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Machine d'essai de fatigue ultrasonique axiale à trois colonnes

Machine d'essai de fatigue ultrasonique axiale à trois colonnes

Appareil d'essai de fatigue par résonance ultrasonore pour des essais de fatigue à ultra-haut nombre de cycles à 20 kHz.

1. Réduction spectaculaire du temps d'essai
les essais à 20 kHz permettent d'atteindre 10⁹ cycles en quelques heures, contre plusieurs mois avec les méthodes conventionnelles.

2. Conception basée sur la résonance
Faible consommation d'énergie (quelques dizaines à plusieurs centaines de watts) avec une génération de contraintes élevée allant jusqu'à 1000 MPa.

3. Modes d'essai polyvalents
Prend en charge les essais de traction-compression, de flexion et de rapports de contrainte variables pour les métaux et les composites.

Spu:

HC-03

Aperçu
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Description du produit

Avec le développement de la technologie industrielle, la durée de vie en fatigue conçue pour de nombreuses pièces métalliques a progressivement augmenté. Le comportement en fatigue à haut cycle des matériaux métalliques est devenu un sujet de recherche central. La fatigue des métaux correspond à l'affaiblissement des pièces métalliques des machines, véhicules ou structures dû à des contraintes ou charges répétées. Face aux exigences actuelles en matière de durée de vie extrêmement longue et de fiabilité extrêmement élevée des composants d'équipements mécaniques modernes, les techniques traditionnelles d'essai de fatigue se révèlent insuffisantes.

La machine d'essai de fatigue ultrasonore produite par notre entreprise est utilisée pour mesurer les caractéristiques de fatigue, la durée de vie en fatigue, les fissures préexistantes ainsi que la propagation des fissures des métaux, des matériaux composites et de leurs composants sous des charges de traction, de compression ou alternées de traction-compression à température ambiante.

L'essai de fatigue ultrasonore est une méthode d'essai de fatigue accélérée basée sur la résonance, qui permet de réduire considérablement le temps d'essai et constitue la seule solution réalisable pour tester la fatigue à très longue durée de vie des pales de moteurs d'avion.

La machine d'essai de fatigue ultrasonique est un équipement d'essai haut de gamme développé par notre entreprise, basé sur l'accumulation et l'héritage de plus de dix ans dans les quatre technologies clés que sont le support hydraulique, la mesure et le contrôle, les capteurs et les logiciels d'application. Grâce à des itérations et des mises à jour répétées, nous avons réussi à surmonter des difficultés techniques essentielles telles que le contrôle de déformation, la mesure d'alignement coaxial ainsi que l'acquisition et le traitement des données d'essais de fatigue en tests dynamiques. Elle se distingue par une large gamme d'applications, une haute précision de contrôle, une forte adaptabilité, des méthodes d'essai flexibles, une large plage de fréquence et la capacité de simuler des conditions environnementales complexes. Elle est largement utilisée pour les essais de fatigue à haut nombre de cycles, à faible nombre de cycles, de fatigue programmée ainsi que pour les essais de déformation constante, de charge constante et d'autres propriétés mécaniques classiques. Elle répond aux besoins variés des matériaux et composants dans les domaines exigeants d'essais de fatigue et de rupture, et offre une grande stabilité et fiabilité sur le long terme, comblant ainsi un vide sur le marché national.

Paramètres de l'équipement
fréquence de travail	20KHz±1KHz	puissance de service	pour les appareils électriques
résolution en fréquence	1Hz	Degré de distorsion de la forme d'onde	＜1 % (20 kHz)
Amplitude de sortie	±10~±75μm	précision de contrôle	1μm
degré de linéarité	＞99%	puissance de conduite	Générateur à Commande Numérique
mode de fonctionnement	Fonctionnement continu ou intermittent		Paramètres du produit

DÉTAILS DU PRODUIT

La machine d'essai de fatigue ultrasonique est utilisée pour déterminer les caractéristiques de fatigue, la durée de vie en fatigue, la formation de fissures préalables et la propagation des fissures des métaux, alliages et composants dans des conditions de température ambiante sous des charges de traction, de compression ou alternées de traction-compression.
Pour répondre aux exigences modernes en matière de durée de vie extrêmement longue et de fiabilité ultra-élevée des composants mécaniques, les techniques traditionnelles d'essais de fatigue ne sont plus suffisantes. L'essai de fatigue ultrasonique est une méthode d'essai de fatigue accélérée basée sur la résonance qui réduit considérablement le temps d'essai et constitue la seule solution viable pour les essais de fatigue à très longue durée de vie des aubes d'engins d'avion.

