(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 202210789414.1 (22)申请日 2022.07.06 (71)申请人 吉林大学 地址 130012 吉林省长 春市前进大街269 9 号 (72)发明人 段彬　朱柏荣　邓子豪　苏清萍　 王崇百　李竹　郑佩琳　王赞昆　 易维云　吴豪　郭莹　戴奇轩　 唐缙岚　张昊雯　 (74)专利代理 机构 长春市恒誉 专利代理事务所 (普通合伙) 22212 专利代理师 梁紫钺 (51)Int.Cl. G01N 3/02(2006.01) G01N 3/06(2006.01)G01N 3/38(2006.01) (54)发明名称 一种基于电磁力和共振方程的疲劳曲线测 定装置和方法 (57)摘要 本发明提供一种基于电磁力和共振方程的 疲劳曲线测定装置和方法， 所述的疲劳曲线测定 装置包括架体、 三爪卡盘、 尾座、 电磁力加载组 件、 电源控制模块、 示波器、 应变传感器， 本发明 提供的测量装置操作 简单便捷； 依据共振和电磁 力的原理， 利用计算机技术， 可直接计算出初次 试验所需要接通的电流幅值， 可根据实际工况条 件下试件承受载荷的波形和频率调整试验加载 的载荷和频率， 即可控制试件固有频率大小， 使 试验结果更接近实际工况， 得到的数据更符合实 际情况； 使用应变片传感器直接得到应力图， 结 果更加准确； 本发明在原理控制、 数据处理和结 果精确度方面都有较大的提升， 进一步提高了数 据的可信度。 权利要求书3页 说明书9页 附图3页 CN 115165534 A 2022.10.11 CN 115165534 A 1.一种基于电磁力和共振方程的疲劳曲线测定装置， 其他特征有： 包括架体、 三爪卡 盘、 尾座、 电磁力加载组件、 电源控制模块、 示波器、 应变传感器， 所述的架体上部设有尾座 滑轨， 两侧分别设有侧滑轨； 三爪卡盘固定在架体的一端， 尾座设在尾座滑轨上， 与尾座滑 轨滑动连接； 三爪卡盘与尾座相对设置， 被测试件固定在三爪卡盘与尾座之 间； 两组电磁力 加载组件分别 设在架体两侧的侧滑轨上， 与侧滑轨滑动连接， 两组电磁力加载组件的励磁 线圈相对设置， 位于被测试件的两侧； 电源控制模块、 示波器设在架体的一端， 电磁力加载 组件通过导线与电源控制模块相连； 应变传感器设在被测试件上， 并通过导线与示波器相 连。 2.根据权利要求1所述的一种基于电磁力和共振方程的疲劳曲线测定装置， 其他特征 有： 所述的电磁力加载 组件包括组件本体、 滑 块、 固定阀、 铁 芯和励磁线圈， 组件本体的下端 分别设有滑块和固定阀， 通过滑块与架体两侧的侧滑轨滑动连接， 通过旋拧固定阀将电磁 力加载组件固定在侧滑轨上； 所述的固定阀内部为锁紧螺钉， 锁紧螺钉横穿组件本体， 从滑 块端穿出； 滑块上设有阻尼孔， 架体的侧滑轨旁设有阻尼丝杠， 阻尼孔套设在阻尼丝杠上； 铁芯设在组件本体上部的一侧， 励磁线圈绕设在铁芯上形成电磁铁； 励磁线圈通过导线与 电源控制模块的电源正负极相连。 3.根据权利要求1所述的一种基于电磁力和共振方程的疲劳曲线测定装置， 其他特征 有： 所述的电源控制模块包括电源、 电源控制芯片、 电流幅值显示屏、 电流波 形显示屏、 电流 幅值调节钮、 电流波形调节钮、 电流信号输出键和电源正负极， 电流幅值显示屏、 电流波形 显示屏、 电流幅值调节钮、 电流波形调节钮、 电流信号输出键分别与电源控制芯片相连， 可 调节电源输出电流幅值大小和输出波形； 电源控制芯片与电源相连， 电源正负极与电源相 连。 4.根据权利要求1所述的一种基于电磁力和共振方程的疲劳曲线测定装置， 其他特征 有： 所述的应变传感器包括四个等阻值的应变片， 四个应变片采用桥式电路全桥接法在被 测试件表面进行布置 。 5.一种基于电磁力和共振方程的疲劳曲线测定方法， 其特征在于： 利用权利要求1 ‑4任 一所述的一种基于电磁力和共 振方程的疲劳曲线测定装置进行测定， 操作步骤如下： (1)试验前数据准备： 查询被测试件应用工况的载荷频率和载荷波形， 测量试件弹性模 量E， 根据式： 选择试件长度L以及试件截面尺寸， 计算惯性矩并记录； 式中， ωr为固有频率,单位为 rad/s； r为固有 频率的阶数； E为材料的弹性模量， 单位为MPa； L为被测试件长度， 单位为m； m 为单位长度梁的质量， 单位 为kg/m； IZ为试件截面的惯性矩， 单位 为m4； 预备一定数目满足上式的待测试件， 运用式： 权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115165534 A 2估算需要电流幅值的大小； 式中， σb为静载下的强度极限(若是塑性材料则为屈服极 限)， 单位为MPa； W为抗弯截面系数， 单位为m3； b为气隙长度； μ0为真空磁导率； S0为空气隙面 积； N为励磁线圈的匝数； x为施力位置坐标值， 单位 为m， 此处取 (2)安装被测试件： 移动尾座在尾座滑轨上的位置， 在三爪卡盘和尾座之间安装被测试 件， 通过旋拧三爪卡盘的锁紧孔和旋紧尾座上的锁紧阀来 安装并夹紧被测试件； (3)调整电磁力加载组件的位置： 通过调整电磁力加载组件在侧滑轨上的位置， 使电磁 力加载组件的励磁线圈位置 处于被测试件 处， 并通过旋紧固定阀固定电磁力加载组 件的位置， 将电磁力加载组件的导线连接 至电源控制模块的正负极接口； (4)布置应 变传感器： 运用式： 计算第一个峰值点的坐标， 将应变传感器四个应变片采用桥式电路全桥接法安装在被 测试件表面上的第一个峰值点处， 将 应变传感器输出电压两端的接线柱与示波器的数据接 口相连， 实现电压信号的传输； 应 变传感器电桥平衡条件： R1＝R2＝R3＝R4＝R 式中， R1、 R2、 R3、 R4分别为四个 应变片,R为电阻值， 单位 为Ω； (5)连接示波器： 将示波器与上位机相连， 接通示波器的电源， 打开上位机， 进行数据传 输和储存； (6)输出波形： 调 节电源控制模块的电流波形调 节钮选择输出波形， 再调节电流幅值调 节钮调节输出电流的幅值至估算值， 按 下电流信号输出键开始试验， 此时， 若应变传感器上 有输出电压Uy， 则数据会传输至示波器中， 将波形可视化显示到示波显示屏上， 同时对信号 转换的数字信号进 行采样、 截断、 离散化后传输并储存， 同时将完成转换的数字信号传输至 上位机； 其输出电压为： 式中， Uy为传感器输出电压， 单位为V； ΔR1、 ΔR2、 ΔR3、 ΔR4、 为电阻变化量， 单位为Ω； U0为输入电压， 单位 为V； 显示的图像为Uy‑t图； (7)绘制疲劳曲线： 式中， Sg为电阻应 变片的灵敏度； dR为电阻的微分； ε为轴向应 变； v为材 料泊松比； 电桥灵敏度： 根据胡克定律：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115165534 A 3