扭轉-豎向疲勞雙軸/三軸試驗系統

     扭轉-豎向疲勞雙軸/三軸試驗系統是用于研究材料（如金屬、復合材料、巖土體）在復雜多軸循環荷載下疲勞特性、累積損傷及失效機制的試驗設備。該系統通過獨立控制扭轉與軸向荷載，模擬實際工程中的復合受力狀態（如傳動軸、樁基、渦輪葉片等）。以下是系統的技術架構、核心功能及典型試驗方法：

　　1. 系統組成與核心模塊

　　（1）加載框架與驅動單元

　　 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/隨機波形）。

　　– 扭轉作動器：獨立扭矩輸出±1000Nm/±2000Nm/±3000Nm，轉角±90°，頻率0.01~30Hz。（正弦/隨機波形）。

　　 三軸擴展（選配）：

　　– 增加圍壓艙（壓力0~50MPa），實現真三軸應力狀態（σ1≠σ2≠σ3）。

　　（2）關鍵傳感器與測量系統

　　（3）環境模擬單元（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。

　　 腐蝕介質循環：模擬酸雨、海水等侵蝕環境（pH 2~12，流量可調）。

　　2. 試驗模式與加載策略

　　（1）復合加載波形

　　 相位控制：

　　– 同相位（軸向拉伸+扭轉）、反相位（軸向壓縮+扭轉）或任意相位差（0~360°）。

　　 波形組合：

　　– 軸向：三角波/方波；扭轉：正弦波/梯形波（支持自定義時程導入）。

　　（2）典型試驗標準

　　（3）損傷評估方法

　　 能量法：計算每循環耗散能（滯回環面積）。

　　 臨界平面法：結合剪切應變幅與法向應力（Fatemi-Socie模型）。

　　 數字圖像相關（DIC）：全場應變分析，定位應變集中區。

　　3. 控制系統與數據采集

　　 硬件平臺：

　　– 基于DOLI或NI PXIe-8840，實現多通道同步控制（時延<10μs）。

　　 軟件功能：

　　– 實時調整PID參數，抑制軸向-扭轉耦合振動。

　　– 自動觸發停機條件（如軸向位移突增5%、扭矩下降20%）。

　　 數據輸出：

　　– 生成S-N曲線（應力幅-壽命）、裂紋擴展速率da/dN，以及三維損傷演化云圖。

　　4. 典型應用案例

　　1. 風電主軸疲勞：

　　– 模擬啟停工況（軸向拉壓±200kN + 扭轉±1500Nm，頻率2Hz），預測10^6次循環壽命。

　　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）復合作用下的累積塑性變形。

　　3. 鈦合金生物植入物：

　　– 體液環境中（37℃, pH=7.4）的多軸微動疲勞測試（軸向±50N，扭轉±0.5°）。

　　5. 安全與校準

　　 機械保護：

　　– 液壓過載保護（110%額定荷載自動卸荷），緊急氣動制動。

　　 定期校準：

　　– 軸向力：JJG 621-2012（標準測力儀）。

　　– 扭矩：JJG 269-2006（標準扭矩扳手）。

　　– 位移：激光干涉儀（ISO 9513）。