基于高低频复合振动的金属管材断裂行为研究

化春键^1,2
机构：
1. 江南大学机械工程学院，江苏无锡 214122
2. 江南大学江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏无锡 214122
邮箱：cjhua@jiangnan.edu.cn
作者简介：化春键(1975—)，男，北京人，副教授，博士，从事金属棒料、管材分离方法与机器视觉研究，E-mail:cjhua@jiangnan.edu.cn,https://orcid.org/0000-0001-5397-2688
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王超凡^1,2
机构：
1. 江南大学机械工程学院，江苏无锡 214122
2. 江南大学江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏无锡 214122
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陆云健^1,2
机构：
1. 江南大学机械工程学院，江苏无锡 214122
2. 江南大学江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏无锡 214122
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1. 江南大学机械工程学院，江苏无锡 214122； 2. 江南大学江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏无锡 214122

中图分类号: TG 111.91

DOI:10.3785/j.issn.1006⁃754X.2019.02.014

Research on fracture behavior of metal pipe based on high and low frequency composite vibration

HUA Chun-jian^1,2
Affiliation：
1. School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China
2. Jiangsu Key Laboratory of Advarced Food Manufacturing Equipment ＆ Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China
Email：cjhua@jiangnan.edu.cn
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WANG Chao-fan^1,2
Affiliation：
1. School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China
2. Jiangsu Key Laboratory of Advarced Food Manufacturing Equipment ＆ Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China
×
LU Yun-jian^1,2
Affiliation：
1. School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China
2. Jiangsu Key Laboratory of Advarced Food Manufacturing Equipment ＆ Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China
×

1. School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China； 2. Jiangsu Key Laboratory of Advarced Food Manufacturing Equipment ＆ Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

CLC: TG 111.91

DOI:10.3785/j.issn.1006⁃754X.2019.02.014

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参考文献
作者
出版信息

参考文献 1

杨专钊,刘道新,张晓化.含不同深度球形缺陷钢管应力集中系数的有限元分析[J].机械工程材料,2013,37(8):90-94.

YANGZhuan-zhao, LIUDao-xin, ZHANGXiao-hua. Finite element analysis of the stress concentration factor of sphere defect in various depths on pipeline[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2013, 37(8): 90-94.

查找原文

参考文献 2

章刚,刘军,刘永寿,等.表面粗糙度对表面应力集中系数和疲劳寿命影响分析[J].机械强度,2010,32(1):110-115.

ZHANGGang, LIUJun, LIUYong-shou, alel. Effect of roughness on surface stress concentration factor and fatigue life[J]. Journal of Mechanical Strength, 2010, 32(1): 110-115.

查找原文

参考文献 3

刘文光,陈国平,贺红,等.结构振动疲劳研究综述[J].工程设计学报,2012,19(1):1-8,24. doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2012.01.001

LIUWen-guang, CHENGuo-ping, HEHong, et al. Review of studying on vibration fatigue[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2012, 19(1):1-8, 24.

查找原文

参考文献 4

张战英,樊亚军,林劭华,等.TC4管材校直过程断裂原因分析[J].热加工工艺,2015,44(1):245-247. doi:10.14158/j.cnki.1001-3814.2015.01.076

ZHANGZhan-ying, FANYa-jun, LINShao-hua, et al. Fracture reason analysis of TC4 pipe in straightening process[J]. Hot Working Technology, 2015, 44(1): 245-247.

查找原文

参考文献 5

HUAC J, ZHAOS D, ZHANGL J, et al. Investigation of a new-type precision cropping system with variable-frequency vibration[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2006, 48(12): 1333-1340.doi:10.1016/j.ijmecsci.2006.08.010

查找原文

参考文献 6

张立军,赵升吨.恒幅载荷下棒料V型槽尖端裂纹起始寿命的估算[J].塑性工程学报,2008,15(5):73-77.

ZHANGLi-jun, ZHAOSheng-dun. Estimation of initial life of V shaped notch tip crack under constant amplitude load[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2008, 15(5): 73-77.

查找原文

参考文献 7

ZHANGL J, ZHAOS D, LEIJ, et al. Investigation on the bar clamping position of a new type of precision cropping system with variable frequency vibration[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2007, 47(7): 1125-1131. doi:10.1016/j.ijmachtools.2006.09.003

查找原文

参考文献 8

胡海涛,李玉龙,索涛,等.2024铝合金振动疲劳特性及断口分析[J].航空材料学报,2013,33(4):78-83. doi:10.3969/j.issn.1005-5053.2013.4.014

HUHai-tao, LIYu-long, SUOTao, et al. Vibration fatigue and fracture performance of aluminum alloy 2024[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2013, 33(4): 78-83.

查找原文

参考文献 9

赵振华,陈伟.高低周复合载荷对TC11钛合金疲劳性能的影响[J].航空动力学报,2011,26(11):2469-2474.

ZHAOZhen-hua, CHENWei. Effect of combined cycle load upon the fatigue performance of titanium alloy TC11[J]. Journal of Aerospace Power, 2011, 26(11): 2469-2474.

查找原文

参考文献 10

杨大鹏,张雪艳,赵辉,等.疲劳载荷循环比与频率对裂纹扩展速率的影响[J].武汉大学学报（工学版）,2013,46(1):133-136.

YANGDa-peng, ZHANGXue-yan, ZHAOHui, et al. Impacts of recycle ratio and frequency of fatigue loads on crack propagation rate[J]. Engineering Journal of Wuhan University, 2013, 46(1): 133-136.

查找原文

参考文献 11

陈亚军,王先超,王付胜,等.不同应力幅比加载下2A12铝合金的多轴疲劳性能[J].材料工程,2017,45(9):137-142. doi:10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000817

CHENYa-jun, WANGXian-chao, WANGFu-sheng, et al. Multiaxial fatigue properties of 2A12 aluminum alloy under different stress amplitude ratio loadings[J]. Journal of Materials Engineering, 2017, 45(9): 137-142.

