扭轉(zhuǎn)-豎向疲勞雙軸/三軸試驗(yàn)系統(tǒng)
扭轉(zhuǎn)-豎向疲勞雙軸/三軸試驗(yàn)系統(tǒng)是用于研究材料（如金屬、復(fù)合材料、巖土體）在復(fù)雜多軸循環(huán)荷載下疲勞特性、累積損傷及失效機(jī)制的試驗(yàn)設(shè)備。該系統(tǒng)通過獨(dú)立控制扭轉(zhuǎn)與軸向荷載，模擬實(shí)際工程中的復(fù)合受力狀態(tài)（如傳動軸、樁基、渦輪葉片等）。以下是系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)、核心功能及典型試驗(yàn)方法：
1. 系統(tǒng)組成與核心模塊
（1）加載框架與驅(qū)動單元
雙軸模式：
– 軸向作動器：電液伺服控制，荷載±250Kn/±500Kn，頻率0.01~50Hz（正弦/隨機(jī)波形）。
– 扭轉(zhuǎn)作動器：獨(dú)立扭矩輸出±1000Nm/±2000Nm/±3000Nm，轉(zhuǎn)角±90°，頻率0.01~30Hz。（正弦/隨機(jī)波形）。
三軸擴(kuò)展（選配）：
– 增加圍壓艙（壓力0~50MPa），實(shí)現(xiàn)真三軸應(yīng)力狀態(tài)（σ1≠σ2≠σ3）。
（2）關(guān)鍵傳感器與測量系統(tǒng)
傳感器類型 | 參數(shù)范圍 | 精度 | 應(yīng)用場景 |
雙向載荷傳感器 | Fz: ±250Kn/±500Kn, Mz: ±1000Nm/±2000Nm/±3000Nm | 0.1% FS | 實(shí)時(shí)荷載反饋 |
非接觸式光學(xué)編碼器 | 軸向位移±50mm，扭轉(zhuǎn)角±90° | 分辨率1μm/0.001° | 大變形測量 |
紅外熱像儀 | 溫度場監(jiān)測（-20~600℃） | 空間分辨率0.5mm | 局部發(fā)熱與損傷定位 |
聲發(fā)射陣列 | 頻帶50kHz~1MHz | 觸發(fā)閾值40dB | 裂紋萌生與擴(kuò)展監(jiān)測 |
（3）環(huán)境模擬單元（選配）
溫控艙：-70℃~300℃（液氮/電阻加熱），用于航空材料低溫疲勞測試。
腐蝕介質(zhì)循環(huán)：模擬酸雨、海水等侵蝕環(huán)境（pH 2~12，流量可調(diào)）。
2. 試驗(yàn)?zāi)Ｊ脚c加載策略
（1）復(fù)合加載波形
相位控制：
– 同相位（軸向拉伸+扭轉(zhuǎn)）、反相位（軸向壓縮+扭轉(zhuǎn)）或任意相位差（0~360°）。
波形組合：
– 軸向：三角波/方波；扭轉(zhuǎn)：正弦波/梯形波（支持自定義時(shí)程導(dǎo)入）。
（2）典型試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)
試驗(yàn)類型 | 標(biāo)準(zhǔn)依據(jù) | 關(guān)鍵參數(shù) |
金屬多軸疲勞 | ASTM E2207, ISO 12106 | 應(yīng)力比R=-1，頻率≤10Hz（避免熱效應(yīng)） |
復(fù)合材料層間剪切 | ASTM D3518, GB/T 3354 | 扭轉(zhuǎn)角振幅±5°，軸向預(yù)壓應(yīng)力10MPa |
巖土動強(qiáng)度 | ASTM D5311, SL 237-1999 | 圍壓1~30MPa，軸向應(yīng)變速率0.1%/min |
（3）損傷評估方法
能量法：計(jì)算每循環(huán)耗散能（滯回環(huán)面積）。
臨界平面法：結(jié)合剪切應(yīng)變幅與法向應(yīng)力（Fatemi-Socie模型）。
數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）：全場應(yīng)變分析，定位應(yīng)變集中區(qū)。
3. 控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集
硬件平臺：
– 基于DOLI或NI PXIe-8840，實(shí)現(xiàn)多通道同步控制（時(shí)延<10μs）。
軟件功能：
– 實(shí)時(shí)調(diào)整PID參數(shù)，抑制軸向-扭轉(zhuǎn)耦合振動。
– 自動觸發(fā)停機(jī)條件（如軸向位移突增5%、扭矩下降20%）。
數(shù)據(jù)輸出：
– 生成S-N曲線（應(yīng)力幅-壽命）、裂紋擴(kuò)展速率da/dN，以及三維損傷演化云圖。
4. 典型應(yīng)用案例
1. 風(fēng)電主軸疲勞：
– 模擬啟停工況（軸向拉壓±200kN + 扭轉(zhuǎn)±1500Nm，頻率2Hz），預(yù)測10^6次循環(huán)壽命。
2. 橋梁樁基抗震：
– 水平地震（軸向交變荷載）與車輛制動力矩（扭轉(zhuǎn)）復(fù)合作用下的累積塑性變形。
3. 鈦合金生物植入物：
– 體液環(huán)境中（37℃, pH=7.4）的多軸微動疲勞測試（軸向±50N，扭轉(zhuǎn)±0.5°）。
5. 安全與校準(zhǔn)
機(jī)械保護(hù)：
– 液壓過載保護(hù)（110%額定荷載自動卸荷），緊急氣動制動。
定期校準(zhǔn)：
– 軸向力：JJG 621-2012（標(biāo)準(zhǔn)測力儀）。
– 扭矩：JJG 269-2006（標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳手）。
– 位移：激光干涉儀（ISO 9513）。
