结构振动疲劳试验监测方法研究

顾晓华，陈怀海

(南京航空航天大学 航空宇航学院，江苏 南京 210016)



结构振动疲劳试验监测方法研究

顾晓华，陈怀海

(南京航空航天大学 航空宇航学院，江苏 南京 210016)

摘要：在振动环境中如何有效判断正在工作的结构件是否已经发生疲劳破坏具有重要的工程意义。选择三种常用的振动疲劳寿命判断方法：直接观测法，动态应变法和固有频率法，分析其判断的理论依据和可行性，并开展实验研究。试验分别运用三种判断方法同时监测结构的振动疲劳寿命，比较研究试验结果以分析获得振动环境下最适合的结构寿命判断方法，探讨选择该种方法的依据，为以后工程应用铺平了道路。

关键词：结构振动； 振动疲劳； 判定方法； 固有频率； 动态应变

0引言

近年来，在航空航天、风能利用、公路铁路以及海洋运输等工程实践中，由于振动而产生的疲劳问题凸显，由于实际工程应用的需要，结构的振动疲劳问题越来越受到研究人员的重视[1]。但是，受制于复杂的外界环境和众多的影响因素，振动疲劳问题尚未得到很好的解决，对振动疲劳的破坏机理、模式的认识还不够。因此，试验仍然是对振动疲劳进行研究的主要手段。

随着振动试验技术的不断进步，振动疲劳试验拥有了良好的试验基础，能够进行各种环境下的振动疲劳模拟试验。振动疲劳试验主要以通过对环境激励的模拟，在实验室里得到试件的使用寿命，重点在于如何准确判断何时试件已经发生了破坏。但是，判断试验中试件发生振动疲劳破坏的方法和标准尚未达成统一认识。目前，在工程实践中，大多数研究都以出现可观测裂纹时的时间作为试件的疲劳寿命，但裂纹的观测长度具有不确定性。在试验中停机观测的裂纹长度随机性也比较大，这些都会给实验人员带来很大困难。而采用应变计监测试件应变变化，进而确定振动疲劳试验寿命的方法又受到试件的几何形状和大小以及应变片寿命的影响，得到的结果尚需排除两者影响才能令人信服。有多项研究[2,3]提出以结构第一阶固有频率下降一定比值作为判定振动疲劳失效的准则，其中鲁起新选择了2%，肖寿庭选择了下降5%时所经过的循环数作为结构的疲劳寿命。但是固有频率下降的幅度与裂纹扩展的程度没有恒定的对应关系，不能根据固有频率下降的比例直接判断裂纹扩展的长度，将固有频率下降到一定程度作为结构件发生疲劳失效的准则也缺乏理论支持，没有可参考的统一标准[4，5]。

本文从振动疲劳试验的理论出发，研究了试验时常用的三种疲劳破坏判断方法各自的优缺点，并对三种判断方法的观察效率进行了比较。使用有限元方法对几何模型进行了优化，选用带缺口悬臂梁试件进行振动疲劳试验，同时使用三种判断方法监测试件发生疲劳破坏的时间，比较分析所得结果，从而为振动疲劳试验寿命的确定方法选择提供了理论和实验依据。

1振动疲劳试验方法

1.1　直接观测法

试件的疲劳破坏监测主要依赖于危险点的裂纹长度监测。根据断裂力学准则，载荷作用下裂纹尖端会产生应力集中，当应力强度因子达到临界值时，裂纹发生失稳扩展，结构发生疲劳失效。此临界值为材料断裂韧度KIC，表征结构材料的抗断裂能力。如果应力集中系数用Kmax表示，振动疲劳的失效准则就可以简述为:

Kmax≤KIC

(1)

直接观测法通过借助显微镜等仪器直接观察结构危险点是否已经产生裂纹，估量裂纹长度，从而判断结构是否已经疲劳破坏，这是试验中最常用的判断方法。

1.2　动态应变法

电阻应变片测量应变的过程为：将应变片粘贴在构件表面，接入测量电路，随着构件受力，应变片敏感栅随之变形使其电阻发生变化。电阻与应变的关系可以表述为：

(2)

