(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 20221043949 9.0 (22)申请日 2022.04.25 (71)申请人 四川大学 地址 610000 四川省成 都市武侯区一环路 南一段24号 (72)发明人 王宠　阳东彤　王清远　唐森　 李浪　刘永杰　 (74)专利代理 机构 成都其高专利代理事务所 (特殊普通 合伙) 5124 4 专利代理师 廖曾　贺立中 (51)Int.Cl. G01N 3/02(2006.01) G01N 3/06(2006.01) G01N 3/32(2006.01) G01N 3/38(2006.01)G01L 1/24(2006.01) (54)发明名称 一种十字对称超声共振弯曲加速疲劳实验 装置 (57)摘要 本发明公开了一种十字对称超声共振弯曲 加速疲劳实验装置， 解决现有技术存在的不足， 能够在较短的时间内完成20kHz超声频率高周次 多轴疲劳试验， 模拟复杂实际工况下工件服役期 间的受力状态， 包括控制系统、 超声发生器、 压电 换能器、 位移放大器、 谐振块及双轴弯曲振动头， 控制系统控制连接超声发生器， 超声发生器连接 压电换能器， 压电换能器连接位移放大器， 位移 放大器连接谐振块， 谐振块连接双轴弯曲振动 头； 还包括试件， 且试件整体为两方相同的板垂 直相交形成的十字型结构， 且单板依次为加载 段、 试验段和加载段， 试验 段形成内凹弧形， 且两 板间的试验 段叠加形成四个弧形开口， 在试件的 下方还设置有与控制系统相连接的激光应力记 录仪。 权利要求书1页 说明书8页 附图4页 CN 115096689 A 2022.09.23 CN 115096689 A 1.一种十字对称超声共振弯曲加速疲劳实验装置， 其特征在于： 包括控制系统 （17） 、 超 声发生器 （16） 、 压电换能器 （15） 、 位移放大器 （14） 、 谐振块 （3） 、 双轴弯曲振动头 （2） 及激光 应力记录仪 （18） ， 控制系统 （17） 控制连接超声发生器 （16） ， 超声发生器 （16） 连接压电换能 器 （15） ， 压电换能器 （15） 连接位移放大器 （14） ， 位移放大器 （14） 连接谐振块 （3） ， 谐振块 （3） 连接双轴弯曲振动头 （2） ； 还包括试件 （1） ， 且 试件 （1） 整体为两方相同的板垂 直相交形成的 十字型结构， 且单板依次为加载段 （8） 、 试验段 （9） 和加载段 （8） ， 试验段 （9） 形成内凹弧形 （10） ， 且两板间的试验 段 （9） 叠加形成四个弧形开口 （7） ， 试件 （1） 可拆卸的连接在双轴弯曲 振动头 （2） 上， 在试件 （1） 的下 方还设置有与控制系统 （17） 相连接的激光应力记录 仪 （18） 。 2.根据权利要求1所述的一种十字对称超声共振弯曲加速疲劳实验装置， 其特征在于： 所述试件 （1） 和双轴弯曲振动头 （2） 皆满足20KHz超声共振频率， 且两者固定后形成满足 20KHz纵横协同共振模态， 双轴弯曲振动头 （2） 为 纵波振动模态， 试件 （1） 在十字的两个方向 分别为三阶横波弯曲振动模态， 且两板正交共振， 在内凹弧形 （10） 中心和4个加载段 （8）  各 形成1个弯曲转角驻 点， 最大位移位置在内凹弧形 （10） 中心 弯曲转角驻 点处。 3.根据权利要求1所述的一种十字对称超声共振弯曲加速疲劳实验装置， 其特征在于： 每一个所述加载段 （8） 上设置有一个狭长型第一连接孔 （5） ， 且第一连接孔 （5） 位于近试验 段 （9） 侧的中部， 在所述双轴弯曲振动头 （2） 上设置有等间距的第二连接孔 （12） ， 试件 （1） 的 第一连接孔 （5） 和双轴弯曲振动头 （2） 的第二连接孔 （12） 通过连接件 （4） 连接， 且 试件 （1） 的 中心与双轴弯曲振动头 （2） 的中心处同轴且平行。 4.