查找原文

参考文献 12

王时越,李建云,刘其勇.高低周复合载荷下的P-S-N曲线研究[J].昆明理工大学学报（理工版）,2006,31(2):90-92. doi:10.3969/j.issn.1007-855X.2006.02.021

WANGShi-yue, LIJian-yun, LIUQi-yong. Investigation of P-S-N curve under high-low cycle complex loading[J]. Journal of Kunming University of Science and Technology(Science and Technology), 2006, 31(2): 90-92.

查找原文

参考文献 13

赵仁峰,赵升吨,钟斌,等.低周疲劳精密下料新工艺及实验研究[J].机械工程学报,2012,48(24):38-43. doi:10.3901/JME.2012.24.038

ZHAORen-feng, ZHAOSheng-dun, ZHONGBin, et al. Experimental study on new low cycle fatigue precision cropping process[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2012, 48(24): 38-43.

查找原文

参考文献 14

ZHANGL J, ZHAOS D, HUAC J, et al. Investigation on a new type of low-stress cropping system with variable frequency vibration[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2008, 36: 288-295. doi:10.1007/s00170-006-0846-2

查找原文

参考文献 15

化春键,袁浩,陆云健.一种基于高低频振动载荷加载的下料方法:CN201610835083.5[P].2017-03-08.

HUAChun-jian, YUANHao, LUYun-jian. A feeding method based on high and low frequency vibration load: CN201610835083.5[P]. 2017-03-08.

查找原文

参考文献 16

化春键,袁浩,陆云健.单自由度高低频复合激振装置:CN201610835845.1[P].2017-01-25.

HUAChun-jian, YUANHao, LUYun-jian. Single degree of freedom high and low frequency complex excitation device: CN 201610835845.1[P]. 2017-01-25.

查找原文

参考文献 17

化春键,袁浩,陆云健.一种高低频激振器适用齿轮箱:CN201610835856.X[P].2016-12-21.

HUAChun-jian, YUANHao, LUYun-jian. A high and low frequency vibration gear trial gear-box: CN201610835856.X[P]. 2016-12-21.

查找原文

参考文献 18

化春键,袁浩,陆云健.一种可多级调节对称偏心机构:CN201610835857.4[P].2016-12-07.

HUAChun-jian, YUANHao, LUYun-jian. A multi-level adjustable symmetrical eccentric mechanism: CN 201610835857.4[P]. 2016-12-07.

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摘要

针对具有应力集中效应的金属管结构在承受复杂交变载荷时的疲劳断裂问题，提出一种基于高低频复合振动的加载方法，并通过自行研制的高低频复合振动实验装置，探究带V形切口金属管材的断裂行为。基于金属管材的复合振动特性，提出了一种可以提高金属管材裂纹萌生速率与扩展稳定性的复合振动频率控制曲线。设计了高低频复合振动实验装置的机械系统和计算机测控系统，并对预制V形切口的6061铝合金、45钢和304不锈钢三种不同金属管材进行了振动断裂实验研究。同时，为了对不同金属管材的特殊断面进行比较与分析，提出一种管材断面质量检测与评价方法，并对3种金属管材断面几何精度及断裂时间进行测量与评价。实验结果表明：在给定的线性递减的低频振动载荷作用下，金属管材裂纹会快速萌生并平稳扩展；在叠加高频振动载荷后，金属管材的断裂时间大幅缩短，其裂纹扩展速率显著加快，且管材的瞬断区较小、断面平整。研究结果对金属管材在复杂交变载荷下的寿命分析及在工程应用中的抗疲劳设计有重要的参考意义。

Abstract

A loading method based on high and low frequency composite vibration was proposed，which is pointing to the fatigue fracture problem of metal pipe structures with stress concentration effect subjected to complex alternating loads. The fracture behavior of metal pipe with V-shaped notch was explored by developing a high and low frequency composite vibration experimental device. Based on the composite vibration characteristics of metal pipes, a composite vibration frequency control curve which could improve the crack initiation rate and expansion stability of metal pipes was proposed. The mechanical system and the computer measurement and control system of the composite vibration experimental device were designed. The vibration fracture experiments were carried out on three different metal pipes of 6061 aluminum alloy, 45 steel and 304 stainless steel with prefabricated V-shaped notches. Meanwhile, in order to compare and analyze the special sections of different metal pipes, a method for measuring and evaluating the quality of pipe sections was put forward, and the geometric accuracy and fracture time of three kinds of metal pipe sections were measured and evaluated. The experimental results showed that the crack of metal pipe would initiate rapidly and expand smoothly under the given linearly decreasing low-frequency vibration load. At the same time, it was found that the fracture time of metal pipe was reduced greatly and the crack initiation rate was accelerated significantly due to the superimposed high-frequency vibration load which led to smaller instantaneous fracture area and smoother section of the pipes. The research results provide important reference significance for the life analysis of metal pipes under complex alternating loads and the anti-fatigue design of metal pipes in engineering applications.