动态应变法，就是根据试件的实际几何外形将合适的应变片粘贴在试件的危险点处，通过动态应变仪监测粘贴处的应变变化。动态应变仪能实时反映出应变片粘贴处的结构应变，当危险点出现裂纹时，应变必然随之增加，由应变的突然增大并超过限定值可以判断结构已经发生了疲劳破坏。

1.3　固有频率法

通过监测结构的固有频率降低幅度也能有效地判断结构是否发生振动疲劳破坏。频响函数反映了结构的固有特性，疲劳裂纹引发的结构损伤必然会引起频响函数的变化，而固有频率能够及时的体现出频响函数的变化。频响函数为输出信号x(t)与输入信号f(t)两者的傅里叶变化之比，则频响函数FRF(ω)可表示为：

(3)

当结构局部产生裂纹时，强度减弱，固有频率降低。固有频率法就是通过观察结构的固有频率降低幅度来有效判断是否发生了疲劳破坏。

2实验

2.1　 试验方案

振动疲劳试验模型为带缺口悬臂梁，材料为厚LY12CZ铝合金板材2 mm，其材料的机械性能见表1。

表1　LY12CZ铝合金机械性能表

试件左端使用螺栓与底座固定，底座固定在SAI30-H560B16型振动台上。振动台数字控制系统根据给定的激励功率谱控制振动台，使其在一定的范围内振动。

激励的功率谱密度根据国军标GJB 150.16A-2009军用装备实验室环境试验方法，选用高速公路卡车振动环境，以标准GJB150.16A中的高速公路卡车振动环境的加速度功率谱密度为基础，在保证疲劳失效机理不发生改变的情况下，选择合适的应力水平进行试验。

对于结构的疲劳失效时间采用多种方法进行确定。1)应变法：在结构危险位置粘贴应变片，当被检测响应点的应变振幅发生异常变化时，认为试件出现裂纹，试验停止。2)固有频率法：采用对结构的固有频率进行实时监控，当结构的第一阶固有频率下降了5%时，认为结构发生疲劳失效。3)直接观测法：采用放大镜实时观察危险点裂纹的产生，进行失效判定。

试验具体实施时，先从试验开始计时，每隔十分钟通过数字振动控制系统暂停振动台，并借用手电筒观察试件缺口处是否有裂纹产生，在观察到动态应变仪显示的应变数值增大到预期破坏应变的2/3时，将间隔时间缩短为2min。当肉眼能观察到裂纹或者动态应变仪显示应变发生突变时，判断试件在该观测方法下发生疲劳破坏。

采用加速度计测量基础激励的加速度，采用激光测振仪测量试件一点的速度响应，采用动态信号分析仪(35670A)测结构的频响函数，每隔5min测一次频响函数，以监控试件的固有频率变化。当试件第一阶固有频率下降5%时认为试件疲劳失效。

试验时设备的安装连接如图1所示。

图1　振动疲劳试验及测试设备连接框图

试验现场，设备安装连接情况如图2所示。

图2　试验现场

分别以均方根值为1.59g、1.36g、1.04g的功率谱密度信号作为激励的功率谱，谱型见图3所示。

图3　加速度功率谱密度

图中y分别为0.035 g2/Hz、0.025 g2/Hz、0.015g2/Hz。依次以图中的功率谱控制振动台振动。

2.2　 振动疲劳试验结果

按照上述三种判断方法判断试验结束时得到的试件情况见下图4所示。

图4　试验结束裂纹扩展情况

每次激振记录得到的试件寿命见表2。

表2　试件疲劳失效时间　min

图5给出了三种应力水平下的功率谱激振试件得到的第一阶固有频率随时间的变化情况。试验件的零时刻固有频率即为未发生损伤时的固有频率，初始固有频率降低5%时以 “*”标出。如图5(a)所示，随时间增加，固有频率呈下降趋势，并且下降的幅度在随时间增大，固有频率减小得越来越快，在下降到初始固有频率5%之后，下降速度将达到最快，比较图5(b)和图5(c)两图也出现同样规律。综合比较三图可知，功率谱的均方根值(RMS)量级越大，固有频率降低的速度越快，图5(a)中均方根值为1.59g时，只需23min固有频率就能下降5%，而为了使固有频率同样下降5%，图5(b)和图5(c)却分别画了32min和56min。

