原位面内双轴疲劳试验系统的研制与应用

以原位面内双轴拉压疲劳试验机为研究对象，重点开发以DSP为处理器的两轴控制器，完成采集、控制、通信、驱动等疲劳试验机控制器的全部功能。编制专用试验软件，可进行包括拉伸、压缩、弯曲、剪切、剥离、蠕变、应力松驰以及低周疲劳和高周疲劳在内的各类试验。研制微型双轴拉压疲劳加载装置，该装置具有体积小、响应快、精度高、成本低、噪声小等特点，可方便的结合扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、显微镜、X射线或中子衍射等微观结构表征手段构成原位测量系统。利用原位双轴拉压试验系统对304不锈钢进行单轴拉伸、棘轮变形、多轴比例和非比例循环加载试验，使用SEM在线观测材料受载荷作用时裂纹的萌生、扩展路径和扩展速率，分析微裂纹、微结构演化对材料断裂失效的影响，研究加载路径对材料疲劳失效作用的微观机理。本项目的研究填补了多项国内空白，对于材料科学、力学、航天航空、核工程、生物工程等研究具有重要的科学意义和应用价值。

认识疲劳破坏形式与机理已经成为现代工业生产和科学研究中的一个重要课题。由于缺乏原位在线多轴疲劳试验装置，使探究材料在复杂受力下发生损伤失效的微观机理变得非常困难。本项目拟研制一套原位面内双轴疲劳试验系统，包括研发多轴动态控制器、编制试验软件、设计并试制面内双轴加载装置，实现静态拉伸、压缩、疲劳等不同加载方式，为评估材料在多轴载荷下发生疲劳损伤加速的微观机制提供条件。项目取得的重要成果如下：开发完成的双轴动态控制器采用多DSP分布式架构，具有电源管理、采集、信号调理、通信、控制、驱动等各类模块。两个控制通道实现了高精度的协同运动控制，可进行复杂的多轴比例与非比例加载。基于数据库与多线程技术，运用模块化设计方法，成功编制了试验软件系统，除了可进行多轴低周疲劳的试验设置外，软件还可实现包括拉伸、压缩、蠕变、应力松驰、循环复杂块波在内的各类试验。通过传动设计、电机选型、传感器选型、结构设计、零件加工、组装、整机调试等几个阶段，完成了三台不同载荷量程及应用范围的原位双轴加载装置的试制。实测结果表明，开发完成的多轴试验系统具有双轴对称加载功能，能方便地结合扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、显微镜、X 射线或中子衍射等微观结构表征手段构成原位测量系统，具有体积小、响应快、精度高、成本低、噪声小、可扩展性强等特点。利用原位多轴疲劳试验系统对燃料电池膜、超滤膜等十字形试件进行了双轴拉伸、棘轮变形、多轴比例和非比例循环加载试验，发现加载路径对材料的循环力学性能以及棘轮变形均有明显影响。同时，试验结果验证了所开发的原位双轴试验系统完全满足材料性能测试的要求。本项目的研究填补了多项国内空白，对于材料科学、力学、航天航空、核工程、生物工程等研究具有重要的科学意义和应用价值。