汽车物流器具随机振动损伤与疲劳寿命预测研究EI北大核心CSCD

汽车零部件产品常被采用堆垛形式的物流器具运输以避免损伤。应用随机振动试验方法,分析三种不同振动等级下,堆垛型钢质物流器具的振动损伤;基于物流器具—装载物—夹具相互作用关系,建立了全景天窗运输器具的有限元模型,研究了平稳高斯随机振动下该器具的疲劳响应,获得关键位置变形和等效应力,预测器具的疲劳寿命。研究结果表明:有限元分析得到的共振频率与随机振动试验结果相差3.4%;器具振动响应主要受低阶共振频率影响,最大应力集中在堆垛柱与托盘连接处;上层装载物响应加速度1.42g明显大于下层0.79g,而同处于上层的装载物响应加速度差别小于1.7%;上下层堆垛柱响应加速度分别为0.82g和0.79g,差别不明显。上述方法可模拟运输过程中汽车物流器具振动疲劳及装载物易损点,为汽车物流器具设计提供参考。     

热声载荷下C/SiC薄壁层合板结构动力学响应计算与寿命分析

高超音速飞行器薄壁结构在工作环境下承受着复杂的高温强噪声载荷，高温会使材料性能发生变化，导致局部区域出现热声疲劳破坏，影响结构的耐久性和完整性。针对此类问题，基于薄壁结构大挠度非线性振动理论，构建热声载荷下四边固支C/SiC薄壁层合板结构的数值仿真模型，并对其进行了动力学响应计算，研究了不同热声载荷组合下的振动响应规律，并采用线性累计损伤理论对结构进行疲劳寿命的预估和分析。结果表明，热声载荷对碳/碳化硅薄壁层合板的非线性响应影响不同，热载荷通过改变结构基频来影响结构非线性响应。四边固支C/SiC薄壁层合板在热声载荷作用下表现出非线性随机振动特性，并且呈现在平衡位置随机振动、随机跳变等多种运动状态，跳变运动给结构造成更大的的损伤更大。     

热声载荷下薄壁结构非线性振动响应分析及疲劳寿命预测

基于时域分析法研究了金属薄壁结构在热声载荷下的非线性振动响应特性,并采用四种应力寿命模型预测了薄板梁的热声疲劳寿命。以典型薄板梁为研究模型,首先研究了单一噪声激励下薄板梁的时域响应特性及热载荷对其响应特性的影响机理,并仿真分析了薄板梁在热声激励下的非线性响应特性。在此基础上,运用雨流法统计了薄板梁根部的应力响应,并基于Miner线性累积损伤理论采用Goodman、Morrow、Walker和修正Walker应力寿命模型预测了薄板梁在不同工况下的热声疲劳寿命。研究结果表明：薄板梁的热模态基频在其热声疲劳问题中起主导作用;薄板梁热屈曲后的非线性跳变响应将增大应力幅值,从而严重削弱结构的预期寿命;噪声载荷是影响屈曲前薄板梁热声疲劳寿命的主要因素,而热载荷是影响屈曲后热声疲劳寿命的主要因素。因此在薄壁结构抗热声疲劳设计中必须重点考虑热声载荷联合作用的影响。     

2024铝合金喷丸试件疲劳寿命试验及仿真研究

现有的喷丸材料疲劳性能研究扩展有限元模型没有考虑残余应力对裂纹扩展的影响。对2024铝合金的喷丸与未喷丸试样进行三弯疲劳试验,以明确喷丸工艺对试件疲劳寿命的强化作用。通过ABAQUS建立试件的二维平面应力模型,导入残余应力并利用扩展有限元法模拟循环载荷下裂纹的萌生与扩展,对比试验结果来验证该扩展有限元数值模型的正确性。最后基于该数值模型,改变载荷工况,研究不同载荷工况下残余应力对疲劳寿命的影响,得到喷丸残余应力强化作用与载荷工况的关系。结果表明:喷丸引入的残余应力可以有效地增强试件的疲劳寿命;过大的循环载荷可能造成喷丸残余应力发生松弛;在最大载荷不变的前提下,应力比越小,试件疲劳寿命越短;应力比越大,残余应力对疲劳寿命强化效果越明显。     