关键词

复合振动；金属管材；V形切口；疲劳断裂

Keywords

composite vibration; metal pipe; V-shaped notch; fatigue fracture

金属管材在机械结构制造以及各类工程应用中具有重要地位，但是由于其加工缺陷以及结构尺寸变化，在外力作用下管材会产生严重的应力集中效应^[1,2]。在实际应用中，金属管材还需承受复杂的交变载荷作用，使得相应部位萌生裂纹并扩展，最终导致疲劳变形或者断裂^[3,4]。目前，针对单频振动对金属管材疲劳断裂的影响^[5,6,7,8]或高低频的应力比、循环次数等对金属管材疲劳性能的影响^[9,10,11]的研究有很多，但缺乏对金属管材复合振动特性及断裂行为的研究。

因此，笔者通过研制高低频复合振动实验装置，在分析金属管材复合振动特性的基础上，提出可使金属管材裂纹快速萌生并平稳扩展的复合振动频率控制曲线。在此基础上，探究了多种预制V形切口金属管材的断裂行为，并对管材断面质量进行检测与评价。

1 金属管材复合振动特性分析
1.1　金属管材复合振动系统数学模型的建立
复合振动载荷是指在低频振动载荷幅值上叠加高频振动分量，是对真实振动疲劳过程受载的简化，比单一的低频振动或者高频振动循环更接近构件的实际工作条件^[12]。金属管材复合振动系统如图1所示，管材一端固定在定夹具上，另一端在激振力作用下与激振体一起在直线导轨上上下振动。
图1 金属管材复合振动系统示意图
Fig.1 Schematic diagram of composite vibration system of metal pipe
为了建立金属管材受复合振动载荷作用时的运动学方程，将激振体作为质量集中单元，金属管材作为弹簧阻尼单元，两者之间用刚性杆单元连接，进而将金属管材复合振动系统简化为一个二阶振动系统，并建立其数学模型，如图2所示。其中：k为金属管材的等效刚度，c为直线导轨与金属管材的等效阻尼，m为激振体质量，F₁、F₂为大偏心块提供的一对激振力，F₃、F₄为小偏心块提供的一对激振力。
图2 金属管材复合振动系统数学模型
Fig.2 Mathematical model of composite vibration system of metal pipe
1.2　金属管材复合振动方程的建立
根据图2所示的金属管材复合振动系统数学模型，建立该系统的振动方程：
md2xdt2+cdxdt+kx=F1+F2+F3+F4
(1)
偏心机构提供的激振力的合力Fm为：
Fm=4m1ω12d1sinω1t+4m2ω22d2sinω2t
(2)
式中：m₁、m₂为大、小偏心块单块的偏心质量；ω₁、ω₂为大、小偏心块的角速度；d₁、d₂为大、小偏心块的偏心距。
联立式(1)和式(2)可得：
md2xdt2+cdxdt+kx=4m1ω12d1sinω1t+4m2ω22d2sinω2t
(3)
令系统固有角速度ωn=km，阻尼比ξ=c2mk，则式(3)可以表示为：
d2xdt2+2ξωndxdt+ωn2x=4m1ω12d1msinω1t+4m2ω22d2msinω2t
(4)
方程(4)的通解为：
x=4m1d1ω12ωn2kωn2-ω122+2ωnω1ξ2sinω1t-φ1+R1e-2ξωntcosω1t-ϕ1+4m2d2ω22ωn2kωn2-ω222+2ωnω2ξ2sinω2t-φ2+R2e-2ξωntcosω2t-ϕ2
(5)
式中：ϕ1、 ϕ2表示系统振动时的初相位，φ1、φ2表示激励与响应的相位差，R1、R2表示待定系数。
式(5)所示金属管材振动方程通解由4项组成:等式右侧的第2项和第4项为衰减振动，仅在振动刚开始的较短时间内有意义，属于瞬态响应；等式右侧的第1项和第3项为持续的等幅振动，属于稳态响应。瞬态响应对金属管材持续的复合振动的影响较小，本文不作讨论，则金属管材受载振动时的系统振幅为：
x=4m1d1ω12ωn2kωn2-ω122+2ωnω1ξ2sinω1t-φ1+4m2d2ω22ωn2kωn2-ω222+2ωnω2ξ2sinω2t-φ2
(6)
令λ1=ωnω1，λ2=ωnω2，则式(6)可以表示为：
x=1λ12-12+2ξλ124m1d1ωn2ksinω1t-φ1+1λ22-12+2ξλ224m2d2ωn2ksinω2t-φ2
(7)
令
μ1=1λ12-12+2ξλ12
μ2=1λ22-12+2ξλ22
当λ1=1-2ξ2，即ω1=ωn1-2ξ2时，μ1取得最大值，此时大偏心块激振力产生的振幅达到最大；当λ2=1-2ξ2，即ω2=ωn1-2ξ2时，μ2取得最大值，此时小偏心块激振力产生的振幅达到最大。
综上可知，金属管材受载振动时的振幅大小主要与激振力的频率有关，当激振力的频率接近系统固有频率时，振动系统就会发生共振现象。金属管材受高低频复合振动载荷作用时，大偏心块激振力产生的振幅较大，小偏心块激振力产生的振幅较小。若小偏心块的振动频率由20 Hz变为40 Hz，同时大偏心块的振动频率由0 Hz变为40 Hz，可以得到如图3所示的金属管材复合振动系统振幅曲线。
图3 金属管材复合振动系统振幅曲线
Fig. 3 Amplitude curve of composite vibration system of metal pipe
为了验证金属管材受载时振动方程的正确性，在ANSYS中对该管材复合振动系统进行谐响应分析，旨在得到不同振动频率下金属管材复合振动系统振幅仿真曲线。大、小偏心块的振动频率变化与前文所述一致，通过设定相关参数和系统阻尼，得到金属管材复合振动系统振幅仿真曲线如图4所示。对比图3和图4可知，由于参数选取的原因，图形略有差别，但是金属管材复合振动系统振幅的变化趋势基本一致，验证了管材受载时振动方程的正确性。
