双轴等拉低周疲劳实验装置

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1986.03.013 1986年9月 北京钢铁学院学报 NO,3 第3期 Journal of Beijing University Sept,1986 of Iron and Steel Technology 双轴等拉低周疲劳实验装置 黄思敬 朱淑彦 纪炳炎 (材力教研密) 摘 要 本文给出能在一般单向加载液压镀萝试验机上做双触等拉低周疲劳实验研究的 双向拉伸装置，并对有关影响因素进行了讨论。 本试验是在百吨液压低周疲劳试验机上进行的。双向拉伸装置已经受近百万次 瘦劳载荷，其中交变载荷幅国5·5，t亦经受近20万次，在使用过程，各构件完好合手 使用要求，将十字试样进行低周疲劳断裂试验，成功地开出合格裂纹，用它进行超速 条件下叶轮材料性能研究亦取得初步结采.可以认为它适用于平面应力巢中问题低 周疲劳性能的研究，若使用液压高.中周残劳试验机，它还可用于双轴载荷下裂纹 试样裂纹扩展的研究。： 本文指山了双向拉伸装置有得改进的方面。 关键词： 双向拉仲装置双轴等拉、低周疲劳、交变载荷， Low Cycle Fatigue Tests Under Biaxial Loading Huang Sijing Zhu Shuyan Je Bingyan 'Abstract The biaxial tension device is presented which can research the eq- uibiaxial tension low cycle fatigue tests with uniaxial hydraulic fatig- ue testing machine and reference influencing factors are dicussed The tests make use of the low cycle fatigue test machine of loot. The device has been sustained fatigue loading about one million times concluding subjected alternative load amplitude of 5,5t about two hun- dred thousands times.These components which are assemblies of the 198510-29收到 100

介 第 期 北 京 钢 铁 学 院 学 报 。 。 双轴等拉低周疲劳实验装置 黄思敬 朱淑彦 纪 炳炎 材力教研室 摘 要 木文给出能在一般单向加载浓压疲劳试验机上做双轴等拉低周疲劳实验研究的 双向拉伸装置 ，并对有关影响 因素进行亨讨论 。 本试验是在百吨液压低周疲劳试验机上进行的 双向拉伸装置已经受近百万次 疲劳载荷 ，其中交变载荷幅围 ， 亦经受近 万次 在使用过程 ，各构件完好合手 使用要求 ，将十字试样进行低周疲劳断裂试验 ，成功地开出合格裂纹 ，用它进行超速 条件下叶轮材料性能研究亦取得初步结来 。 可以认为它适用于平而应力集中问题低 周疲劳性能的研究 若使用嵌压高 中周疲劳试验机 ， 它还可用于双轴载荷下裂 纹 试样裂纹扩展的研究 ’ 卜 本文指 出了双 向拉伸装置有待改进的方面 。 关徽词 双 向拉仲装置 双轴等拉 低周疲劳 交变载荷 。 又 一 笠 。 · 一 收到 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1986．03．013

