近些年，壓電超聲設(shè)備已經(jīng)越來(lái)越多的應(yīng)用在高性能金屬的疲勞特性研究上，比如鈦合金或金屬基復(fù)合材料的超高循環(huán)疲勞狀態(tài)。這個(gè)創(chuàng)新的試驗(yàn)技術(shù)需要合適的工具來(lái)校準(zhǔn)并測(cè)試，比如3D掃描激光測(cè)振儀。
動(dòng)機(jī)
很多現(xiàn)代動(dòng)力系統(tǒng)，比如高應(yīng)力動(dòng)力部件或離岸結(jié)構(gòu)，必須能承受超過(guò)一千萬(wàn)次循環(huán)由于高頻載荷或壽命超過(guò)30年。這個(gè)循環(huán)次數(shù)范圍叫做超高循環(huán)疲勞狀態(tài)。為保障這些高性能部件的可靠運(yùn)行，有關(guān)材料的疲勞行為更細(xì)節(jié)的知識(shí)在超高循環(huán)疲勞狀態(tài)試驗(yàn)中的應(yīng)用越來(lái)越重要了。傳統(tǒng)的測(cè)試設(shè)備只能進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)試，頻率最高到200Hz。
超聲試驗(yàn)設(shè)備
為了實(shí)現(xiàn)短周期內(nèi)的1010 次循環(huán)，德國(guó)凱澤斯勞滕大學(xué)的材料科學(xué)與工程學(xué)院開(kāi)發(fā)了一個(gè)新的拉-壓試驗(yàn)的超聲試驗(yàn)設(shè)備。試驗(yàn)系統(tǒng)的載荷原理是基于壓電轉(zhuǎn)換器的，是設(shè)計(jì)出來(lái)激勵(lì)疲勞試驗(yàn)件的。頻率20kHz 的駐波在材料中引起疲勞，20kHz 特征頻率是試驗(yàn)件的基本屬性。設(shè)計(jì)過(guò)程使用了有限元分析確保試驗(yàn)件設(shè)計(jì)滿(mǎn)足需求。
3D 掃描激光測(cè)振儀是非常有效的設(shè)備，測(cè)試特征頻率和特征模態(tài)，驗(yàn)證有限元模型。由于在高頻振動(dòng)時(shí)的接觸，使用傳統(tǒng)的技術(shù)，比如應(yīng)變片，分析應(yīng)力應(yīng)變是非常難的，。因此3D掃描激光測(cè)振儀非常適用于超聲疲勞試驗(yàn)中的高分辨率非接觸式應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試。
試驗(yàn)搭建
凱澤斯勞滕大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院使用Polytec公司的PSV-400-3D 掃描式激光測(cè)振儀進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。三個(gè)激光頭的布置如圖1所示，確?？梢詼y(cè)到疲勞試驗(yàn)件很窄的區(qū)域。試驗(yàn)選擇了30 nm 的微小位移來(lái)得到特征頻率和特征模態(tài)，且可防止材料未知的疲勞損傷。應(yīng)變測(cè)試關(guān)注的是試驗(yàn)件中部應(yīng)變最大的4mm 長(zhǎng)的標(biāo)距長(zhǎng)度。試驗(yàn)激勵(lì)使用試驗(yàn)件的特征頻率，位移幅值高達(dá)42μm。
圖1 超聲疲勞試驗(yàn)搭建
部分測(cè)試結(jié)果
有限元模型與試驗(yàn)件的初始狀態(tài)的關(guān)聯(lián)(首要的是疲勞)，頻率響應(yīng)(圖2a)說(shuō)明特征頻率為20.06 kHz，該頻率下的特征模態(tài) (圖3上部) 顯示了縱向振動(dòng)。兩個(gè)結(jié)果都很好地與有限元計(jì)算結(jié)果相吻合。此外，高頻振動(dòng)的細(xì)節(jié)也證實(shí)了試驗(yàn)件在本次試驗(yàn)中振動(dòng)的正確性。類(lèi)似的試驗(yàn)在另一個(gè)試驗(yàn)件上進(jìn)行，應(yīng)力幅值只有屈服強(qiáng)度的50%，盡管如此，由于內(nèi)部疲勞損傷，疲勞失效發(fā)生在1.2 * 109 次循環(huán)之后。與初始狀態(tài)相比，因?yàn)楸砻嫦碌钠趽p傷，特征頻率下降了。20kHz之內(nèi)的特征模態(tài)也清晰地表現(xiàn)出了區(qū)別 (圖3下半部分)?？梢钥吹牡剿俣确植佳刂囼?yàn)件不對(duì)稱(chēng)，疲勞區(qū)域相當(dāng)不均勻。
圖2 頻率響應(yīng) a)初始狀態(tài) b)疲勞損傷后
圖3 振型 上半部分：初始狀態(tài)；下半部分：疲勞損傷后
圖4 顯示了試驗(yàn)件中部高頻振動(dòng)最大時(shí)的應(yīng)變分布。3D掃描系統(tǒng)測(cè)試的標(biāo)距內(nèi)的應(yīng)變幅值與Polytec公司的CLV-2534-2單點(diǎn)激光測(cè)振儀測(cè)試的自由端位移幅值之間的關(guān)聯(lián)表明應(yīng)力幅值隨著位移幅值增加而增加。試驗(yàn)結(jié)果與有限元模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比高度一致，如圖5。
圖4 應(yīng)變分布
圖5 有限元模型與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比
結(jié)論
本文中的工作說(shuō)明了3D掃描激光測(cè)振儀在金屬超聲疲勞試驗(yàn)領(lǐng)域的應(yīng)用的可行性。不同疲勞狀態(tài)的試驗(yàn)件特征模態(tài)的測(cè)試結(jié)果說(shuō)明了當(dāng)前疲勞狀態(tài)特征化與疲勞失效定位的可能性，3D掃描激光測(cè)振儀在超聲疲勞試驗(yàn)中為非接觸疲勞測(cè)試，高空間分辨率提供可能，并成為沿標(biāo)距長(zhǎng)度的高機(jī)械壓力的應(yīng)變測(cè)試的可選手段。
