原位面內雙軸疲勞試驗系統的研製與套用

《原位面內雙軸疲勞試驗系統的研製與套用》是依託天津大學，由陳剛擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：原位面內雙軸疲勞試驗系統的研製與套用
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳剛
• 依託單位：天津大學

項目摘要

以原位面內雙軸拉壓疲勞試驗機為研究對象，重點開發以DSP為處理器的兩軸控制器，完成採集、控制、通信、驅動等疲勞試驗機控制器的全部功能。編制專用試驗軟體，可進行包括拉伸、壓縮、彎曲、剪下、剝離、蠕變、應力松馳以及低周疲勞和高周疲勞在內的各類試驗。研製微型雙軸拉壓疲勞載入裝置，該裝置具有體積小、回響快、精度高、成本低、噪聲小等特點，可方便的結合掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）、顯微鏡、X射線或中子衍射等微觀結構表征手段構成原位測量系統。利用原位雙軸拉壓試驗系統對304不鏽鋼進行單軸拉伸、棘輪變形、多軸比例和非比例循環載入試驗，使用SEM線上觀測材料受載荷作用時裂紋的萌生、擴展路徑和擴展速率，分析微裂紋、微結構演化對材料斷裂失效的影響，研究載入路徑對材料疲勞失效作用的微觀機理。本項目的研究填補了多項國內空白，對於材料科學、力學、航天航空、核工程、生物工程等研究具有重要的科學意義和套用價值。

結題摘要

認識疲勞破壞形式與機理已經成為現代工業生產和科學研究中的一個重要課題。由於缺乏原位線上多軸疲勞試驗裝置，使探究材料在複雜受力下發生損傷失效的微觀機理變得非常困難。本項目擬研製一套原位面內雙軸疲勞試驗系統，包括研發多軸動態控制器、編制試驗軟體、設計並試製面內雙軸載入裝置，實現靜態拉伸、壓縮、疲勞等不同載入方式，為評估材料在多軸載荷下發生疲勞損傷加速的微觀機制提供條件。項目取得的重要成果如下：開發完成的雙軸動態控制器採用多DSP分散式架構，具有電源管理、採集、信號調理、通信、控制、驅動等各類模組。兩個控制通道實現了高精度的協同運動控制，可進行複雜的多軸比例與非比例載入。基於資料庫與多執行緒技術，運用模組化設計方法，成功編制了試驗軟體系統，除了可進行多軸低周疲勞的試驗設定外，軟體還可實現包括拉伸、壓縮、蠕變、應力松馳、循環複雜塊波在內的各類試驗。通過傳動設計、電機選型、感測器選型、結構設計、零件加工、組裝、整機調試等幾個階段，完成了三台不同載荷量程及套用範圍的原位雙軸載入裝置的試製。實測結果表明，開發完成的多軸試驗系統具有雙軸對稱載入功能，能方便地結合掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）、顯微鏡、X 射線或中子衍射等微觀結構表征手段構成原位測量系統，具有體積小、回響快、精度高、成本低、噪聲小、可擴展性強等特點。利用原位多軸疲勞試驗系統對燃料電池膜、超濾膜等十字形試件進行了雙軸拉伸、棘輪變形、多軸比例和非比例循環載入試驗，發現載入路徑對材料的循環力學性能以及棘輪變形均有明顯影響。同時，試驗結果驗證了所開發的原位雙軸試驗系統完全滿足材料性能測試的要求。本項目的研究填補了多項國內空白，對於材料科學、力學、航天航空、核工程、生物工程等研究具有重要的科學意義和套用價值。