很多现代工程系统，比如重应力电机零件或海上结构，通常要抵抗超过一千万次高频负载循环或生命周期要求超过 30年。这个范围内的循环被称为超高周疲劳机制。在这些高性能部件的可靠应用中，对所使用的材料的疲劳特性的详细了解变得越来越重要，传统的测试设备能进行长时间测试，但测试频率最高仅能达到200Hz。

图1  超声疲劳测试试验搭建

为了在较短时间内实现高达1010次循环测试，德国凯泽斯劳滕大学的材料科学与工程学院开发了一套创新的超声测试设备用于拉压试验。该测试系统使用压电转换器进行加载，产生一个纵波驻波，频率可达20kHz，用于激励疲劳样件，使其材料产生疲劳。该样件本证频率即为20kHz，在设计过程中用有限元分析方法进行分析，确保样件满足设计。

3-D扫描式激光测振仪是一套非常高效的测试系统，可用来测试特征频率及特征模态来验证有限元模型。用传统方法来测试高频振动过程中的应力应变是非常困难的，比如使用应变片，必须要粘贴在被测物表面才能使用。因此3-D扫描式激光测振仪对于超声疲劳过程中的高分辨率应力应变非接触测试是特别适合的。

本试验使用的是 Polytec公司 PSV-400-3D扫描式激光测振仪，三个激光头的定位如图1所示，如此选择是为确保可对疲劳试验件的狭小区域进行测试。为了计算特征频率和特征模态，且保护材料不发生意外的疲劳破坏，我们选择了非常小的振动位移，幅值仅有 30 nm。应变测试仅聚焦在试件中部4mm长度范围内，此处应变最大。在特征频率上激励样件时，最大振动位移幅值可达42μm。

注：目前3D测试的最新型号为PSV-500-3D，以及超低噪音多通道探测技术的PSV Qtec 3D，各项性能都有全面大幅提升。

将试件的初始状态（疲劳试验前）与有限元模型进行了相关计算。从图2可见，特征频率为20.06 kHz，该频率上的振型为

纵向振动（图3上图）；两个结果与有限元计算结果吻合的非常好。

图2 频率响应

a) 初始状态; b) 疲劳破坏之后

图 3: 振型; 上图: 初始状态; 下图: 疲劳破坏之后

另外，高频振动的细节显示也确保了本试验中的试件振动是正确的。在试件上进行了其他类似的试验，比如仅加载屈服强度一半的应力，尽管如此，由于内部疲劳破坏，疲劳失效仍然在 1.2 *109 次循环后发生了。与初始状态相比，特征频率下降了，这是内部的疲劳破坏导致的。

20 kHz 范围以内的特征模态也显示了清晰的区别（图3下半部分图形）。图中可见在试件上，速度分布不对称，疲劳失效的区域分布不均匀。

图 4: 应力分布

图 4 显示了高频振动过程中的应变分布，在测试位置处用3D扫描激光测振仪测试的的应变幅值与自由端使用Polytec´s CLV-2534-2测得的位移幅值之间的相关性表明，随着位移幅值的增加，应变幅值也会增加。

图 5: 有限元模型与测试结果对比

从图5可看出测试结果与有限元计算结果高度一致。