測試結(jié)果進行評價，而對2024-T351和6005A-T6鋁合金的評價結(jié)果明顯偏于危險，評估的95%置信度、99%存活率下疲勞強度下極限高于測試的樣品中發(fā)生失效的最小應力水平。數(shù)值實驗結(jié)果也表明，CTM評價的疲勞強度更為合理、可靠。CTM還可以同時測試多個樣品，大大縮短測試時間，比如16個有效樣品的測試周期與UDM相比可以縮短2/3以上。

　　CTM為材料和零部件的疲勞強度測試與評價提供了新思路，并獲CSTM 標準立項(編號：CSTMLX 0100 01278—2023)，將在材料和零部件的疲勞強度評價中發(fā)揮重要作用。

圖1 CTM方法示意圖

　　圖2 CTM方法和UDM方法評估的疲勞強度對比，虛線表示測試的樣品中發(fā)生失效的最小應力水平

　　力學所博士研究生仵涵為第一作者，孫成奇研究員為通訊作者。相關(guān)研究得到中國科學院基礎與交叉前沿科研先導專項“深海結(jié)構(gòu)長期服役安全與可靠性”(編號XDB0620303)與國家自然科學基金基礎科學中心“非線性力學的多尺度力學研究”項目(11988102)的支持。

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