結構振動疲勞試驗監測方法研究

顧曉華，陳懷海

(南京航空航天大學 航空宇航學院，江蘇 南京 210016)

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結構振動疲勞試驗監測方法研究

顧曉華，陳懷海

(南京航空航天大學 航空宇航學院，江蘇 南京 210016)

摘要：在振動環境中如何有效判斷正在工作的結構件是否已經發生疲勞破壞具有重要的工程意義。選擇三種常用的振動疲勞壽命判斷方法：直接觀測法，動態應變法和固有頻率法，分析其判斷的理論依據和可行性，并開展實驗研究。試驗分別運用三種判斷方法同時監測結構的振動疲勞壽命，比較研究試驗結果以分析獲得振動環境下最適合的結構壽命判斷方法，探討選擇該種方法的依據，為以后工程應用鋪平了道路。

關鍵詞：結構振動； 振動疲勞； 判定方法； 固有頻率； 動態應變

0引言

近年來，在航空航天、風能利用、公路鐵路以及海洋運輸等工程實踐中，由于振動而產生的疲勞問題凸顯，由于實際工程應用的需要，結構的振動疲勞問題越來越受到研究人員的重視[1]。但是，受制于復雜的外界環境和眾多的影響因素，振動疲勞問題尚未得到很好的解決，對振動疲勞的破壞機理、模式的認識還不夠。因此，試驗仍然是對振動疲勞進行研究的主要手段。

隨著振動試驗技術的不斷進步，振動疲勞試驗擁有了良好的試驗基礎，能夠進行各種環境下的振動疲勞模擬試驗。振動疲勞試驗主要以通過對環境激勵的模擬，在實驗室里得到試件的使用壽命，重點在于如何準確判斷何時試件已經發生了破壞。但是，判斷試驗中試件發生振動疲勞破壞的方法和標準尚未達成統一認識。目前，在工程實踐中，大多數研究都以出現可觀測裂紋時的時間作為試件的疲勞壽命，但裂紋的觀測長度具有不確定性。在試驗中停機觀測的裂紋長度隨機性也比較大，這些都會給實驗人員帶來很大困難。而采用應變計監測試件應變變化，進而確定振動疲勞試驗壽命的方法又受到試件的幾何形狀和大小以及應變片壽命的影響，得到的結果尚需排除兩者影響才能令人信服。有多項研究[2,3]提出以結構第一階固有頻率下降一定比值作為判定振動疲勞失效的準則，其中魯起新選擇了2%，肖壽庭選擇了下降5%時所經過的循環數作為結構的疲勞壽命。但是固有頻率下降的幅度與裂紋擴展的程度沒有恒定的對應關系，不能根據固有頻率下降的比例直接判斷裂紋擴展的長度，將固有頻率下降到一定程度作為結構件發生疲勞失效的準則也缺乏理論支持，沒有可參考的統一標準[4，5]。

本文從振動疲勞試驗的理論出發，研究了試驗時常用的三種疲勞破壞判斷方法各自的優缺點，并對三種判斷方法的觀察效率進行了比較。使用有限元方法對幾何模型進行了優化，選用帶缺口懸臂梁試件進行振動疲勞試驗，同時使用三種判斷方法監測試件發生疲勞破壞的時間，比較分析所得結果，從而為振動疲勞試驗壽命的確定方法選擇提供了理論和實驗依據。

1振動疲勞試驗方法

1.1　直接觀測法

試件的疲勞破壞監測主要依賴于危險點的裂紋長度監測。根據斷裂力學準則，載荷作用下裂紋尖端會產生應力集中，當應力強度因子達到臨界值時，裂紋發生失穩擴展，結構發生疲勞失效。此臨界值為材料斷裂韌度KIC，表征結構材料的抗斷裂能力。如果應力集中系數用Kmax表示，振動疲勞的失效準則就可以簡述為:

Kmax≤KIC

(1)

直接觀測法通過借助顯微鏡等儀器直接觀察結構危險點是否已經產生裂紋，估量裂紋長度，從而判斷結構是否已經疲勞破壞，這是試驗中最常用的判斷方法。

1.2　動態應變法

電阻應變片測量應變的過程為：將應變片粘貼在構件表面，接入測量電路，隨著構件受力，應變片敏感柵隨之變形使其電阻發生變化。電阻與應變的關系可以表述為：

(2)

動態應變法，就是根據試件的實際幾何外形將合適的應變片粘貼在試件的危險點處，通過動態應變儀監測粘貼處的應變變化。動態應變儀能實時反映出應變片粘貼處的結構應變，當危險點出現裂紋時，應變必然隨之增加，由應變的突然增大并超過限定值可以判斷結構已經發生了疲勞破壞。

