[发明专利]一种试验件高温高低周复合疲劳裂纹扩展试验系统及测量方法

权利要求书

1.一种试验件的高温高低周复合疲劳裂纹扩展试验系统，其特征在于：该高温高低周复合疲劳试验系统包括：加载子系统、加温子系统、水冷子系统和监测子系统；加载子系统在纵向夹持专用夹具，横向激振专用夹具；加温子系统对试验件考核段进行加温；水冷子系统通过管道与加载子系统和加温子系统相连，并对其进行冷却；监测子系统用于监控夹具激振点振幅，以及实时观测试验件表面裂纹扩展过程；它用于模拟带角裂纹的高温合金试验件考核段的工作应力、温度场以及载荷谱；

加载子系统包括疲劳试验机、激振器、试验件和高低周裂纹扩展试验专用夹具；高低周裂纹扩展试验专用夹具加持试验件后，通过疲劳试验机的夹头连接；采用激振杆连接专用夹具和激振器；加载子系统提供试验所需的机械载荷，疲劳试验机(3)提供纵向的单轴拉伸载荷，激振器(2)提供横向的高周激振；高低周裂纹扩展试验专用夹具解决了低周拉伸载荷以及高周振动载荷的互不干涉加载，其为自行设计加工，由第一传力活节(5)、第一传力销钉(11)、第二传力活节(6)、第二传力销钉(12)、第三传力活节(7)、第三传力销钉(13)、上夹具(8)、上夹具盖(14)、压紧螺栓(15)、下夹具(10)和下夹具盖(16)组成；在试验过程中，疲劳试验机(3)与第一传力活节(5)和下夹具(10)分别采用螺纹连接，第一传力活节(5)通过第一传力销钉(11)与第二传力活节(6)连接，第二传力活节(6)通过第二传力销钉(12)与第三传力活节(7)连接，第三传力活节(7)通过第三传力销钉(13)与上夹具(8)连接，将试验件(9)分别通过四个压紧螺栓(15)固定在上夹具(8)和上夹具盖(14)以及下夹具(10)和下夹具盖(16)之间，将试验件(9)夹持段设计成楔形，上、下夹具及夹具盖与试验件连接部位也相应设计成楔形；经由上夹具(8)和下夹具(10)将低周拉伸载荷传递给试验件(9)，此即低周传力装置传力路径；激振杆(4)与上夹具(8)采用螺纹连接，激振器(2)通过激振杆(4)激励上夹具(8)来施加高周载荷，再由上夹具(8)将高周载荷传递给试验件(9)，此即高周传力装置传力路径；

加温子系统包括高频感应加热炉和感应加热线圈；加温子系统用于提供试验所需温度场；感应加热线圈为自行设计制造，其与高频感应加热炉相连，并且铜管内部通有冷却水；通过改变感应加热线圈的形状、匝数以及感应加热线圈与试验件表面的距离，同时调整高频感应加热炉的输入功率，能实现试验件考核截面工作温度场的模拟；

水冷子系统包括水泵和贮水箱；水冷子系统用于高温复合疲劳裂纹扩展试验过程中试验系统的冷却；贮水箱里的冷却水经过水泵增压后分为三路：第一路进入高频感应加热炉，用于冷却高频感应加热炉和感应加热线圈；第二路进入复合疲劳专用夹具的水冷孔，用于冷却专用夹具；第三路用于冷却疲劳试验机。三路冷却水完成对试验系统的冷却后回到贮水箱，构成冷却水循环；其中由于受到夹具体积和水冷孔直径的限制，因此采用自制带螺纹的空心铜管解决了夹具冷却的问题；

监测子系统包括测振仪和长焦显微观测系统；由于高温下应变片技术比较复杂，无法测量高温试验件考核段的振动应力，试验中采用测振仪监测激振点的振幅，通过数值模拟得到激振点的振幅与考核段振动应力的关系，从而间接监测考核段的振动应力；QM100长焦显微镜安装在夹具前0.15m-0.35m处，分辨率为0.001mm，用于实时监控试验过程中试验件表面裂纹扩展过程，得到指定循环载荷数下的裂纹长度以及裂纹形貌。

2.根据权利要求1所述的试验件的高温高低周复合疲劳裂纹扩展试验系统，其特征在于：高低周裂纹扩展试验专用夹具的设计解决了低周拉伸载荷以及高周振动载荷的互不干涉加载；三个传力活节结构降低了夹具在水平方向上的刚性，减少了高周振动载荷在传递过程中的损耗，确保高周载荷能够顺利加载到试验件考核段；上、下夹具及夹具盖与试验件连接部位设计成楔形，且夹具上的楔形槽尺寸略大于试验件楔形夹持段，方便试验件的安装；同时，加载的时候通过楔形槽端面来传递轴向力，且试验件能够实现自动对心。

3.根据权利要求1所述的试验件的高温高低周复合疲劳裂纹扩展试验系统，其特征在于：所述的试验件材料为牌号是镍基高温合金GH2036；采用线切割技术，对试验件考核段预制一个0.2×0.2mm的角裂纹，可模拟榫接角裂纹的扩展形式。

4.一种高低周复合疲劳试验高州振动应力测量方法，根据权利要求1所述的系统进行高低周复合疲劳裂纹扩展试验高周振动应力测量，其特征在于实现步骤如下：

步骤(1)、通过ANSYS软件进行谐响应分析，模拟夹具和试验件在激励力下的响应，获得激励点的振幅与试验件考核段的振动应力关系曲线；模拟时为反应系统真实工作状态，约束第一活节夹头的位移，并对下夹具夹头施加向下的拉力，同时在激振点施加一个横向的正弦激励力，模拟高周载荷；

步骤(2)、试验时，采用测振仪监测激振点的振幅，间接监控考核段的振动应力值。