钢丝绳拉伸疲劳寿命仿真分析与试验研究

为研究钢丝绳在拉伸载荷下的疲劳寿命预测问题,以6×36 WS结构钢丝绳为研究对象,建立了钢丝绳的有限元模型,仿真分析了其在轴向拉伸载荷下的应力分布。对仿真结果中应力最大的钢丝进行拉伸疲劳试验,得到钢丝试件的载荷寿命曲线。在此基础上进行了钢丝绳疲劳寿命的仿真分析,并通过钢丝绳的疲劳试验进行了验证。钢丝绳疲劳仿真结果表明,在轴向拉伸载荷作用下,最大应力位于相邻两个绳股接触区域,对应的此处区域疲劳寿命最短。钢丝绳疲劳寿命仿真与试验结果具有较好的吻合度,由仿真数据拟合的载荷寿命曲线为钢丝绳疲劳寿命的预测提供了依据。     

2A12铝合金疲劳裂纹的成核与扩展机理EI北大核心CSCD

进行了不同应力水平下和不同应力比下2A12铝合金试验件的疲劳试验,并对试验件疲劳断口显微结构进行分析和对比,以揭示疲劳裂纹成核与扩展的微观特征。结果表明:2A12铝合金的疲劳裂纹在靠近试验件表面较为粗大的第二相粒子或试验件棱角缺陷处成核;成核位置距试验件表面的距离与应力水平和应力比有关,疲劳裂纹扩展区域也与应力水平和应力比有关。应力水平较小或应力较大时,疲劳裂纹沿晶扩展和穿晶扩展尤为明显。疲劳断口的裂纹成核粒子越小(大),试验件疲劳寿命越短(长),微裂纹成核寿命是疲劳全寿命计算中不可忽视的部分。     

一种新的非高斯随机振动疲劳寿命估计方法

构造了非高斯修正系数的多项式响应面模型,提出了一种基于高斯近似的非高斯随机振动疲劳寿命估计方法。采用Winterstein传递函数法将非高斯随机应力转化成高斯随机应力,并联合雨流计数和Miner损伤准则分别估算两种随机应力下的累计损伤和谱矩,对多个样本进行最小二乘拟合之后构建一个关于应力谱矩和非高斯修正系数的多项式响应面模型。利用高斯近似法估算非高斯随机振动疲劳损伤量,并与经过雨流计数和Miner损伤准则估算的非高斯随机过程下疲劳损伤对比,结果表明:高斯近似法具有较好的精度。     

基于Patran及频域分析的叠层焊点随机振动可靠性分析

基于Patran软件建立了叠层焊点三维有限元分析模型,分析了随机振动条件下叠层焊点的固有频率、振型和频率响应规律,获得了叠层焊点应力应变分布和应变功率谱密度响应曲线,并基于功率谱和雨流计数法计算出了叠层焊点振动疲劳寿命;分析了焊盘直径和焊点最大径向直径对叠层焊点随机振动寿命影响。仿真结果表明:在叠层焊点高0.5 mm、焊盘直径0.3 mm和焊点径向最大直径0.4 mm时其随机振动疲劳寿命为3 132 h;当焊盘直径从0.2 mm增加到0.35 mm时,叠层焊点振动疲劳寿命随焊盘直径增大而增大;当焊点最大径向直径从0.4 mm增加到0.55 mm时,叠层焊点振动疲劳寿命随焊点最大径向直径增大而减少。     

三自由度半正定系统随机振动仿真与试验研究

目的研究三自由度半正定系统在随机振动条件下的加速度动态响应以及加速度功率谱密度。方法以运输包装中常见的三自由度半正定系统为原型,建立了三自由度半正定系统的质量-弹簧-阻尼系统。依据美国ASTM-D4728随机振动标准,利用Matlab/Simulink仿真平台,建立仿真模型,并输入模型参数,得到了三自由度半正定系统随机振动下的动态响应。基于相同试验标准进行试验,对比分析试验结果与仿真结果的差异。结果在低频段内(小于80 Hz),Simulink仿真模拟随机振动的加速度功率谱密度值与随机振动试验的加速度功率谱密度值的相关性系数达到0.983,加速度功率谱密度值最大处仅相差8.8%。在高频段内(大于80 Hz),Simulink仿真模拟随机振动的加速度功率谱密度值与随机振动试验的加速度功率谱密度值的相关性系数只达到0.745,加速度功率谱密度值最大处相差13.1%。结论利用Matlab/Simulink仿真平台分析包装系统的低频随机振动是一种简单可行的方法,一定程度上可以作为随机振动试验的代替手段。     

