疲勞試驗(yàn)機(jī)發(fā)展史
zui早的靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)是機(jī)械式,如英國(guó)早在1880年已生產(chǎn)了杠桿重錘式材料試驗(yàn)機(jī),在1908年又生產(chǎn)了螺母、螺桿加載的試驗(yàn)機(jī)(電子試驗(yàn)機(jī)的雛形),這些試驗(yàn)機(jī)可進(jìn)行材料的拉伸、壓縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)等驗(yàn),約在90年前,瑞士Amsler公司開(kāi)發(fā)了液壓試驗(yàn)機(jī),這種試驗(yàn)機(jī)較機(jī)械式操作簡(jiǎn)便、輸出力大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積緊湊,能完成材料的各種靜態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)。
僅僅了解材料的靜態(tài)力學(xué)性能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,在現(xiàn)實(shí)生活中大部分的破壞是因?yàn)槠谄茐摹8鶕?jù)國(guó)外統(tǒng)計(jì),失效的機(jī)器零件中50%-90%為疲勞破壞。因此許多發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視對(duì)疲勞強(qiáng)度的研究。
疲勞問(wèn)題的產(chǎn)生可追溯到19世紀(jì)初葉,產(chǎn)業(yè)革命以后,隨著蒸汽機(jī)車和機(jī)動(dòng)運(yùn)載工具的發(fā)展以及機(jī)械設(shè)備的廣泛應(yīng)用,運(yùn)動(dòng)部件的破壞經(jīng)常發(fā)生。破壞往往發(fā)生在零部件的截面突變處。破壞處的名義應(yīng)力不高,低于材料的強(qiáng)度極限,有時(shí)還低于屈服極限。
對(duì)疲勞現(xiàn)象首先系統(tǒng)研究的實(shí)驗(yàn)者是德國(guó)人A.Whler(沃勒),他自1847年起,在擔(dān)任機(jī)車車輛廠廠長(zhǎng)和機(jī)械廠廠長(zhǎng)的23年中,對(duì)金屬疲勞進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。1850年,德國(guó)人A.Whler(沃勒)設(shè)計(jì)了*臺(tái)用于機(jī)車車軸的疲勞試驗(yàn)機(jī)(亦稱A.Whler疲勞試驗(yàn)機(jī)),用來(lái)進(jìn)行全尺寸機(jī)車車軸的疲勞試驗(yàn)。以后他又研制出多種型式的疲勞試驗(yàn)機(jī),并用金屬試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。他在1871年發(fā)表的論文中,系統(tǒng)論述了疲勞壽命和循環(huán)應(yīng)力的關(guān)系,提出了S-N曲線和疲勞極限的概念,確立了應(yīng)力幅是疲勞破壞的決定因素,奠定了金屬疲勞的基礎(chǔ)。因此*A.Whler(沃勒)是疲勞的奠基人,有“疲勞試驗(yàn)之父”之稱。
從19世紀(jì)70年代到90年代,Gerber W.(格伯)研究了平均應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響,提出了Gerber拋物線方程,英國(guó)人Goodman J.(古德曼)提出了的簡(jiǎn)化直線—Goodman圖。1884年Bauschinger J.(包*)在驗(yàn)證Whler疲勞試驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)了在循環(huán)載荷下彈性極限降低的“循環(huán)軟化”現(xiàn)象,引入了應(yīng)力—應(yīng)變遲滯回線的概念。但他的工作當(dāng)時(shí)人們并不重視,直到1952年Keuyon(柯楊)在做銅棒試驗(yàn)時(shí)才把它重新提出來(lái),并命名為“包*效應(yīng)”。
20世紀(jì)初葉,開(kāi)始使用金相顯微鏡來(lái)研究疲勞機(jī)制。1903年Ewing J.A.(尤因)和Humfery J.C.W.(漢弗萊)在單晶格鋁和多晶格鐵上發(fā)現(xiàn)了循環(huán)應(yīng)力產(chǎn)生的滑移痕跡,指出了疲勞變形是由于與單調(diào)變形相類似的滑移所產(chǎn)生。1910年Bairstow(拜爾斯托)研究了循環(huán)載荷下應(yīng)力—應(yīng)變曲線的變化,測(cè)定了遲滯回線,建立了循環(huán)硬化與循環(huán)軟化的概念;并且還進(jìn)行了程序疲勞試驗(yàn)。在此時(shí)期,英國(guó)人Gough H.J.(高爾)在疲勞機(jī)制的研究上做出了很大貢獻(xiàn);他還進(jìn)行了彎—扭復(fù)合疲勞試驗(yàn),研究了彎—扭復(fù)合應(yīng)力下的疲勞強(qiáng)度;并在倫敦出版了一本巨著《金屬疲勞》。
1929年美國(guó)人Peterson R.E.(彼特遜)對(duì)尺寸效應(yīng)進(jìn)行了一系列試驗(yàn),提出了應(yīng)力集中系數(shù)的理論值。1929年—1930年英國(guó)人Haigh B.P.(海夫)對(duì)高強(qiáng)鋼和軟鋼的不同缺口效應(yīng)做了合理解釋。