图5　不同应力水平下试件第一阶固有频率随时间变化图

取第二组实验不同时间所测得的频响函数汇总到图6，反映出频响函数曲线随着时间推移产生了明显变化。图6中，第一到第四曲线分别是零时刻、第15min、第25min和第32min的频响函数曲线，峰值所在位置随着时间向左有明显的移动，相应的第一阶固有频率也在逐步降低。这是因为试件刚度对结构动态特性变化比较敏感，裂纹扩展引起了结构基本参数的变化，从而导致了结构动响应特性的改变。随着时间推移，固有频率与裂纹的扩展有同步的变化，可以作为判定结构发生振动疲劳的依据。

图6　第二组应力水平下试件不同时刻传递函数图像

2.3　振动疲劳试验方法讨论

通过试验过程中的观察和对试验数据的分析比较可知：

1) 直接观测法虽被广泛运用，方便可靠，但是其中存在着一些不易解决的问题。试件在激励下产生振动时，肉眼观测不能准确反映裂纹的实际情况，因而采用的停机观测方法也不可能准确把握裂纹扩展的情况，停机时间的选择有一定的随机性，停机时观测到的裂纹长度不一定就是结构发生疲劳破坏的临界值。因此，肉眼观测作为一种最终的判断方法，有其实用性，但是对于需要精确判断疲劳寿命的实验时，还需要有更准确的判断方法。

2) 动态应变法方法简单明了，精确度高，对仪器要求不高，适合用于在实验室中监测结构的疲劳破坏。但是应变片粘贴的危险点需要有准确的预判。通过焊接与动态应变仪连接时，在试验过程中，焊点与应变片内部敏感栅有可能受振动影响而产生破坏，从而影响应变仪对结构本身的疲劳破坏的判断。因此，实验结果还需经过对焊点疲劳和应变片本身的结构的检查才能认定是否有效。

3) 频响函数法中，测频响函数所需的传感器和设备

较少，频响函数测试准确、方便。采用基础激励的方式，能有效避免对结构的特性和边界条件产生影响。采用激光测振仪测结构响应，不需与结构直接相连，避免了传感器与结构直接相连引起的结构局部刚度变化。但是，固有频率降低法也有其不足之处。固有频率的降低幅度与裂纹的长度之间的对应关系还不够明确，频率的测试精度受限于设备和采样，还有待提高。对于复杂结构，频响函数中的第一阶固有频率影响因素还不清楚，需要继续研究后几阶的固有频率变化情况。

3结语

通过实验研究综合比较了直接观测法、应变片法和固有频率降低法对结构振动疲劳的判断准确度，以国标规定的裂纹扩展作为振动疲劳破坏判定的参考，探求三种方法各自的优点和适用条件。研究发现，直接观测法的停机时间不容易掌握，应变片法与裂纹扩展的同步性较好，但应变片的粘贴有局限性，受到结构几何形状和材料的限制，而固有频率法采用激光测振仪测得结构响应，无需与结构直接接触，不会对结构产生附加刚度，能够直接测得频响函数和固有频率。因此，固有频率法可作为一种判定振动疲劳破坏的方法，作为直接观测法和应变法的有效补充。

参考文献:

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

[2] 鲁启新，吴铁鹰. 振动疲劳试验自动化[J]. 航空学报，1985，6(5)：474-477.

[3] 肖寿庭，杜修德. LY12CZ 铝合金悬臂梁动态疲劳S-N曲线的试验测定[J]. 机械强度，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，邵闯，等.飞机壁板结构的高温声疲劳试验方法[J]. 实验力学，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

中图分类号：TH113.1

文献标志码：A

文章编号：1671-5276(2015)02-0181-04

作者简介：顾晓华(1988- )，男，江苏海门人，硕士研究生，主要研究方向是结构的随机振动疲劳。

收稿日期：2014-11-12