[发明专利]等截面超声扭转疲劳试样设计方法

摘要

本发明提出一种等截面超声扭转疲劳试样设计方法，首先根据试样材料参数和几何设计尺寸，通过扭转疲劳试样的谐振长度解析公式，得到扭转疲劳试样的谐振长度，然后利用有限元方法分析试样扭转振型对应的固有频率，根据分析结果修正扭转试样谐振长度，使试样的实际固有频率在F±0.5kHz范围内接近设计频率，并在标距段获得相等的最大扭转应力，满足超声扭转疲劳试验的要求，提高试验数据的准确性。本发明丰富了超声疲劳试验的试样类型，扩展了超声疲劳试验方法的应用范围，提高了超声疲劳疲劳试验的准确性，为金属材料的超高周扭转疲劳性能研究奠定了基础。

主权项

一种等截面超声扭转疲劳试样设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：获得制作超声扭转疲劳试样的金属材料的剪切模量G和密度ρ；步骤2：根据制作超声扭转疲劳试样的金属材料的性能和疲劳强度，确定试样设计的固有频率f、最小截面半径R₁、最大截面半径R₂、标距段长度L₁和过渡段长度L₂，其中固有频率f处于F±0.5kHz范围内，其中F为超声扭转疲劳试验机工作频率；步骤3：根据公式$L_3=\frac{1}{K}\arctan \{\frac{1}{K}\[\mathrm{\β}\frac{\mathrm{\β}sin\left({\mathrm{KL}}_1\right)\sinh \left({\mathrm{KL}}_2\right)-Kcos\left({\mathrm{KL}}_1\right)\cosh \left({\mathrm{KL}}_2\right)}{\mathrm{\β}\sin \left({\mathrm{KL}}_1\right)\cosh \left({\mathrm{KL}}_2\right)+Kcos\left({\mathrm{KL}}_1\right)\sinh \left({\mathrm{KL}}_2\right)}\]\}$计算超声扭转疲劳试样谐振长度L₃，其中ω＝2πf，c是材料中的波速，ω是角频率，步骤4：根据步骤1、2、3得到的超声扭转疲劳试样参数，在有限元软件中建立超声扭转疲劳试样模型，并进行模态分析，得到试样扭转振型对应的固有频率f₁，根据模态分析结果对超声扭转疲劳试样的几何尺寸进行修正：步骤a：如果试样扭转振型对应的固有频率f₁小于设计固有频率f‑20Hz，则减小试样谐振长度L₃，然后再次通过有限元软件进行模态分析，直到模态分析得到的试样扭转振型对应的固有频率f₁处于f±20Hz范围内为止，最后确定试样的几何尺寸，完成试样设计；步骤b：如果试样扭转振型对应的固有频率f₁大于设计固有频率f+20Hz，则增加试样谐振长度L₃，然后再次通过有限元软件进行模态分析，直到模态分析得到的试样扭转振型对应的固有频率f₁处于f±20Hz范围内为止，最后确定试样的几何尺寸，完成试样设计。