L'importance des essais de fatigue des métaux

1.La fatigue métallique a provoqué l'accident d'avion.

La fatigue métallique a provoqué l'accident d'avion

Le 17 avril 2018, le vol 1380 (Boeing 737-700) en provenance de l'aéroport de New York-LaGuardia à destination de l'aéroport de Dallas Love Field a subi une rupture de hublot et des dommages moteur.

La 13e pale d'hélice du moteur n°1 a été perdue. Les preuves indiquent que la zone où la pale s'est rompue présentait des signes de fatigue métallique. Les pales d'hélice du moteur accidenté avaient accumulé plus de 32 000 cycles moteur depuis leur installation neuve. La surface de fracture présente des indications de fatigue.

2. Importance des essais de fatigue métallique

Les moteurs à turbine à gaz aérospatiaux sont les unités de propulsion principales pour les avions et les hélicoptères, et constituent un équipement clé qui a longtemps restreint le développement de l'industrie aéronautique chinoise et de l'équipement militaire. Les moteurs aérospatiaux sont des machines tournantes à grande vitesse comportant plusieurs rotors et des conditions de fonctionnement extrêmement variables. Leurs composants, en particulier les pales et disques, subissent des charges vibratoires très complexes.

Moteur PW4084, installé sur les avions de ligne Boeing 777

Les problèmes de fatigue des matériaux causés par les charges vibratoires constituent des enjeux clés limitant la haute fiabilité et la longue durée de vie des moteurs d'avion, et ont longtemps posé des difficultés pour la recherche, le développement, la production et le fonctionnement sûr des moteurs aéronautiques chinois.

avions et moteurs crashés

3.facteurs de fatigue des pales

La fatigue à haut cycle (HCF) et la fatigue à très haut cycle (VHCF) sont principalement causées par des contraintes vibratoires provenant de diverses sources aérodynamiques et mécaniques, avec des fréquences atteignant plusieurs milliers de hertz. Cela peut entraîner des fractures par fatigue dans des composants moteurs critiques tels que les pales d'éventail, les pales de compresseur, les pales ou disques de turbine et les conduits, pouvant potentiellement provoquer des accidents aériens.
--perturbations de flux interne dans un moteur
--Vibration auto-entretenue (flutter et décollement de flux par soubresauts)
--Distorsion du flux (pression)
--Déséquilibre du rotor

Principe de l'essai de fatigue ultrasonore

L'essai de fatigue ultrasonique est une méthode d'essai de fatigue accélérée par résonance qui génère des ondes mécaniques de résonance sur l'éprouvette soumise à l'essai. Basée sur le principe d'expansion piézoélectrique et utilisant une technologie ultrasonique à haute énergie, sa fréquence d'essai (20 kHz) dépasse largement les fréquences conventionnelles des essais de fatigue. En temps réel d'essai, elle permet d'obtenir des données de fatigue ainsi que des valeurs seuils. Grâce à sa haute fréquence, cette méthode peut rapidement identifier les limites de fatigue sous cycles répétés élevés pour divers matériaux industriels.

Afin de répondre aux exigences d'une durée de vie ultra-longue et d'une fiabilité ultra-élevée des pièces d'équipements mécaniques modernes, les machines d'essai de fatigue ultrasonore, basées sur le principe de résonance ultrasonore, génèrent des charges vibratoires à haute fréquence sur les éprouvettes afin d'effectuer des tests de performance en fatigue (très) haute cycle. Le générateur multifonctionnel de troisième génération développé par notre entreprise dispose d'une large plage de fréquence de fonctionnement, d'une amplitude de sortie élevée et d'une grande précision de contrôle. Il permet d'effectuer différents types d'essais de fatigue ultrasonore sur des matériaux métalliques et composites, notamment des essais de traction-compression axiale symétrique avec rapport de contrainte variable, des essais de flexion trois points avec rapport de contrainte variable, ainsi que des essais de flexion vibratoire, entre autres. De plus, il inclut un logiciel d'assistance pour l'optimisation de la conception de différents types d'éprouvettes tels que ceux destinés à la traction-compression axiale, à la flexion trois points et à la flexion vibratoire.

