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U型波紋管疲勞壽命試驗(yàn)選擇波紋管疲勞試驗(yàn)機(jī)來完成試驗(yàn)。
波紋管是壓力容器和管道系統(tǒng)以及儀器儀表中常用的連接、補(bǔ)償和密封隔離裝置。它的特點(diǎn)是軸向剛度大、徑向剛度小，故能承受較大的軸向位移，同時(shí)還能承受一定的內(nèi)、外壓。當(dāng)軸向力較小時(shí)，波紋管的變形較小，其剛度保持不變；在較大軸向力的作用下，波紋管產(chǎn)生大變形，其剛度隨變形不斷的變化，此時(shí)波紋管的彈性是非線性的。因此波紋管的彈性特性既有線性的也有非線性的，受力分析相當(dāng)復(fù)雜。同時(shí)在工作過程中載荷是動(dòng)態(tài)的，載荷的變化規(guī)律也較復(fù)雜。而作為一關(guān)鍵零部件，其壽命將嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的性能和壽命。
累積損傷是有限壽命設(shè)計(jì)的核心問題，疲勞累積損傷假設(shè)多達(dá)數(shù)十種，疲勞分析常用帕爾姆格林-邁格(Palmgren-Miner)假設(shè)，通常稱之為線性累積損傷理論。Miner假定載荷循環(huán)是正弦形的，傳給試樣并被其吸收的全部功都用來產(chǎn)生試樣的破壞(但不發(fā)生應(yīng)變硬化);存在于各種對(duì)稱因素載荷之間的關(guān)系，可以用修正的Goodman圖來表示，破壞的判據(jù)是形成肉眼可見的裂紋。在上述的假定下用公式表示為:
式中:D為疲勞累積系數(shù);ni為第i階應(yīng)力水平下的實(shí)際應(yīng)力循環(huán)數(shù);Ni為第i階應(yīng)力水平下的疲勞壽命;k為應(yīng)力譜中應(yīng)力范圍的級(jí)數(shù)。當(dāng)D值小于1時(shí)，認(rèn)為被評(píng)估對(duì)象是安全的，不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。D值等于和大于1時(shí)，意味著被評(píng)估對(duì)象開始破壞和已經(jīng)破壞。線性累積邊損傷理論不考慮不同應(yīng)力幅作用順序的影響，大量實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)證明，當(dāng)?shù)蛻?yīng)力幅的交變循環(huán)在前而高應(yīng)力幅的交變循環(huán)在后時(shí)，疲勞累積系數(shù)可以稍稍大于1.
每級(jí)應(yīng)力水平下的疲勞壽命是根據(jù)相應(yīng)材料的S-N曲線得到。S-N曲線描述的是應(yīng)力幅σa和該應(yīng)力幅下開始破壞的循環(huán)數(shù)Nf(即疲勞壽命)關(guān)系，它能較準(zhǔn)確地描述波紋管材料的高周疲勞循環(huán)破壞特性。如圖1所示，隨著N的增加疲勞許用應(yīng)力迅速減小，但超過100萬(wàn)次后大應(yīng)力不再發(fā)生變化，且曲線維持在350MPa處，該應(yīng)力稱為*交變應(yīng)力下的材料疲勞持久極限。對(duì)于鋁合金試件，就不能找到這樣的材料疲勞持久極限。目前有許多種方程可以近似描述S-N曲線，簡(jiǎn)單、常用的是冪函數(shù)形式:
式中:σf是疲勞強(qiáng)度，是由S-N曲線外推到個(gè)半循環(huán)(2σf=1)的應(yīng)力幅值;h是疲勞強(qiáng)度指數(shù)，是雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中S-N曲線的斜率。
在復(fù)雜的彎矩、扭矩、軸向力共同作用下，平均應(yīng)力不為零，通常要用修正的Goodman圖得到平均應(yīng)力不為零時(shí)的等效應(yīng)力幅，如圖2所示。σe為材料的疲勞許用極限，在沒有實(shí)驗(yàn)依據(jù)時(shí)，σe可以通過式(3)確定:
式中:ka為表面加工系數(shù);kb為尺寸系數(shù);kc為可靠性系數(shù);kd為溫度系數(shù);ke為加強(qiáng)因子。它考慮了在階梯處和開槽處的應(yīng)力集中，由應(yīng)力集中因子和材料切口敏感度來計(jì)算加強(qiáng)因子ke.σc是根據(jù)材料強(qiáng)度極限σb來確定的(σb≤1400MPa時(shí)，σe=O.5σb;σb>1 400MPa時(shí)，σe=700MPa)。另外可以修正S-N曲線，平均應(yīng)力對(duì)應(yīng)力壽命曲線的影響較復(fù)雜，常用的考慮方法是用σf-σm代替式中的σf，即:
實(shí)際的許用疲勞曲線還需用應(yīng)力幅安全系數(shù)和循環(huán)數(shù)安全系數(shù)來修正疲勞曲線，參照英國(guó)BS5500，應(yīng)力幅安全系數(shù)2.2，循環(huán)數(shù)安全系數(shù)取15。