device are good in use and suitable for requirement.The cruciform sp- ecimens for biaxial fatigue tests has been cracked successfully in in- ternal hole.The primary results are obtained on the device to study impeller material properties under the condition of super velocity. The device is suitable to studying the low.fatigue properties under co- ncentration of plane stress.It is used to study.the fatigue crack gr- owth under biaxial load when it make use of high and intermediate cyele fatigue hydraulic fatigue testing machine. This paper pointed out that the device will require further improve- ment. ,。 Key words,biaxialtension device,equibiaxial tension,low cyele fatigue,alternating load 前 言 t: 我国研制2.3万kw燃机生产工艺需要进行超速处理。这项新工艺是美国通用公司 保密的技术，不向任何国家出售，为此，需要实验以探求有关工艺技术措施。本课题就是 此项任务的研究内容之一。· 叶轮在工作时其应力状态是轴对称情形，实验需按双轴等拉应力状态考虑。它需要 一种双向拉伸加载设备，目前国内尚没有。为此，设计了这种装置，即用一般单向加载 的疲劳试验机就能进行摸拟轴对称应力状态试验。 1双轴拉伸装置的研制和调试 1,下装置原理、装配圆和轮廓图 双向拉伸装置原理见图1所示。E、F、G、H四点连成一正方形。连接点均为铵 链。在E、F处通过拉捍和单向疲劳试验机夹具连接。据静力学原理可知，若E、F分别 受力P作用时，则A、B、C、:D处均受√2P的力。这样就能使试样中心区城附近应力 状态为各向等拉均匀分布的应力状态。要达到上述要求，设计该装置时要考虑受力后 装置中构件和试样会发生变形而影响改变原几何尺寸大小比例。因此，·首先使装置系统 变形所产生影响较小，以达到误差范围内。各构件连接处要紧密，间隙要小，使装置能 在疲芳载荷下正常工作。设计时考虑装置能承受0~5吨疲劳载荷。.图5为装置轮廓图。 1.2装置调试情况 (1)检查载荷5吨时，该装置系统变形的影响。测定了图1中E、,F两点距离表 明，在5吨时发生的变化，原距离为240毫米，改变值为1.5mm。可见系统变形所引起的 尺寸比例大小的改变是不大的。… ·(2)用电测方法检验试样中心区域内各个方向应变值或应力值的均匀性。在无孔 试样（见附图2）（即原设的34CMo/A材料试样）中心范围中32直径圆周上选择间距 101

· 。 一 声 一 。 灭 几“ 梦 “ · 妞 艺 一 、 凭 且 ，’呼 ‘ ‘ ’ 戈 易 舀， 少妙 。 且卿 渔 每 ， 。 “ 夕 。 。 班 。 ， ￡ ， 弓 之 ‘ 一 护 而 。 ， 。 ， 。 ， ‘ 一 ， 孙 ， ， 。 。 ， ， 。 。 。 一 月 吕 我国研制 万 燃机生 产工 艺需要进行超速处理 。 这 项新工 艺是美 国通 用 公 司 保密的技术 ， 不 向任何国家 出售 ， 为此 ，需要 实验以 探求有关工 艺技术措施 。 本课题就是 此 项任务的研究 内容之一 。 叶轮在工作时其应力软态是 轴对称情形 ， 实 验需 按双轴 等拉应力状 态考虑 。 它需要 一种双 向拉 伸加载设备 ， 目前国内 尚佼有 。 的疲劳试验机就能进行摸拟轴对称 为此 ， 设计 了这 种 装置 ， 即用一般 单 向加载 应 力状 态试验 。 双 钟拉伸装置的研制和调试 个 、 装 原理 、 装配田和轮脚图 双 向技伸裂置原理 见图 所示 。 、 ， 、 四 点连 成一正方形 。 连接 点 均 为 铰 链 。 在 、 处 通过拉捍和单 向疲 劳试 验 机夹 具连 接 。 据静力学原理可 知 ， 若 、 分别 受 力 作用时 ， 则 、 、 、 · 处 均受了 百 的力 。 这 样就能使试 样 中心犀域 附近 应 力 状 态为各向等拉均匀分 布的 应力 状态 。 要达 到上述要求 ， 设计该装置时要考虑 受 力 后 装置中构件和试样会发生变形而影响改变 原几何尺 寸大小 比例 。 因此犷 首先 使装置系统 变形所产生影响较小 ， 以渗到误差范围内 ， 各构件连接处要紧密 ， 间隙要 小 ， 使装置能 在疲 劳载荷下正常工作 。 设计时考虑装置熊承受 一 吨疲 劳载荷 。 图 为装置轮 廓图 。 续里调试愉况 检查载荷 吨时 ， 该 装置系统 变形的影响 。 测 定 了图 中 、 两 点距 离 表 明 ， 在 吨时发生 的变化 ， 原距离为 毫米 ， 改变值 为 · 。 可 见系统变形所 引 起 的 尺寸比例大小的改变是 不大钓 “ 用 电测方法检验试 样啊百区域内各不方向应变值或应 力值的均匀怪 。 在无 孔 试样 见附图 即原 设计 的 材料试样 中心范围中 直径 圆周 上选择伺 距