Les avantages des essais de fatigue ultrasonore

Il peut effectuer un chargement d'amplitude aléatoire, y compris des charges de faible niveau, se rapprochant ainsi davantage des conditions réelles rencontrées en ingénierie.

L'utilisation de paramètres définis par ordinateur et le contrôle des expériences permettent de reproduire facilement les défaillances par fatigue causées par de petits défauts.

Étant donné que les tests sont réalisés en état de résonance, il est possible de générer des contraintes élevées, permettant ainsi de tester des aciers dont la résistance atteint 1000 MPa.

La puissance de sortie requise pour l'équipement d'essai est très faible (de dizaines à centaines de watts), ce qui permet d'économiser considérablement de l'énergie et de réduire les coûts de test.

Lors de la résonance, le niveau de contrainte aux extrémités de l'éprouvette est très faible, ce qui simplifie son serrage, un seul côté nécessitant d'être fixé. Cela présente un avantage pour les matériaux fragiles.

Permet d'évaluer rapidement la durée de vie en fatigue des matériaux métalliques à une fréquence de répétition de 20 kHz, réduisant ainsi le temps d'essai de plusieurs centaines à plusieurs milliers de fois.

Par exemple, en utilisant l'essai de fatigue 109 : un essai de fatigue servo-hydraulique à 20 Hz nécessite 1,5 an ; un essai de flexion rotative à 50 Hz requiert 231 jours ; une table vibrante à haute fréquence à 300 Hz prend 38,5 jours ; un essai de fatigue ultrasonore à 20 kHz ne nécessite que 13,8 heures.

La méthode d'essai de fatigue ultrasonore est principalement appliquée

Principalement utilisée dans les secteurs de l'aérospatiale, du ferroviaire à grande vitesse, de l'automobile et des centrales électriques, elle réalise des essais de performance de fatigue à très haut nombre de cycles sur divers matériaux métalliques tels que les aciers alliés, les alliages d'aluminium et les alliages de titane, ainsi que sur des matériaux composites en fibre de carbone. Par rapport aux méthodes conventionnelles d'essai de fatigue, elle permet de réduire le temps d'essai de plus de 90 %, économisant ainsi considérablement les coûts de test.

Paramètres de l'équipement
fréquence de travail	20KHz±1KHz	puissance de service	pour les appareils électriques
résolution en fréquence	1Hz	Degré de distorsion de la forme d'onde	＜1 % (20 kHz)
Amplitude de sortie	±10~±75μm	précision de contrôle	1μm
degré de linéarité	＞99%	puissance de conduite	Générateur à Commande Numérique
mode de fonctionnement	Fonctionnement continu ou intermittent		Paramètres du produit

Aperçu de l'appareil

Le système d'essai multifonctionnel par fatigue ultrasonique à trois colonnes est une version évoluée de la conception à deux colonnes, doté d’un châssis à trois colonnes qui améliore la rigidité et la stabilité. Il est idéal pour les essais de fatigue à ultra-haut nombre de cycles dans des conditions de sollicitation multiaxiale complexes, sous charges élevées et dans des environnements extrêmes. Associant l’excitation ultrasonique à haute fréquence à un contrôle mécanique de précision, cet équipement est largement utilisé dans la recherche de fatigue à ultra-haute précision dans les domaines aérospatial, des matériaux nucléaires, biomédical et apparentés.

Caractéristiques clés du design

1. Châssis à trois colonnes à haute rigidité : Stabilité exceptionnelle :

L’agencement symétrique des trois colonnes (espacées régulièrement de 120°) améliore considérablement la résistance aux charges excentrées, ce qui le rend adapté aux essais combinés impliquant de fortes précharges statiques (par exemple, supérieures à 50 kN) et des vibrations dynamiques à haute fréquence.

Contrôle coordonné multiaxe : Capable d’intégrer des charges combinées de traction, de torsion et de flexion afin de simuler les conditions réelles de fonctionnement (par exemple, des contraintes multidirectionnelles sur les aubes de moteurs d’avion).