图4 金属管材复合振动系统振幅仿真曲线
Fig. 4 Amplitude simulation curve of composite vibration system of metal pipe
1.3 金属管材复合振动频率控制曲线的建立
由断裂力学相关知识可知，对于预制V形切口的圆形金属管材，其裂纹萌生扩展需要满足：V形切口根部的应力强度因子差值ΔK大于疲劳裂纹扩展的阈值ΔK_th，即：
ΔK=YπeΔσ>ΔKth
(8)
式中：Y为裂纹几何因子，e为有效裂纹长度，Δσ为疲劳应力幅^[13]。
结合材料力学知识，可得：
Δσ=32ΔMDπD4-d4
(9)
式中：D和d分别为金属管材的外径和内径，ΔM为金属管材所受力矩。
根据金属管材振动系统应力比为-1，得ΔM为：
ΔM=Mmax-Mmin=2Fml
(10)
式中：M_max和M_min分别为金属管材所受的最大力矩和最小力矩，l为力臂的长度。
结合式(8)至式(10)可得：
Fm>πΔKthD4-d464DlYe
(11)
对于材料及尺寸确定的金属管材，当偏心机构提供的激振力满足式(11)时，V形切口根部的裂纹就会萌生扩展。1个转动周期内，低频部分偏心块提供的最大激振力为：
FLmax=4m160⋅2π⋅fL2d1
(12)
式中：f_L为低频振动频率。
将式(12)代入式(11)，可得：
fL>11920ππΔKthD4-d4m1d1DlYe
(13)
在满足式(13)所示条件下，可通过合理调整低频振动频率初始值大小，使得金属管材裂纹萌生扩展。同时，由文献[14]可知：金属管材V形切口根部的裂纹在线性递减的振动频率和逐渐增大的振幅下会快速平稳扩展。因此，金属管材的低频振动频率理论变化区间为低频振动频率初始值和系统共振频率之间，如图5所示。
图5 金属管材低频振动频率理论变化区间示意图
Fig. 5 Schematic diagram of theoretical variation range of low-frequency vibration frequency of metal pipe
根据上述理论分析计算，最终确定6061铝合金管的低频振动频率初始值为12 Hz；45钢管的低频振动频率初始值为18 Hz；304不锈钢管的低频振动频率初始值为20 Hz。在振动载荷中加入高频成分，f_H恒为30 Hz，则金属管材的复合振动频率控制曲线如图6所示。
图6 金属管材复合振动频率控制曲线
Fig. 6 Composite vibration frequency control curve of metal pipe
2 高低频复合振动实验装置
高低频复合振动实验装置由机械系统和计算机测控系统两部分组成，其机械系统三维结构如图7所示。齿轮箱中的齿轮和偏心机构通过特殊的工艺对称安装，偏心机构在2台变频电机驱动下产生的激振力在垂直方向上的分力大小相等、方向相反，可相互抵消；在水平方向上的分力大小相等、方向相同，可相互叠加产生高低频复合振动。在实验过程中，金属管材一端由定夹具固定，另一端在动模具处加载复合振动载荷。根据实验需求，可以通过变频器和调整偏心块错开角度来改变高低频复合振动载荷的频率和系统振幅^{[15,16,17,18]}。
图7 高低频复合振动实验装置机械系统三维结构简图
Fig.7 Three-dimensional structure diagram of mechanical system of high and low frequency composite vibration experimental device
注：1—小变频电机；2—小偏心机构；3—大偏心机构；4—齿轮箱；；5—大变频电机；6—滑轨
机械系统的驱动装置为2台变频三相交流异步电机，其中：大变频电机的型号为JMUS-160M2-2，额定转速为2 930 r/min，最大转矩为48.89 N·m；小变频电机的型号为JLUS-112M-2，额定转速为2 880 r/min，最大转矩为13.26 N·m。该驱动装置的最大空载振幅可以达到3.2 mm，最大设计激振力可达到10⁵ N，高、低频振动频率的调节范围分别为0~150 Hz和0~50 Hz。
计算机测控主要包括振动控制和过程监测两部分，如图8所示。计算机发出的模拟信号输入变频器，进而控制变频电机的转速，使得复合振动装置能够提供预定的振动频率。过程监测部分可以对振动过程中的主轴转速和系统振幅进行实时监测。
图8 高低频复合振动实验装置测控系统简图
Fig. 8 Measurement and control system diagram of high and low frequency composite vibration experiment device
3 金属管材振动疲劳断裂实验研究
3.1　实验材料
本文对预制相同V形切口的6061铝合金、45钢和304不锈钢管材进行振动疲劳断裂实验研究。实验用金属管材尺寸相同，其尺寸参数如图9所示，相关力学性能参数如表1所示。
图9 金属管材尺寸参数
Fig. 9 Dimensional parameters of metal pipe
表1 金属管材力学性能参数
Table 1 Mechanical property parameters of metal pipe
金属管
材材料
拉伸强度
R_m/MPa
屈服强度
R_e/MPa
弹性模量/
（N/m²）
泊松比
6061铝合金 205 120 6.90×10¹⁰ 0.330
45钢 600 355 2.09×10¹¹ 0.269
304不锈钢 520 205 1.90×10¹¹ 0.290