液压模块挂车刚柔耦合动态响应特性及摆臂疲劳分析

为了研究重型液压模块挂车动态响应特性及其摆臂疲劳强度的问题,基于有限元分析方法与刚柔多体动力学理论,建立挂车刚柔耦合多体动力学模型,以路面不平度作为仿真的激励信号,结合振动试验验证模型的准确性。对挂车在不同的运行工况下,进行动态响应仿真分析。将多体动力学仿真结果作为有限元分析的动载荷,计算获得疲劳分析所需要的应力时间历程,运用局部应力应变法对摆臂进行疲劳寿命预测。计算结果表明,摆臂应力集中部位出现在已发生断裂的断面位置及应力水平已进入塑性状态。挂车在B级、C级与D级路面下的运行,危险点的疲劳寿命均大于挂车使用年限。而在正弦形凹凸路面冲击下,危险点的疲劳寿命随正弦形幅值与车速增加而明显减短。根据仿真计算结果,可提出适用的运行工况以提高挂车运行安全性与运输效率。     

高层隔震模型结构双向地震反应的数值计算与试验

为研究高层建筑采用铅芯橡胶垫进行隔震后的结构减震效果,对一两向不同高宽比1:16小比例尺隔震结构模型,进行了双向不同地震波输入下的地震反应数值计算和振动台试验分析。对模型上部结构加速度和隔震支座位移反应的分析表明,隔震技术对高层建筑同样有较好的减震效果;数值计算结果与振动台试验结果的对比分析表明,两者具有较好的一致性,数值计算较好地模拟了振动台试验;两组数据的相近证明了数值计算结果和振动台试验过程进行的正确性。     

基于弹性负载的地震模拟试验控制策略

传统地震模拟试验控制方法多将试件假定为刚性负载。针对该控制方法在实际应用中精度差的缺点,提出一种基于弹性负载的地震模拟控制策略,通过分析弹性试件力学模型,合理设置内环伺服控制参数,实现各种负载下系统传递特性的近似统一。在此基础上,优化外环振动控制辨识方法。振动台系统能在无预试验步骤情况下获得较高地震波形复现精度。试验表明：该控制策略无需预试验,在优化的伺服控制参数下,能在首帧地震模拟试验中获得85%以上的输入输出信号时域相关系数;经数帧试验,通过对系统驱动信号进行更新,地震模拟输入输出信号时域相关系数能稳定在90%以上。     

一种多轴向随机激励下结构疲劳寿命分析方法

提出了一种多轴向随机激励下结构疲劳寿命估计的频域分析方法。首先,对结构进行频响分析,得到在基础加速度激励下的应力频响函数矩阵,通过随机振动分析,得到结构应力的功率谱密度矩阵;其次,采用等效的Von Mises应力功率谱密度将多轴应力问题转化为单轴应力问题;最后,利用单轴应力疲劳寿命估计的频域分析方法对结构疲劳寿命进行估计。对一典型构件在多轴向随机激励下的疲劳寿命进行了计算,并与实验结果进行了对比。另外,对构件在多轴向同时激励与单轴分别激励的疲劳损伤结果进行了对比分析,表明多轴向同时振动具有明显的多轴效应,因此进行多轴向振动疲劳研究十分必要。     

基于线振动台的液浮陀螺仪二次项误差系数标定方法研究

为提高液浮陀螺仪静态误差模型系数中二次项系数的标定精度,提出了线振动台振动整周期的方法来标定液浮陀螺仪。在充分考虑线振动台的寄生转动和垂直度误差,测试时产生的角振动以及陀螺仪的安装误差的基础上,设计了六位置法来标定陀螺仪二次项系数的标定方案。该方法抑制了线振动台的寄生转动、测试时产生的微小角振动以及陀螺仪的安装误差对标定精度的影响,能够提高液浮陀螺仪在线振动台上测试的精度。最后进行了相应的误差分析,验证了该方法能够准确的标定出陀螺仪的二次项误差模型系数,标定精度可达10~(-4)(°/h/g~2)数量级。     