Conception modulaire : La hauteur de la colonne et la portée sont réglables pour s’adapter à des échantillons de différentes tailles ainsi qu’aux chambres environnementales.

2. Système de vibration ultrasonore à haute fréquence :

excitation piézoélectrique à 20 kHz : Des vibrations à haute fréquence sont obtenues grâce à un transducteur couplé à un système de bras, capable d’effectuer de 10^8 à 10^9 cycles d’essai par jour.

Réglage dynamique de l’amplitude : Plage de 1 à 150 μm ; une commande en boucle fermée garantit la stabilité des vibrations.

Suivi automatique de la fréquence : Compense en temps réel la dérive de la fréquence de résonance causée par l’endommagement de l’échantillon ou par une élévation de température.

3. Module d’essai multifonctionnel :

Unité de simulation environnementale – configurations optionnelles comprenant des températures élevées (1200 °C), des températures basses (-196 °C), des milieux corrosifs (par exemple, eau de mer, H₂S) et des chambres sous vide/haute pression.

Surveillance multi-capteurs : capteur laser de déplacement (pour la mesure de la déformation à l’échelle nanométrique), caméra thermique infrarouge (pour la détection de l’élévation locale de température), capteur d’émission acoustique (pour la détection de l’initiation de fissures).

4. Système de commande intelligent :

Entraînement servo numérique : précision du contrôle de précharge statique ±0,1 % de la pleine échelle.

Analyse assistée par IA : prédit en temps réel la durée de vie en fatigue et optimise automatiquement les paramètres de chargement.

Protection de sécurité : arrêt immédiat de la machine en cas de détection de vibrations anormales, de dépassement des seuils de température ou de rupture de l’échantillon.

Principaux domaines d'application :

1. Aérospatiale – Fatigue ultra-haute fréquence (supérieure à 10^9 cycles) des alliages de titane et des superalliages monocristallins à base de nickel sous charges thermo-mécaniques couplées.

2. Matériaux pour l’énergie nucléaire – Comportement de propagation des fissures par fatigue de l’acier des cuves des réacteurs sous irradiation et à haute température.

3. Biomédecine – Essais de durabilité à long terme des valves cardiaques artificielles et des implants orthopédiques dans des fluides physiologiques.

4. Industrie automobile – Fiabilité des moyeux de roues en alliage d’aluminium et des composants structurels des blocs-batteries sous vibrations à haute fréquence.

5. Institutions de recherche – Études sur la corrélation entre la microstructure des matériaux et leurs performances en fatigue (par exemple, les effets des défauts liés à la fabrication additive).

Avantages techniques et comparaisons

1. Comparaison avec les machines d’essai traditionnelles

Paramètre	Machine d’essai de fatigue ultrasonique à trois colonnes	Machine d’essai servo-hydraulique traditionnelle
Fréquence de test	20 kHz (efficacité ultra-élevée)	1–100 Hz (extrêmement chronophage)
Capacité de charge	Précharge statique ≤ 100 kN + vibration haute fréquence dynamique	Charge dynamique ≤ 500 kN, mais à basse fréquence
Consommation d'énergie	< 1 kW (économies d’énergie supérieures à 90 %)	10-50 kW
Chargement multi-axes	Prend en charge le chargement combiné en traction, en torsion et en flexion	Généralement mono-axe uniquement
Taille de l'échantillon	Petit (nécessite un ajustement de la résonance)	Grand (illimité)

2. Comparaison avec la machine d’essai ultrasonique à deux colonnes

rigidité améliorée : La structure à trois colonnes peut supporter des charges excentrées plus importantes, ce qui la rend adaptée aux éprouvettes asymétriques ou aux conditions de chargement composite.

évolutivité : Intégration plus facile de modules multi-environnement (par exemple, chambres de rayonnement).

optimisation de la précision : améliore l’efficacité de la transmission des vibrations et réduit les pertes d’énergie.

Tendance future

Technologie de jumeau numérique : Accélère le développement des matériaux grâce à la simulation en temps réel et à l’interaction des données avec les résultats des essais.

Extension à ultra-haute fréquence : Développement d’un système 50 kHz–100 kHz pour les essais de nanomatériaux / films.

Progression de la normalisation : Promouvoir l’intégration des essais de fatigue ultrasonique dans les normes de certification des matériaux par l’ASTM / ISO

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