一种新型高低频复合振动装置的研究
                                                 化春键1,2，袁浩1,2
                                           (1.江南大学机械工程学院，江苏 无锡214122）
                                   （2.江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏 无锡214122)
    针对金属材料疲劳断裂研究的现状以及实际应用中应力比r的变化情况，分析了应力比r对金属疲劳裂纹萌生和扩展的影响。运用Pro/E设计了一种新型高低频复合振动装置，对其空载运动状态下的动力学特性做了理论分析。建立了振动装置加载金属材料时的动力学模型，以加载7A09高强度铝合金为算例，运用ANSYS对模型进行谐波分析，得到了此种情况下的幅频特性曲线图，并由此获得了在该状态下最易发生疲劳断裂的变频区间。


    任何结构中都不可避免地存在着类似于裂纹的缺陷，这些缺陷有可能是原材料固有的，也有可能是在制造加工或使用过程中产生的。这些缺陷会降低结构的承载能力，使结构在交变载荷的作用下产生疲劳裂纹，严重时甚至出现疲劳断裂，对人身安全和国民财产都会造成很大的威胁。例如：1954年，英国彗星号客机（第一架喷气式客机）在检修4天后突然失事坠入地中海，事故原因为压力舱的疲劳破坏［1］；1967年，美国俄亥俄州和西弗吉尼亚州交界处的银桥突然倒塌，造成46人丧生的悲剧，事故原因为大桥眼杆的疲劳破坏［2］；1979年，建成仅4年的美国肯帕体育馆突然倒塌，原因为高强度螺栓的疲劳破坏［3］。
    自1829年德国工程师Albert首次提出金属疲劳的概念［4］以来，金属疲劳断裂逐渐受到了人们的重视，吸引了大量的研究人员投身于该领域，现已取得了大量的成果，为产品的设计、制造与使用提供了重要的指导。目前的研究领域多局限于单频振动对金属疲劳的影响，而对双频甚至多频的研究甚少，但是在实际生产应用中，很多产品是在多频振动环境下工作的。例如飞机在飞行时不仅受到风载荷的振动影响，还会受到自带引擎振动的影响。所以对多频振动进行研究很有必要，而在多频振动载荷下的金属材料疲劳实验中，振动装置又是重中之重，因此对相应振动装置的研究开发已刻不容缓。

1金属材料疲劳裂纹的萌生与扩展
    金属材料的疲劳断裂可分为两个阶段：第一个阶段为疲劳裂纹的萌生阶段；第二个阶段为疲劳裂纹的快速扩展阶段。由于高低频复合振动和单频振动在金属材料疲劳破坏中最主要的区别是应力比r的变化，因此金属材料自身的几何和材料性质在这里不作过多的讨论，仅讨论应力比r对金属材料疲劳破坏的影响。在多频振动的实际情况中，振动波之间的叠加会造成应力比r的不断变化，而应力比r对金属材料疲劳裂纹的萌生和扩展都有着重要的影响，所以研究在同等最大应力强度因子Kmax条件下应力比r对金属材料疲劳裂纹的萌生和扩展就很有实用意义。

1.1〓疲劳裂纹萌生阶段
    疲劳裂纹的萌生主要取决于应力强度因子幅值ΔKI和疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth之间的关系。当ΔKI<ΔKth时，在循环载荷的作用下，金属材料处于弹性的加载和卸载过程，此时疲劳裂纹不会萌生；当KC>ΔKI>ΔKth时（KC为材料的断裂韧性，与材料种类以及厚度有关），在循环载荷的作用下，金属材料抗疲劳薄弱部位的塑性区内会出现塑......
..

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(JUSRP11008)
作者简介：化春键(1975—)，男，北京密云人，江南大学副教授，博士，主要研究方向为机器视觉与传感器技术。

（文章来源《机械设计与制造工程》杂志如需详细资料请联系江苏机械门户网客服QQ:2980918915,电话025-83726289）