1945年美國(guó)人Miner M.A.(邁因納)在對(duì)疲勞損傷積累問(wèn)題進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,將Palmgren J.V.(帕姆格倫)1924年提出的線性累積損傷理論公式化,形成了的Palmgren—Miner線性累積損傷法則(簡(jiǎn)稱Miner法則)。在20世紀(jì)40年代前蘇聯(lián)的CepeHceH C.A.(謝聯(lián)先)還提出了常規(guī)疲勞的設(shè)計(jì)計(jì)算公式,奠定了常規(guī)疲勞設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。
1952年美國(guó)國(guó)家航空管理局劉易斯研究所的Manson S.S.(曼森)和Coffin L.F.(科芬),在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,提出了表達(dá)塑性應(yīng)變與疲勞壽命關(guān)系的Manson—Coffin方程,奠定了低周疲勞的基礎(chǔ)。20世紀(jì)50年代使用電子顯微鏡,給疲勞機(jī)制的研究開(kāi)拓了新紀(jì)元。
用概率統(tǒng)計(jì)方法處理疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)是從20世紀(jì)40年代開(kāi)始的。1949年Weibull W.(威布爾)發(fā)表了對(duì)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理的方法。1959年P(guān)ope J.A.(波普)指出疲勞壽命服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。20世紀(jì)60年代開(kāi)始將統(tǒng)計(jì)學(xué)應(yīng)用于疲勞試驗(yàn)和疲勞設(shè)計(jì),1963年美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)(ASTM)上午E9委員會(huì)總結(jié)了這方面的研究成果,發(fā)表了《疲勞試驗(yàn)與疲勞數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析指南》(ASTM STP91A)一書(shū)。
在上個(gè)世紀(jì)50年代初,出現(xiàn)了高速響應(yīng)的永磁式力矩馬達(dá),50年代后期又出現(xiàn)了已噴嘴擋板閥為先導(dǎo)級(jí)的電液伺服閥,使電液伺服系統(tǒng)成為當(dāng)時(shí)響應(yīng)zui快,控制精度zui高的伺服系統(tǒng)。1958年美國(guó)勃萊克布恩等公布了他們?cè)诼槭±砉W(xué)院的研究工作,為現(xiàn)代電液伺服系統(tǒng)的理論和實(shí)踐奠定了基礎(chǔ)。60年代各種結(jié)構(gòu)的電液伺服閥的相繼問(wèn)世,特別是以穆格為代表的采用干式力矩馬達(dá)的級(jí)間力反饋的電液伺服閥的出現(xiàn)和各類電反饋技術(shù)的應(yīng)用,進(jìn)一步提高了電液伺服閥的性能,電液伺服技術(shù)日臻成熟,電液伺服系統(tǒng)已成為武器和航空、航天自動(dòng)控制以及一部分民用技術(shù)設(shè)備自動(dòng)控制的重要組成部分。
電液伺服動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī),在此背景下隨著電液伺服技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)。由于它既能進(jìn)行動(dòng)態(tài)的高低周疲勞試驗(yàn)、程序控制疲勞試驗(yàn),也能進(jìn)行靜態(tài)的恒速率、恒應(yīng)變、恒應(yīng)力控制下的試驗(yàn)和各種常規(guī)的力學(xué)性能試驗(yàn),還可進(jìn)行斷裂力學(xué)試驗(yàn),根據(jù)需要也可以進(jìn)行部分的振動(dòng)和沖擊試驗(yàn),也可以對(duì)廣義范圍上材料或構(gòu)件的疲勞壽命、裂紋擴(kuò)展、斷裂韌性性能測(cè)試、實(shí)際試件的安全性評(píng)價(jià)、工況模擬等,因此有著其它任何種類的試驗(yàn)機(jī)所不能比擬的優(yōu)勢(shì),是疲勞界zui推崇的材料試驗(yàn)設(shè)備。
20世紀(jì)60年代,隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn),研制出了能夠模擬零部件服役載荷工況的隨機(jī)疲勞試驗(yàn)機(jī)。20世紀(jì)70年代,國(guó)外已廣泛使用電子計(jì)算機(jī)控制的電液伺服疲勞試驗(yàn)裝置來(lái)進(jìn)行隨機(jī)疲勞試驗(yàn)。20世紀(jì)90年代,已經(jīng)出現(xiàn)了上下位機(jī)結(jié)構(gòu)的全數(shù)字的伺服控制器,閉環(huán)控制計(jì)算速率達(dá)到了6kHz,數(shù)據(jù)傳輸采用100Mb以太網(wǎng)卡(Ethernet),可以完成控制模式的平滑無(wú)擾切換、多通道的協(xié)調(diào)加載以及各種工況譜的實(shí)驗(yàn)室再現(xiàn)。
低周疲勞Manson—Coffin方程、電子顯微鏡以及電液伺服動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)的出現(xiàn)被疲勞研究界認(rèn)為是疲勞研究的三大貢獻(xiàn),電液伺服動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)由于采用了閉環(huán)控制技術(shù),從而在試驗(yàn)中可以模擬實(shí)際使用工況,大大促進(jìn)了疲勞試驗(yàn)的發(fā)展。
文章來(lái)源:OFweek儀器儀表網(wǎng)
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