金属管材材料	拉伸强度 R_m/MPa	屈服强度 R_e/MPa	弹性模量/ （N/m²）	泊松比
6061铝合金	205	120	6.90×10¹⁰	0.330
45钢	600	355	2.09×10¹¹	0.269
304不锈钢	520	205	1.90×10¹¹	0.290

3.2　实验参数设置

本文的实验包括高、低频单频振动疲劳断裂实验和高低频复合振动疲劳断裂实验。其中，低频振动采用频率线性递减的振动载荷，频率变化率为2 Hz/min，高频振动采用恒定频率的振动载荷，复合振动则将两者叠加。金属管材振动疲劳断裂实验控制参数如表2所示。

表2 金属管材振动疲劳断裂实验控制参数

Table 2 Control parameters of vibration fatigue fracture experimental of metal pipe

金属管材材料	低频振动频率/Hz	高频振动频率/Hz	大变频电机转速/ （r/min）	小变频电机转速/ （r/min）
6061铝合金	8~12	30	480~720	1 800
45钢	15~18	30	900~1 080	1 800
304不锈钢	15~20	30	900~1 200	1 800

金属管材

材料

低频振动频率/Hz

高频振动频率/Hz

大变频电机转速/

（r/min）

小变频电机转速/

（r/min）

6061铝合金

8~12

480~720

1 800

45钢

15~18

900~1 080

1 800

304不锈钢

15~20

900~1 200

1 800

3.3　实验结果分析

3种金属管材在3种振动方式下各进行了5组实验，共获得了45组有效数据。不同振动载荷条件下疲劳断裂的金属管材如图10所示。

图10 不同振动方式下疲劳断裂的金属管材实物图

Fig.10 Physical diagram of fatigue fractured metal pipes under different vibration modes

为了对金属管材特殊断面的质量进行比较与分析，提出一种断面质量检测与评价方法。实验中得到的金属管材振动疲劳断裂典型断面如图11所示。其中，区域A为裂纹萌生和初步扩展区，由于V形切口的存在，可看作V形切口根部区域；区域B为裂纹稳定扩展区，断面相对平整；区域C为金属管材瞬断区，多表现为凸起或者凹陷，断面相对粗糙。为了避免金属管材加工及测量因素的影响，对每种金属管材在相应的振动方式下获得的5组实验数据求平均值，并计算相应的标准偏差，得到不同金属管材断面几何精度及断裂时间，如表3所示。

图11 金属管材振动疲劳断裂典型断面

Fig. 11 Typical section of vibration fatigue fractured metal pipe

表3 金属管材断面几何精度与断裂时间

Table 3 Section geometry accuracy and fracture time of metal pipes

金属管材材料	振动方式	断裂时间/s	凸起高度h₁/mm	凸起高度h₂/mm
6061 铝合金	低频振动	17.6±1.3	0.48±0.025	0.53±0.027
	高频振动	38.6±1.7	0.12±0.018	0.10±0.015
	复合振动	10.3±1.5	0.30±0.022	0.39±0.017
45钢	低频振动	45.5±2.1	0.37±0.020	0.39±0.016
	高频振动	76.1±4.2	0.07±0.017	0.07±0.012
	复合振动	32.2±3.3	0.19±0.019	0.22±0.018
304不锈钢	低频振动	53.3±2.7	0.21±0.017	0.27±0.022
	高频振动	97.6±5.1	0.05±0.015	0.04±0.013
	复合振动	37.4±3.1	0.14±0.017	0.12±0.014

实验结果表明：在不同振动方式下，3种金属管材都会在承受振动载荷的V形切口根部萌生裂纹并向内部扩展，裂纹萌生区与稳定扩展区占断面绝大部分面积；复合振动载荷大幅降低了金属管材的疲劳强度，缩短了断裂时间。同时，低频振动载荷作用下裂纹能够快速萌生，叠加了高频振动载荷后裂纹扩展过程更加平稳，极大地减小了管材瞬断区面积。此外，由于管材从V形切口根部断裂，使得断面自带倒角，断面平整度更高。

