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疲勞強度研究新篇章:力學(xué)所推動疲勞強度測試與評價方法創(chuàng)新
導(dǎo)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(xué)所非線性力學(xué)國家重點實驗室微結(jié)構(gòu)計算力學(xué)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(xué)所非線性力學(xué)國家重點實驗室微結(jié)構(gòu)計算力學(xué)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(lǐng)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)力水平
力學(xué)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(xué)院基礎(chǔ)與交叉前沿科研先導(dǎo)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(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心“非線性力學(xué)的多尺度力學(xué)研究”項目(11988102)的支持。
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