根据权利要求1所述的一种十字对称超声共振弯曲加速疲劳实验装置， 其特征在于： 在所述双轴弯曲振动头 （2） 的试件 （1） 连接侧设置有双轴弯曲振动头凹槽 （11） ， 在双轴弯曲 振动头 （2） 的谐振块 （3） 连接侧的中心设置有第三连接孔 （13） 。 5.根据权利要求1~4任一项所述的一种十字对称超声共振弯曲加速疲劳实验装置， 其 特征在于： 所述控制系统 （17） 控制 超声发生器 （16） 产生超声频率电信号， 进而激励压电换 能器 （15） 产生超声频率振动位移， 通过位移放大器 （14） 、 谐振块 （3） 及双轴弯曲振动头 （2） 调幅传导至试件 （1） 形成离面弯曲变形， 并在内凹弧形 （10） 处形成转角驻点且产生最大应 力， 经由激光应力记录 仪 （18） 测量采集处 理信号反馈 至控制系统 （17） 形成闭环控制。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115096689 A 2一种十字对称超声共振弯曲加速疲劳实验装 置 技术领域 [0001]本发明涉及材料疲劳测试实验技术等领域， 具体地说， 是一种十字对称超声共振 弯曲加速疲劳实验 装置。 背景技术 [0002]疲劳失效是构件在交变荷载下主要的失效形式。 工程装备中的关键动力部件失效 原因主要都是疲劳破坏。 在实际的工程事故 中， 疲劳破坏引起的相关事故比例占到了8 0％。 因此对材料疲劳性质的研究和测试一直是国内外工程界研究和关心的重点问题。 与材料的 简单单轴疲劳实验不同， 实际工程部件的受力状态复杂， 基本都是在 复杂工况下 的多轴循 环受力。 多轴疲劳是指疲劳发生在多轴应力状态下， 即两个或三个主应力(主应变)的方向， 幅度随时间而变化。 在航空航 天、 车辆等多个领域中， 许多部件包括叶片在内的在实际工况 下都是在复杂的多轴应力状态下工作。 通过对近100个发动机叶片的失效统计分析， 发现大 部分叶片是在离心力作用下叠加振动应力产生的多轴疲劳失效。 但是目前国内外大部 分疲 劳领域研究主要还是单轴疲劳， 而实际工况疲劳性能指标与单轴疲劳实验结果数据出入 大， 对于多轴疲劳研究并不深入。 而更准确的多轴疲劳性能分析需要进行以双轴疲劳为代 表的多轴疲劳实验。 主要原因在于多轴疲劳实验加载复杂， 所需装置构成 需求高， 现有设备 类型少， 成本高， 加载类型和频率范围非常有限。 [0003]此外， 随着新型高铁、 飞机等工程装备提速， 其关键部件承受的循环疲劳载荷次数 显著增加， 例如在航空航天等领域中， 叶片在服役期间所到达的振动频率超过几百赫兹甚 至上万赫兹， 在整个服役期间其承受的振动加载次数超过数亿次。 材料传统的疲劳极限不 再适用， 新发布的多个国家标准已经对材料疲劳极限由千万次(107)加载循环提高到十亿 次(109)。 开展材料长寿命的疲劳性能实验和测试迫在眉睫。 然而既有疲劳测试装置较低的 加载频率无法在合理的时间内快速完成数以亿次的循环加载， 亦或是高频的加载设备无法 再现工况下的多轴受力加载方式。 亟需研制一种加速疲劳实验装置可同时实现高频率多轴 受力加载。 [0004]另外， 多轴裂纹形貌多为类 “I”形裂纹， 在完全应力对称情况下， 最大应力值处应 力沿着各方向应力 分量值相同， 消除了试件本身的尺寸效应， 为学者更好地研究应力对疲 劳裂纹的影响提供了一种方法。 所以基于促进材料疲劳失效领域进一步发展， 更好保 障我 国在高端制造产品关键动力部件高可靠稳定运行的需求， 设计出一种基于高频超高周完全 对称弯曲疲劳理念的实验 装置成为必然需求。 发明内容 [0005]本发明的目的在于设计一种十字对称超声共振弯曲加速疲劳实验装置， 解决现有 技术存在的不 足， 能够在较短的时间内完成20kHz超声 频率高周次多轴疲劳试验， 模拟复杂 实际工况 下工件服役期间的受力状态。 [0006]本发明通过下述技术方案实现： 一种十字对称超声共振弯曲加速疲劳实验装置，说　明　书 1/8 页 3 CN 115096689 A 3