4 结论
1) 通过自行研制高低频复合振动实验装置并进行金属管材的复合振动特性分析，提出一种可以提高管材裂纹萌生速率与扩展稳定性的复合振动频率控制曲线。
2) 针对振动载荷下金属管材的断面特点，提出一种新的管材断面质量检测与评价方法。对实验中断裂的金属管材进行比较与分析发现，相比单一低频振动载荷，叠加了高频振动载荷后金属管材的瞬断区更小，断面平整度更高。
3) 考虑到高低频复合振动载荷的交互作用，在金属管材结构的抗疲劳设计中，应将其振动应力水平控制在比仅考虑单一振动载荷时更低的范围内。
参考文献
- 1
  杨专钊,刘道新,张晓化.含不同深度球形缺陷钢管应力集中系数的有限元分析[J].机械工程材料,2013,37(8):90-94.
  YANG Zhuan-zhao, LIU Dao-xin, ZHANG Xiao-hua. Finite element analysis of the stress concentration factor of sphere defect in various depths on pipeline[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2013, 37(8): 90-94.
- 2
  章刚,刘军,刘永寿,等.表面粗糙度对表面应力集中系数和疲劳寿命影响分析[J].机械强度,2010,32(1):110-115.
  ZHANG Gang, LIU Jun, LIU Yong-shou, el al. Effect of roughness on surface stress concentration factor and fatigue life[J]. Journal of Mechanical Strength, 2010, 32(1): 110-115.
- 3
  刘文光,陈国平,贺红,等.结构振动疲劳研究综述[J].工程设计学报,2012,19(1):1-8,24. doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2012.01.001
  LIU Wen-guang, CHEN Guo-ping, HE Hong, et al. Review of studying on vibration fatigue[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2012, 19(1):1-8, 24.
- 4
  张战英,樊亚军,林劭华,等.TC4管材校直过程断裂原因分析[J].热加工工艺,2015,44(1):245-247. doi:10.14158/j.cnki.1001-3814.2015.01.076
  ZHANG Zhan-ying, FAN Ya-jun, LIN Shao-hua, et al. Fracture reason analysis of TC4 pipe in straightening process[J]. Hot Working Technology, 2015, 44(1): 245-247.
- 5
  HUA C J, ZHAO S D, ZHANG L J, et al. Investigation of a new-type precision cropping system with variable-frequency vibration[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2006, 48(12): 1333-1340.doi:10.1016/j.ijmecsci.2006.08.010
- 6
  张立军,赵升吨.恒幅载荷下棒料V型槽尖端裂纹起始寿命的估算[J].塑性工程学报,2008,15(5):73-77.
  ZHANG Li-jun, ZHAO Sheng-dun. Estimation of initial life of V shaped notch tip crack under constant amplitude load[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2008, 15(5): 73-77.
- 7
  ZHANG L J, ZHAO S D, LEI J, et al. Investigation on the bar clamping position of a new type of precision cropping system with variable frequency vibration[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2007, 47(7): 1125-1131. doi:10.1016/j.ijmachtools.2006.09.003
- 8
  胡海涛,李玉龙,索涛,等.2024铝合金振动疲劳特性及断口分析[J].航空材料学报,2013,33(4):78-83. doi:10.3969/j.issn.1005-5053.2013.4.014
  HU Hai-tao, LI Yu-long, SUO Tao, et al. Vibration fatigue and fracture performance of aluminum alloy 2024[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2013, 33(4): 78-83.
- 9
  赵振华,陈伟.高低周复合载荷对TC11钛合金疲劳性能的影响[J].航空动力学报,2011,26(11):2469-2474.
  ZHAO Zhen-hua, CHEN Wei. Effect of combined cycle load upon the fatigue performance of titanium alloy TC11[J]. Journal of Aerospace Power, 2011, 26(11): 2469-2474.
- 10
  杨大鹏,张雪艳,赵辉,等.疲劳载荷循环比与频率对裂纹扩展速率的影响[J].武汉大学学报（工学版）,2013,46(1):133-136.
  YANG Da-peng, ZHANG Xue-yan, ZHAO Hui, et al. Impacts of recycle ratio and frequency of fatigue loads on crack propagation rate[J]. Engineering Journal of Wuhan University, 2013, 46(1): 133-136.
- 11
  陈亚军,王先超,王付胜,等.不同应力幅比加载下2A12铝合金的多轴疲劳性能[J].材料工程,2017,45(9):137-142. doi:10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000817
  CHEN Ya-jun, WANG Xian-chao, WANG Fu-sheng, et al. Multiaxial fatigue properties of 2A12 aluminum alloy under different stress amplitude ratio loadings[J]. Journal of Materials Engineering, 2017, 45(9): 137-142.
- 12
  王时越,李建云,刘其勇.高低周复合载荷下的P-S-N曲线研究[J].昆明理工大学学报（理工版）,2006,31(2):90-92. doi:10.3969/j.issn.1007-855X.2006.02.021
  WANG Shi-yue, LI Jian-yun, LIU Qi-yong. Investigation of P-S-N curve under high-low cycle complex loading[J]. Journal of Kunming University of Science and Technology(Science and Technology), 2006, 31(2): 90-92.
- 13
  赵仁峰,赵升吨,钟斌,等.低周疲劳精密下料新工艺及实验研究[J].机械工程学报,2012,48(24):38-43. doi:10.3901/JME.2012.24.038
  ZHAO Ren-feng, ZHAO Sheng-dun, ZHONG Bin, et al. Experimental study on new low cycle fatigue precision cropping process[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2012, 48(24): 38-43.
- 14
  ZHANG L J, ZHAO S D, HUA C J, et al. Investigation on a new type of low-stress cropping system with variable frequency vibration[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2008, 36: 288-295. doi:10.1007/s00170-006-0846-2
- 15
  化春键,袁浩,陆云健.一种基于高低频振动载荷加载的下料方法:CN201610835083.5[P].2017-03-08.
  HUA Chun-jian, YUAN Hao, LU Yun-jian. A feeding method based on high and low frequency vibration load: CN201610835083.5[P]. 2017-03-08.
- 16
  化春键,袁浩,陆云健.单自由度高低频复合激振装置:CN201610835845.1[P].2017-01-25.
  HUA Chun-jian, YUAN Hao, LU Yun-jian. Single degree of freedom high and low frequency complex excitation device: CN 201610835845.1[P]. 2017-01-25.
- 17
  化春键,袁浩,陆云健.一种高低频激振器适用齿轮箱:CN201610835856.X[P].2016-12-21.
  HUA Chun-jian, YUAN Hao, LU Yun-jian. A high and low frequency vibration gear trial gear-box: CN201610835856.X[P]. 2016-12-21.
- 18
  化春键,袁浩,陆云健.一种可多级调节对称偏心机构:CN201610835857.4[P].2016-12-07.
  HUA Chun-jian, YUAN Hao, LU Yun-jian. A multi-level adjustable symmetrical eccentric mechanism: CN 201610835857.4[P]. 2016-12-07.

基本信息

DOI:10.3785/j.issn.1006⁃754X.2019.02.014

中图分类号: TG 111.91

文献标识码: A

引用信息

化春键,王超凡,陆云健.基于高低频复合振动的金属管材断裂行为研究[J].工程设计学报,2019,26(02):223-229.

HUA Chun-jian,WANG Chao-fan,LU Yun-jian.Research on fracture behavior of metal pipe based on high and low frequency composite vibration[J].ELECTRIC DRIVE,2019,26(02):223-229.

基金信息

国家自然科学基金资助项目(61573168)；中央高校基本科研业务费专项基金资助项目(JUSRP11008)

稿件历史

纸刊出版 : 2019-04-28
收稿日期 : 2018-07-30

化春键

机构：

1. 江南大学机械工程学院，江苏无锡 214122

2. 江南大学江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏无锡 214122

Affiliation：

1. School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

2. Jiangsu Key Laboratory of Advarced Food Manufacturing Equipment ＆ Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

邮箱：cjhua@jiangnan.edu.cn

作者简介：化春键(1975—)，男，北京人，副教授，博士，从事金属棒料、管材分离方法与机器视觉研究，E-mail:cjhua@jiangnan.edu.cn,https://orcid.org/0000-0001-5397-2688

王超凡

机构：

1. 江南大学机械工程学院，江苏无锡 214122

2. 江南大学江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏无锡 214122

Affiliation：

1. School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

2. Jiangsu Key Laboratory of Advarced Food Manufacturing Equipment ＆ Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

陆云健

机构：

1. 江南大学机械工程学院，江苏无锡 214122

2. 江南大学江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏无锡 214122

Affiliation：

1. School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

2. Jiangsu Key Laboratory of Advarced Food Manufacturing Equipment ＆ Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