相等的8个点处（见图8）。用电测法测量其切向应变值。结果见表1。 1中2t0 0,02 P 700,1 700.1 图1双拉伸装置原理料 图2无孔试样图 Fig.T Principle of the device Fig.2 Specimen of ao hole Level Level · 田3无孔试样测点位登 图4有内孔测点位置 Fig.3 Messured point position.of no Fig.4 Meaiured point position of circalar hole specimen hole of specimen,· 表1无内乳试样各点应变值 Table 1 strain of measured point of no hole specimen ”4 Ordinal number of nodal point 2 3 4 56 7. Strain 65 70 50 的 的 50 85 90 注：各点应变值是△P=4000N,每增加4000N时各点平均应变值。应变值单位为微 应变106。 102

相等 的 个 点处 见图 。 用 电测 法测 量共切 向应变值 。 结果 见表 。 夕卜 。 一 图 双向拉伸装置原理图 ， 图 无孔试样图 。 。 。 二 ” ‘ 。 工 犷 户 公 ’ 困 无孔试样测点位 置 图 有 内孔测点位置 甘 二 ， 。 。 蕊 。 盆 。 。 ‘ 。 ， 。 ‘ ‘ 二 ‘ 盯。 表 无 内 孔 试 样 各 点 应 变 值 七 “ 注 各 点应变值是 △ 二 。 。 ， 每增加 时各 点平均应变值 。 应变值单位为微 应变 。 一 “

(3)检验试梯有内孔中10后，在负荷时内孔孔边和试样缺口处应变分布情况。 选择测定為位置见图4，结果见養2。测值为多次测量平均值。 表2各点应变值 Table 2 strain of measured points Ordinal number Of nodal -point 1 2 4 5678 i'stcain 9 56 234196 108560 21778 为了了解全区域应力分布情况还采用反射式光弹测定方法。图6是其等差线图。采 用了改进的试样。 从电测和光测结果可见内孔处值基本均匀，但上下与左右值差别较大。另外缺口处 (图示6点)应变值大，裂纹不可能首先在内孔出现。要改进原有试样（图2）设计， 即要据内孔处首先起裂纹的条件选择设计试样。 (4)平面问题弹性有限元法计算分析 新设计试样是封闭式十字试样，中心部位改变了厚度，它是多孔的有限边界试样。 进行了七种不同方案的设计分析。考虑原程序容量的限制，试样力学简图采用位移和应 力边界条仲完全对称的试样四分之一区域。计算结果是近似的弹性结果（见图8）。表 3中反映了变更试样各区域的厚度，改变了缺口处宽度b对试样应力值改变的全面情 况。这样的分析为试样形式选择提供了有力依据。将有限元分析结果和电测、光测的结 果相比较，两者是有差异的。有限元分析方案5中改变Px、Px的比值的结果表明，比 值的改变对内孔边附近应力分布均匀性影响不大。电测结果显著差别是和位移边界条 件，试样各区域刚度有关。如果试样各区域几何尺寸选择合适是能使这种差异（指垂直 和水平位置值的差异)在较小误差范围内的。考虑经费和时间等条件的限制有关弹塑性 的分析未进行。 图5双向拉伸装置图 图6试样光测等差线图 Fig.5 Biaxial tonsion deviee Fig.6 laochromatic lines of specimen 103