1.3　固有頻率法

通過監測結構的固有頻率降低幅度也能有效地判斷結構是否發生振動疲勞破壞。頻響函數反映了結構的固有特性，疲勞裂紋引發的結構損傷必然會引起頻響函數的變化，而固有頻率能夠及時的體現出頻響函數的變化。頻響函數為輸出信號x(t)與輸入信號f(t)兩者的傅里葉變化之比，則頻響函數FRF(ω)可表示為：

(3)

當結構局部產生裂紋時，強度減弱，固有頻率降低。固有頻率法就是通過觀察結構的固有頻率降低幅度來有效判斷是否發生了疲勞破壞。

2實驗

2.1　 試驗方案

振動疲勞試驗模型為帶缺口懸臂梁，材料為厚LY12CZ鋁合金板材2 mm，其材料的機械性能見表1。

表1　LY12CZ鋁合金機械性能表

試件左端使用螺栓與底座固定，底座固定在SAI30-H560B16型振動臺上。振動臺數字控制系統根據給定的激勵功率譜控制振動臺，使其在一定的范圍內振動。

激勵的功率譜密度根據國軍標GJB 150.16A-2009軍用裝備實驗室環境試驗方法，選用高速公路卡車振動環境，以標準GJB150.16A中的高速公路卡車振動環境的加速度功率譜密度為基礎，在保證疲勞失效機理不發生改變的情況下，選擇合適的應力水平進行試驗。

對于結構的疲勞失效時間采用多種方法進行確定。1)應變法：在結構危險位置粘貼應變片，當被檢測響應點的應變振幅發生異常變化時，認為試件出現裂紋，試驗停止。2)固有頻率法：采用對結構的固有頻率進行實時監控，當結構的第一階固有頻率下降了5%時，認為結構發生疲勞失效。3)直接觀測法：采用放大鏡實時觀察危險點裂紋的產生，進行失效判定。

試驗具體實施時，先從試驗開始計時，每隔十分鐘通過數字振動控制系統暫停振動臺，并借用手電筒觀察試件缺口處是否有裂紋產生，在觀察到動態應變儀顯示的應變數值增大到預期破壞應變的2/3時，將間隔時間縮短為2min。當肉眼能觀察到裂紋或者動態應變儀顯示應變發生突變時，判斷試件在該觀測方法下發生疲勞破壞。

采用加速度計測量基礎激勵的加速度，采用激光測振儀測量試件一點的速度響應，采用動態信號分析儀(35670A)測結構的頻響函數，每隔5min測一次頻響函數，以監控試件的固有頻率變化。當試件第一階固有頻率下降5%時認為試件疲勞失效。

試驗時設備的安裝連接如圖1所示。

圖1　振動疲勞試驗及測試設備連接框圖

試驗現場，設備安裝連接情況如圖2所示。

圖2　試驗現場

分別以均方根值為1.59g、1.36g、1.04g的功率譜密度信號作為激勵的功率譜，譜型見圖3所示。

圖3　加速度功率譜密度

圖中y分別為0.035 g2/Hz、0.025 g2/Hz、0.015g2/Hz。依次以圖中的功率譜控制振動臺振動。

2.2　 振動疲勞試驗結果

按照上述三種判斷方法判斷試驗結束時得到的試件情況見下圖4所示。

圖4　試驗結束裂紋擴展情況

每次激振記錄得到的試件壽命見表2。

表2　試件疲勞失效時間　min

圖5給出了三種應力水平下的功率譜激振試件得到的第一階固有頻率隨時間的變化情況。試驗件的零時刻固有頻率即為未發生損傷時的固有頻率，初始固有頻率降低5%時以 “*”標出。如圖5(a)所示，隨時間增加，固有頻率呈下降趨勢，并且下降的幅度在隨時間增大，固有頻率減小得越來越快，在下降到初始固有頻率5%之后，下降速度將達到最快，比較圖5(b)和圖5(c)兩圖也出現同樣規律。綜合比較三圖可知，功率譜的均方根值(RMS)量級越大，固有頻率降低的速度越快，圖5(a)中均方根值為1.59g時，只需23min固有頻率就能下降5%，而為了使固有頻率同樣下降5%，圖5(b)和圖5(c)卻分別畫了32min和56min。

圖5　不同應力水平下試件第一階固有頻率隨時間變化圖

取第二組實驗不同時間所測得的頻響函數匯總到圖6，反映出頻響函數曲線隨著時間推移產生了明顯變化。圖6中，第一到第四曲線分別是零時刻、第15min、第25min和第32min的頻響函數曲線，峰值所在位置隨著時間向左有明顯的移動，相應的第一階固有頻率也在逐步降低。這是因為試件剛度對結構動態特性變化比較敏感，裂紋擴展引起了結構基本參數的變化，從而導致了結構動響應特性的改變。隨著時間推移，固有頻率與裂紋的擴展有同步的變化，可以作為判定結構發生振動疲勞的依據。