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金属管材材料	拉伸强度 R_m/MPa	屈服强度 R_e/MPa	弹性模量/ （N/m²）	泊松比
6061铝合金	205	120	6.90×10¹⁰	0.330
45钢	600	355	2.09×10¹¹	0.269
304不锈钢	520	205	1.90×10¹¹	0.290

金属管

材材料

拉伸强度

R_m/MPa

屈服强度

R_e/MPa

弹性模量/

（N/m²）

泊松比

6061铝合金

205

120

6.90×10¹⁰

0.330

45钢

600

355

2.09×10¹¹

0.269

304不锈钢

520

205

1.90×10¹¹

0.290

金属管材材料	低频振动频率/Hz	高频振动频率/Hz	大变频电机转速/ （r/min）	小变频电机转速/ （r/min）
6061铝合金	8~12	30	480~720	1 800
45钢	15~18	30	900~1 080	1 800
304不锈钢	15~20	30	900~1 200	1 800

金属管材

材料

低频振动频率/Hz

高频振动频率/Hz

大变频电机转速/

（r/min）

小变频电机转速/

（r/min）

6061铝合金

8~12

480~720

1 800

45钢

15~18

900~1 080

1 800

304不锈钢

15~20

900~1 200

1 800

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金属管材材料	振动方式	断裂时间/s	凸起高度h₁/mm	凸起高度h₂/mm
6061 铝合金	低频振动	17.6±1.3	0.48±0.025	0.53±0.027
	高频振动	38.6±1.7	0.12±0.018	0.10±0.015
	复合振动	10.3±1.5	0.30±0.022	0.39±0.017
45钢	低频振动	45.5±2.1	0.37±0.020	0.39±0.016
	高频振动	76.1±4.2	0.07±0.017	0.07±0.012
	复合振动	32.2±3.3	0.19±0.019	0.22±0.018
304不锈钢	低频振动	53.3±2.7	0.21±0.017	0.27±0.022
	高频振动	97.6±5.1	0.05±0.015	0.04±0.013
	复合振动	37.4±3.1	0.14±0.017	0.12±0.014

图1 金属管材复合振动系统示意图

Fig.1 Schematic diagram of composite vibration system of metal pipe

图2 金属管材复合振动系统数学模型

Fig.2 Mathematical model of composite vibration system of metal pipe

图3 金属管材复合振动系统振幅曲线

Fig. 3 Amplitude curve of composite vibration system of metal pipe

图4 金属管材复合振动系统振幅仿真曲线

Fig. 4 Amplitude simulation curve of composite vibration system of metal pipe

图5 金属管材低频振动频率理论变化区间示意图

Fig. 5 Schematic diagram of theoretical variation range of low-frequency vibration frequency of metal pipe

图6 金属管材复合振动频率控制曲线

Fig. 6 Composite vibration frequency control curve of metal pipe

图7 高低频复合振动实验装置机械系统三维结构简图

Fig.7 Three-dimensional structure diagram of mechanical system of high and low frequency composite vibration experimental device

图8 高低频复合振动实验装置测控系统简图

Fig. 8 Measurement and control system diagram of high and low frequency composite vibration experiment device

图9 金属管材尺寸参数

Fig. 9 Dimensional parameters of metal pipe

表1 金属管材力学性能参数

Table 1 Mechanical property parameters of metal pipe

表2 金属管材振动疲劳断裂实验控制参数

Table 2 Control parameters of vibration fatigue fracture experimental of metal pipe

图10 不同振动方式下疲劳断裂的金属管材实物图

Fig.10 Physical diagram of fatigue fractured metal pipes under different vibration modes