选择测 样有内孔小 后 ， 曾 在负荷时 内孔孔边和试 样缺 口 处 应变分 布情 况 。 见图 ， 结果见表忽 了 表 伦 各 。 测 值为 多次测量平均值 。 点 应 变 · 双 启曰 试位公 笋点叮 ·，﹄ 检奋乍 ·仁 、 、 扣 二 ‘ 卜 妙 、 ‘ 洲 犷 ‘ 场的 ， 怕 为 了了解全区域 应 力分布情况 还采用反 射式 光弹测 定方法 。 图 是其 等差线 图 。 采 用 了改进 的试 样 。 从 电测和光测 结果可 见内孔处值基本均匀 ， 但上 下与 左 右值差别 较大 。 另外缺 口处 图示 点 应变值大 ， 裂纹不可 能首先在 内孔 出现 。 要 改进原有试 样 图 设计 ， 即要 据 内孔处首先起裂纹 的 条件选择设计试样 。 平面问题弹性 有限元 法计算分 析 新设计试 样是 封 闭式十字试 样 ， 中心部位 改变 了厚度 ， 它 是 多 孔的有 限边界试 样 。 进行 了七 种不同方案 的设计分 析 。 考虑原程序容 量 的限制 ， 试 样 力学 简图采用 位 移和应 力边界 条件完全对称 的试样四分之一 区域 。 计算 结果 是近 似 的弹性结果 见 图 。 表 中反映 了变更试样各 区域的厚度 ， 改变 了缺 口处宽度 对试 样 应 力值改 变 的 全 面 情 况 。 这 样的分析为试样形式选择提供 了有力依据 。 将有限元分 析结果和 电测 、 光测的结 果 相比较 两 者是 有差异 的 。 有 限元分析方案 中改变 、 丫 的比值的结果表 明 ， 比 值的 改变对 内孔边附近 应力分 布均匀性影响不大 。 电测结果显著差别是 和位 移 边 界 条 件 ， 试样各区域刚度有关 。 如果试样各区域几 何尺寸选择合 适是能使这种差异 指垂 直 和水平位置值的差异 在较小误 差范围 内的 。 考 虑经费和时间等 条件的限制 有关弹塑性 的分析未进行 。 图 双 向拉伸装置图 。 三 滋“ 。 二‘ 矛 ’ 如 图 。 试样光测等差线图 七 。 二七 。 。 压 盈

262 255 37030 256 235 447 421 490 6 图7内孔裂纹图 图8试样1/4区域 Fig.7 Typical cracked near the hole middlo specimen Fig8 A quarter region of pecimon 在以上研究基础上，参考文献〔1〕、〔2〕、〔3〕等，终于在新设计试样上 (见图5轮廓图)，在内孔孔边处开出合格的裂纹（见图7）。 表3有限元分析计算结果 Table 3 Results of finite element analysis 1 5 6 Ordinal number 【1=1mm t1 1 mm l11回 t1=1m t,b see 1. 1=1mm t,b see3.Thick of nodal point t江4m四 23 mm 2=3mm element of 99, t8=12四m ta=12mm t12mm =12四 =34090N ta=14mm 106,107,108 b=20.5mm b一10mm b-75mm b=20,5mm Py=36500N b=7.5mmequal 20mm Edge of 1 361,6~ 441,1 240.1 207,3 323.8 hole 17 222~245.5MN/m 372.2 459.6 243.6 237.3 311.9 320~331.2 235 161.8 288,7 399.0 188,6 165,6 253.0 258.2 256 245.7 465.7 526.7 252.0 249.0 348,0 270.7 251 174,6 315,1 442.1 207.4 169.7 284.1 281.7 Edge of 21 239,0 469,6 532.3 267,8 216.9 351,5 272,8 notch 447 138,9 338,9 428.1 142,1 135,4 253.4 179.0 490 765 56.6 77.7 76.5 70.1 41,2 7,6 255 136.5 336,3 423.9 139,5 139.9 251,2 112,4 252 76.7 57.1 78,3 76.9 83,0 41.8 1.9 370 365.3 359,6 360.1 361.7 367,5 250,3 347,8 Edge of 380 443.2 427.5 424.3 441.9 454.0 302,6 423.8 the 392 445.3 349,2 423.8 446.4 464,2 307,1 432.1 】oading 436 365.5 349,2 348.0 361.7 362.2 243,3 338,8 holes 435 440.8 402.8 398,1 439.4 427.5 285.0 399.6 434 443.2 419.7 414.3 444.2 423.8 301,2 424.2 Ordinal number of nodal point see Fig.8,p:load P=50000N,t:thick,b:the width of edge. 104