地震模拟振动台扩展系统理论分析及试验研究

为利用单振动台进行空间大跨度结构动力试验,提出地震模拟振动台扩展系统概念。根据达朗贝尔原理对系统子台进行动力平衡分析,建立振动台扩展系统理论分析模型,通过考虑振动过程中上部结构对子台的动力影响,合理确定动力方程关键参数,改变系统参量可实现结构多点激励研究。设计并制作振动台扩展系统,试验结果表明,系统子台反应有明显时滞、增幅效应。试验及算例表明,本文理论正确,方法可行,对地震模拟振动台试验系统的发展有实际意义。     

地震模拟振动台多向扩展系统

为利用单振动台实现大跨度空间结构多维多点激励的振动台试验研究,提出地震模拟振动台改向扩展系统概念。结合曲杆机构改变地震波传递方向的特性,对地震模拟振动台扩展系统进行结构动力分析。根据多点激励理论,考虑上部结构惯性力对子台的作用,推导出子台等效质量的计算公式。在谐波荷载作用下,给出多向扩展系统动力响应的解析式。研究表明,多向扩展系统能有效改变地震波的峰值加速度、相位和传递方向,是一种利用单振动台实现大跨结构多维多点激励试验研究的有效方法。算例结果验证了本文理论的正确性,为振动台多向扩展系统的研制提供理论依据。     

Random fatigue life prediction of carbon fibre-reinforced composite laminate based on hybrid time-frequency domain method

To evaluate fatigue life of composite laminate with hole under random loading, a random fatigue life prediction model is established by hybrid time-frequency domain method in this paper. Firstly, dynamic response of composite laminate is obtained from FE model in frequency domain. Secondly, root mean square of stress of six stress components of critical damage point in frequency domain are transferred to stresses in time domain. At last, 3D Tsai–Hill static failure criterion is adopted to convert the multiaxial stress into the uniaxial equivalent stress. Fatigue life is predicted by equivalent stress fatigue life code. The method is validated with the random vibration fatigue test of carbon fibre-reinforced composite laminate. Numerical results are compared with random fatigue experiments which show good agreement with numerical results.     

基于应力概率密度和功率谱密度法的随机声疲劳寿命预估方法研究

针对航空发动机燃烧室火焰筒结构的声疲劳问题,研究了一种用于随机载荷下结构疲劳寿命预估的有效方法。首先,对薄壁结构在随机载荷作用下的Von Mises应力过程的概率分布作了研究,给出了应力峰值概率密度函数的表达式。基于Miner线性理论,提出了基于应力概率密度和功率谱密度法的随机声疲劳寿命预估方法,并建立了疲劳寿命预估模型。以某型航空发动机燃烧室火焰筒结构为例,在采用耦合的有限元和边界元方法计算出随机声疲劳应力基础上,应用所建立的模型进行了疲劳寿命估算,并对计算结果进行了宽带修正。结果表明,该方法对航空薄壁结构随机疲劳寿命分析具有实用性。     

Stepped‐isothermal fatigue analysis of engine piston

Stepped‐isothermal fatigue failure is the main failure mechanism of modern engine pistons under bench reliability test condition. This paper presents a methodology for stepped‐isothermal fatigue analysis of engine pistons, which consists of a fatigue criterion, evaluation of temperature and stress distribution by finite element analysis and the final life prediction. The major character of the methodology is the fatigue definition of engine pistons with respect to engine load change cycle and a damage‐based fatigue criterion accounting for the nonlinear creep–fatigue damage. Taking as an example, the fatigue life of an engine piston was predicted by the proposed analysis procedures. The analysis results showed that the most critical area was located in the throat edge. Moreover, the proposed methodology can give a relatively accurate and reasonable life prediction for an engine piston under the loading condition of bench reliability test, with a benefit of decreasing the needed component's reliability tests and design time.     

轴承周期冲击激励下发动机薄壁支承结构响应机理研究

燃气涡轮发动机轴承故障频发,然而,轴承故障信号经过复杂的薄壁结构传至机匣表面衰减严重,致使基于振动信号分析的轴承故障诊断难度增大。为此,从轴承故障特征产生机理出发,在薄壁支承系统固有特性分析的基础上,基于周期冲击激励与振动响应时频域关联分析,阐释了轴承冲击激励下,复杂薄壁支承结构测点的响应特征。相关结论可以为基于共振解调的轴承故障诊断提供参考,对具有薄壁支承结构的燃气轮机轴承故障预警或诊断有一定的参考价值。