图11 金属管材振动疲劳断裂典型断面

Fig. 11 Typical section of vibration fatigue fractured metal pipe

表3 金属管材断面几何精度与断裂时间

Table 3 Section geometry accuracy and fracture time of metal pipes



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无注解

1—小变频电机；2—小偏心机构；3—大偏心机构；4—齿轮箱；；5—大变频电机；6—滑轨

无注解

参考文献

1
杨专钊,刘道新,张晓化.含不同深度球形缺陷钢管应力集中系数的有限元分析[J].机械工程材料,2013,37(8):90-94.
YANG Zhuan-zhao, LIU Dao-xin, ZHANG Xiao-hua. Finite element analysis of the stress concentration factor of sphere defect in various depths on pipeline[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2013, 37(8): 90-94.
2
章刚,刘军,刘永寿,等.表面粗糙度对表面应力集中系数和疲劳寿命影响分析[J].机械强度,2010,32(1):110-115.
ZHANG Gang, LIU Jun, LIU Yong-shou, el al. Effect of roughness on surface stress concentration factor and fatigue life[J]. Journal of Mechanical Strength, 2010, 32(1): 110-115.
3
刘文光,陈国平,贺红,等.结构振动疲劳研究综述[J].工程设计学报,2012,19(1):1-8,24. doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2012.01.001
LIU Wen-guang, CHEN Guo-ping, HE Hong, et al. Review of studying on vibration fatigue[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2012, 19(1):1-8, 24.
4
张战英,樊亚军,林劭华,等.TC4管材校直过程断裂原因分析[J].热加工工艺,2015,44(1):245-247. doi:10.14158/j.cnki.1001-3814.2015.01.076
ZHANG Zhan-ying, FAN Ya-jun, LIN Shao-hua, et al. Fracture reason analysis of TC4 pipe in straightening process[J]. Hot Working Technology, 2015, 44(1): 245-247.
5
HUA C J, ZHAO S D, ZHANG L J, et al. Investigation of a new-type precision cropping system with variable-frequency vibration[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2006, 48(12): 1333-1340.doi:10.1016/j.ijmecsci.2006.08.010
6
张立军,赵升吨.恒幅载荷下棒料V型槽尖端裂纹起始寿命的估算[J].塑性工程学报,2008,15(5):73-77.
ZHANG Li-jun, ZHAO Sheng-dun. Estimation of initial life of V shaped notch tip crack under constant amplitude load[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2008, 15(5): 73-77.
7
ZHANG L J, ZHAO S D, LEI J, et al. Investigation on the bar clamping position of a new type of precision cropping system with variable frequency vibration[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2007, 47(7): 1125-1131. doi:10.1016/j.ijmachtools.2006.09.003
8
胡海涛,李玉龙,索涛,等.2024铝合金振动疲劳特性及断口分析[J].航空材料学报,2013,33(4):78-83. doi:10.3969/j.issn.1005-5053.2013.4.014
HU Hai-tao, LI Yu-long, SUO Tao, et al. Vibration fatigue and fracture performance of aluminum alloy 2024[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2013, 33(4): 78-83.
9
赵振华,陈伟.高低周复合载荷对TC11钛合金疲劳性能的影响[J].航空动力学报,2011,26(11):2469-2474.
ZHAO Zhen-hua, CHEN Wei. Effect of combined cycle load upon the fatigue performance of titanium alloy TC11[J]. Journal of Aerospace Power, 2011, 26(11): 2469-2474.
10
杨大鹏,张雪艳,赵辉,等.疲劳载荷循环比与频率对裂纹扩展速率的影响[J].武汉大学学报（工学版）,2013,46(1):133-136.
YANG Da-peng, ZHANG Xue-yan, ZHAO Hui, et al. Impacts of recycle ratio and frequency of fatigue loads on crack propagation rate[J]. Engineering Journal of Wuhan University, 2013, 46(1): 133-136.
11
陈亚军,王先超,王付胜,等.不同应力幅比加载下2A12铝合金的多轴疲劳性能[J].材料工程,2017,45(9):137-142. doi:10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000817
CHEN Ya-jun, WANG Xian-chao, WANG Fu-sheng, et al. Multiaxial fatigue properties of 2A12 aluminum alloy under different stress amplitude ratio loadings[J]. Journal of Materials Engineering, 2017, 45(9): 137-142.
12
王时越,李建云,刘其勇.高低周复合载荷下的P-S-N曲线研究[J].昆明理工大学学报（理工版）,2006,31(2):90-92. doi:10.3969/j.issn.1007-855X.2006.02.021
WANG Shi-yue, LI Jian-yun, LIU Qi-yong. Investigation of P-S-N curve under high-low cycle complex loading[J]. Journal of Kunming University of Science and Technology(Science and Technology), 2006, 31(2): 90-92.
13
赵仁峰,赵升吨,钟斌,等.低周疲劳精密下料新工艺及实验研究[J].机械工程学报,2012,48(24):38-43. doi:10.3901/JME.2012.24.038
ZHAO Ren-feng, ZHAO Sheng-dun, ZHONG Bin, et al. Experimental study on new low cycle fatigue precision cropping process[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2012, 48(24): 38-43.
14
ZHANG L J, ZHAO S D, HUA C J, et al. Investigation on a new type of low-stress cropping system with variable frequency vibration[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2008, 36: 288-295. doi:10.1007/s00170-006-0846-2
15
化春键,袁浩,陆云健.一种基于高低频振动载荷加载的下料方法:CN201610835083.5[P].2017-03-08.
HUA Chun-jian, YUAN Hao, LU Yun-jian. A feeding method based on high and low frequency vibration load: CN201610835083.5[P]. 2017-03-08.
16
化春键,袁浩,陆云健.单自由度高低频复合激振装置:CN201610835845.1[P].2017-01-25.
HUA Chun-jian, YUAN Hao, LU Yun-jian. Single degree of freedom high and low frequency complex excitation device: CN 201610835845.1[P]. 2017-01-25.
17
化春键,袁浩,陆云健.一种高低频激振器适用齿轮箱:CN201610835856.X[P].2016-12-21.
HUA Chun-jian, YUAN Hao, LU Yun-jian. A high and low frequency vibration gear trial gear-box: CN201610835856.X[P]. 2016-12-21.
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化春键,袁浩,陆云健.一种可多级调节对称偏心机构:CN201610835857.4[P].2016-12-07.
HUA Chun-jian, YUAN Hao, LU Yun-jian. A multi-level adjustable symmetrical eccentric mechanism: CN 201610835857.4[P]. 2016-12-07.

基于高低频复合振动的金属管材断裂行为研究

Research on fracture behavior of metal pipe based on high and low frequency composite vibration

摘要

Abstract

关键词

Keywords

1 金属管材复合振动特性分析

1.1　金属管材复合振动系统数学模型的建立

1.2　金属管材复合振动方程的建立

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

1.3 金属管材复合振动频率控制曲线的建立

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

2 高低频复合振动实验装置

3 金属管材振动疲劳断裂实验研究

3.1　实验材料

3.2　实验参数设置

3.3　实验结果分析

4 结论

参考文献

基本信息

引用信息

基金信息

稿件历史

参考文献

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基于高低频复合振动的金属管材断裂行为研究

Research on fracture behavior of metal pipe based on high and low frequency composite vibration

摘要

Abstract

关键词

Keywords

1 金属管材复合振动特性分析

1.1 金属管材复合振动系统数学模型的建立

1.2 金属管材复合振动方程的建立

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

1.3 金属管材复合振动频率控制曲线的建立

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

2 高低频复合振动实验装置

3 金属管材振动疲劳断裂实验研究

3.1 实验材料

3.2 实验参数设置

3.3 实验结果分析

4 结论

参考文献

基本信息

引用信息

基金信息

稿件历史

参考文献

1.1　金属管材复合振动系统数学模型的建立

1.2　金属管材复合振动方程的建立

3.1　实验材料

3.2　实验参数设置

3.3　实验结果分析