圖6　第二組應力水平下試件不同時刻傳遞函數圖像

2.3　振動疲勞試驗方法討論

通過試驗過程中的觀察和對試驗數據的分析比較可知：

1) 直接觀測法雖被廣泛運用，方便可靠，但是其中存在著一些不易解決的問題。試件在激勵下產生振動時，肉眼觀測不能準確反映裂紋的實際情況，因而采用的停機觀測方法也不可能準確把握裂紋擴展的情況，停機時間的選擇有一定的隨機性，停機時觀測到的裂紋長度不一定就是結構發生疲勞破壞的臨界值。因此，肉眼觀測作為一種最終的判斷方法，有其實用性，但是對于需要精確判斷疲勞壽命的實驗時，還需要有更準確的判斷方法。

2) 動態應變法方法簡單明了，精確度高，對儀器要求不高，適合用于在實驗室中監測結構的疲勞破壞。但是應變片粘貼的危險點需要有準確的預判。通過焊接與動態應變儀連接時，在試驗過程中，焊點與應變片內部敏感柵有可能受振動影響而產生破壞，從而影響應變儀對結構本身的疲勞破壞的判斷。因此，實驗結果還需經過對焊點疲勞和應變片本身的結構的檢查才能認定是否有效。

3) 頻響函數法中，測頻響函數所需的傳感器和設備

較少，頻響函數測試準確、方便。采用基礎激勵的方式，能有效避免對結構的特性和邊界條件產生影響。采用激光測振儀測結構響應，不需與結構直接相連，避免了傳感器與結構直接相連引起的結構局部剛度變化。但是，固有頻率降低法也有其不足之處。固有頻率的降低幅度與裂紋的長度之間的對應關系還不夠明確，頻率的測試精度受限于設備和采樣，還有待提高。對于復雜結構，頻響函數中的第一階固有頻率影響因素還不清楚，需要繼續研究后幾階的固有頻率變化情況。

3結語

通過實驗研究綜合比較了直接觀測法、應變片法和固有頻率降低法對結構振動疲勞的判斷準確度，以國標規定的裂紋擴展作為振動疲勞破壞判定的參考，探求三種方法各自的優點和適用條件。研究發現，直接觀測法的停機時間不容易掌握，應變片法與裂紋擴展的同步性較好，但應變片的粘貼有局限性，受到結構幾何形狀和材料的限制，而固有頻率法采用激光測振儀測得結構響應，無需與結構直接接觸，不會對結構產生附加剛度，能夠直接測得頻響函數和固有頻率。因此，固有頻率法可作為一種判定振動疲勞破壞的方法，作為直接觀測法和應變法的有效補充。

參考文獻:

[1] Dirlik T. Application of Computers in Fatigue Analysis [D]. Warwick: Warwick University, 1985.

[2] 魯啟新，吳鐵鷹. 振動疲勞試驗自動化[J]. 航空學報，1985，6(5)：474-477.

[3] 肖壽庭，杜修德. LY12CZ 鋁合金懸臂梁動態疲勞S-N曲線的試驗測定[J]. 機械強度，1995，17(1)：22-24.

[4] De-Guang Shang. Measurement of fatigue damage based on the natural frequency for spot-welded joints. Materials and Design, 2009, 30:1008-1013.

[5] 葛森，曹琦，邵闖，等.飛機壁板結構的高溫聲疲勞試驗方法[J]. 實驗力學，1997，12(4)：593-598.

Research on Monitoring Methods in Structure Vibration Fatigue Test

GU Xiao-hua, CHEN Huai-hai

(College of Aerospace Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016, China)

Abstract:It is of great realistic significance to judge the working structure in vibration environment to be fatigue or not. The three common determination methods of structure vibration fatigue life are chosen, namely direct observational method, dynamic strain method and natural frequency method. The theoretical basis and feasibility for the judgment are analyzed, and experimental studies are carried out. These methods are used to monitor the fatigue life of the structure. The most suitable method of judging the structural fatigue life under vibration environments is elected by comparative study. The theoretical and experimental basis is provided for the future research.

Keywords:structural vibration; vibration fatigue; determination method; natural frequency; dynamic strain

中圖分類號：TH113.1

文獻標志碼：A

文章編號：1671-5276(2015)02-0181-04

作者簡介：顧曉華(1988- )，男，江蘇海門人，碩士研究生，主要研究方向是結構的隨機振動疲勞。

收稿日期：2014-11-12