尹‘ 刀 ’ 那 一肠‘ 司闷 ， 葬硬命 栩晓 卜沁 、 、 艺二 、 川 ‘ 口 丫 、﹄了 图 内孔裂纹图 试样 了区 域 ， ， 。 ， “ ” 图 名 。 在以 上研究幕础上 ， 参考 文献 〔 〕 、 〔 〕 、 〔 〕 等 ， 终于在新设 计 试 样 上 见 图 轮 廓 图 ， 在 内孔孔边处 开 出合格的裂纹 见图 。 表 有 限 元 分 析 计 算 结 果 一 一 口 一 皿 ， 。 七，七 一 盆 皿 卜 一 口 一 卜 二 瓜 ， 一 位 一 口 ， ， ， 七 。 一 一 。 皿 卜 ’ 石 ，，，一，‘ · ‘ 。 闪 。 。 。 。 一 。 。 。 。 ’ “ 台 。 。 。 。 。 口 ‘ ” 。 。 。 。 。 一 ’ “ ’ 。 。 。 。 。 舰 ’ ， ’ 。 。 一 。 。 。 。 。 。 一 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 乙 。 。 。 。 一 。 了 ‘ 吧 云 。 。 。 。 。 。 。 合 ‘ 。 吧 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 已 。 吕 。 。 。 。 ， 。 。 。 。 。 。 。 。 一 ， ， ， ‘

试验在百吨液压低周疲劳试验机上进行。 2初步结果和讨论 双向拉伸装置除承受静荷试验外，还经受近百万次疲劳载荷，其中在交变载荷幅度 5,5t下也经受近20万次。在使用过程各部分构件完好，合乎使用要求。从开出纹裂的 结果可见，它是能适用于平面应力集中问题低周疲劳性能的研究。使用它进行超载条件 下低周疲劳试验研究也得到初步结果。它也完全适用于双轴载荷下试样裂纹扩展的研 究。 下面几点有待改进：首先，目前试样几何尺寸较大且复杂，加工不方便，费材料，可 改用组合式试样，第二，要考虑平面应变条件下低周疲劳性能研究还要克服许多困难。第 三，试样中心区域在大载荷条件下各向应力的均匀性是有待改进的。采刑组合式试样能 解决此问题。 参考文献 1 Charvat,M.H,:Journal of testing and evaluation,8(1981),9 [2 Wilson,I.H.;White D.J,:Journal of strain analysis 6(1971),27 3 Hopper,C.D.and miller,K,J,:Journal of strain analysis 12 !1977),34 木课慰工作得到南京气纶电机)大力支与沿助，武险中门到我院熊典切.报老哪的帮助，算T诗到号 的一老师的渐助。还得到王振老师指导。诈此表示感。 105

试验是 在 百吨液 压低 周疲劳试验机上进行 。 初步结果和讨论 双 向拉伸装置除承受静荷试验 外 ， 还 经 受近 百 万次疲劳载荷 ， 其 中在交变载荷幅 度 下也经 受近 万次 。 在 使用 过程各部分 构件完 好 ， 合 乎 使用 要 求 。 从开 出 纹 裂 的 结果可 见 ， 它 是能 适用 于平面 应力集 中问题低周 疲劳性能的研究 。 使用 它 进行超载 条件 下低周疲 劳试验研究也得 到初步结果 。 ‘ 已也完全适用 于双轴 载荷下试样裂纹 扩 展 的 研 究 。 下面儿 点有 待改进 首先 ， 目前试 样儿何尺 寸较大 且复杂 ， 加工 不方便 ， 费材料 ， 可 改用组合式试 样 。 第 二 ， 要 考虑 平面 应变条件卞低局疲 劳性能研究还要 克服许 多困难 。 第 三 ， 试样中心 区域在大 载荷条件下 各 向应力 的均匀性是 有待改进 的 。 采 用组合 式试样能 解决此 问题 。 参 考 文 献 〔 〕 ， ， ， 〔 〕 ， ， 〔 〕 ， ， ， ， 木课题工作丹到南京汽轮电机厂 大力支扎 肠助 ，试马协 月导到我院熊翼翔 邓报钧 老师 的 帮助 ， 计算工 作得至 沙 钓一 老师的帮助 。 还得到王振老师 指 导 在 此表示 感谢