履带车辆传动轴疲劳寿命预测与结构改进

传动轴是履带式车辆传动系统的重要传动构件,由于测试方法和试验条件的限制,在设计传动轴的时候采用静强度设计理论,无法准确反映其在实际复杂任务工况条件下的动态响应性能,给动载荷作用下的机械构件寿命预测带来了很大困难,导致构件的实际寿命和设计寿命有很大的差距.基于ADAMS.ATV建立履带车辆行驶仿真平台,获得了传动轴在各种不同工况条件下的动态载荷.基于MSC.Fatigue疲劳寿命分析软件建立传动轴的疲劳分析模型,获得了传动轴的疲劳寿命,进而仿真分析不同结构对传动轴疲劳寿命的影响规律,对传动轴的结构进行改进.仿真预测实例验证了对复杂工况条件下传动轴进行疲劳寿命预测的可行性.对履带车辆构件结构优化问题进行了探索,研究方法和成果可以推广到相关机械工程领域,具有一定的指导意义.     

基于刚柔耦合的综合传动汇流行星排断齿故障动态特性仿真研究

针对综合传动装置中的汇流行星排,为了掌握实际工况下断齿故障对其动态特性的影响,基于多柔性体动力学(MFBD)技术,在RecurDyn中建立了刚柔耦合多体动力学仿真模型,得到了行星齿轮的动态应力分布云图,确定了危险点的位置,并对考虑柔性变形前后的动态响应特征进行了对比分析;在此基础上建立了汇流行星排的断齿故障仿真模型,并利用其接触力及加速度信号的对比分析进行时频域上的故障特征提取,研究结果可为汇流行星排的故障诊断、寿命预测等提供一定的依据。     

基于WIM数据分析的上海长江大桥拉索疲劳应力谱研究

拉索是斜拉桥的关键承重构件,拉索的疲劳状态直接关系到斜拉桥的正常运营,交通载荷导致的索力变化是拉索疲劳损伤和寿命评估的关键因素.本文利用上海长江大桥动态称重系统采集到的车辆载荷相关数据,依据等效疲劳损伤原理,推导出代表实际运营车辆的等效载荷谱,将载荷谱加载到ANSYS模型中获得拉索应力历程,采用泄水法,建立拉索应力谱,为拉索疲劳损伤及寿命评估提供可靠的依据.     

发动机振动对排气歧管低周疲劳寿命影响研究

发动机排气歧管在动态热负荷与整机振动载荷耦合作用的恶劣环境中工作,在热负荷单独作用时其部分区域就已经发生塑性变形,而整机振动载荷的耦合作用将使其疲劳失效问题更为严峻。为量化整机振动载荷对排气歧管低周疲劳损伤的影响,以某三缸增压发动机为研究对象,首先,基于流固耦合方法获得了排气歧管在标定工况和怠速工况下内外流场的换热边界,并联合增压器、催化器等部件温度和换热边界对两工况下排气系统的温度场进行计算。然后,根据温度场计算结果,耦合螺栓预紧力的作用,对怠速工况下的弹性应力场以及标定工况下的弹性和弹塑性应力场进行了计算,并基于标定工况下的弹塑性应力场,应用模态瞬态动力学对标定工况下的整机振动载荷作用下的动应力进行分析。最后,依据标定和怠速工况下的弹性应力场、标定工况下的动应力场结果,参照发动机低周疲劳试验标准分别建立了排气歧管常规高温低周疲劳与整机振动-热耦合低周疲劳分析模型,引入Neuber准则对两者的载荷谱进行应力-应变修正后采用主应变法进行疲劳寿命评估。结果表明：排气歧管疲劳破坏风险点主要位于高温拉应力区域,叠加振动载荷会使整体疲劳寿命下降接近25.2%,部分区域下降幅度甚至高达57%。研究结果为排气歧管整机瞬态振动-热耦合低周疲劳寿命预测提供了一定的理论依据和参考。     

复杂面内应力状态下平面编织高铝纤维增强氧化铝基复合材料强度及疲劳寿命预测方法

针对平面编织氧化铝基复合材料提出了一种复杂面内应力状态下的强度准则和疲劳寿命预测方法。通过拉伸、压缩及纯剪切试验,分别获得了材料的静强度指标。考虑材料拉、压性能的差异和面内拉-剪联合作用对材料强度的影响机制,提出了修正的Hoffman强度理论。采用该强度理论预测得到的偏轴拉伸强度与试验结果基本一致,偏差不超过10%。开展了偏轴角θ=0°、15°、30°、45°,应力比R=0.1,频率f=10 Hz的拉伸疲劳试验,试验结果表明随着偏轴角的增加,相同轴向拉伸载荷下的疲劳寿命逐渐降低。由于面内剪切应力分量的作用,疲劳失效由纤维主导逐渐过渡到纤维和基体共同主导的模式。基于单轴疲劳寿命曲线,采用Broutman-Sahu剩余强度模型表征剩余强度随疲劳循环次数的变化规律,结合剩余强度演化模型和修正的Hoffman强度理论,提出了一种面内复杂载荷条件下的疲劳寿命预测模型,并引入疲劳剪切损伤影响因子表征拉-剪应力联合作用对材料疲劳行为的影响。采用本文提出的疲劳寿命预测模型,预测不同偏轴角拉伸疲劳寿命,预测结果与试验结果基本一致,偏差在1倍寿命范围内。比较结果表明在给定应力比、温度和疲劳载荷频率条件下,该疲劳寿命预测模型可以用来预测平面编织氧化铝基复合材料拉-剪复杂面内载荷条件下疲劳寿命。      

基于模态叠加法的焊接结构疲劳寿命预测方法研究

针对焊接结构疲劳寿命预测,从动力学的角度提出了一种基于模态叠加法的动态结构应计算方法,并验证了其可行性与正确性,该方法以时变载荷作用下焊接结构的动平衡为基础,考虑结构自身振动加速度对用于评价焊缝疲劳寿命的结构应力的影响,实现了动态载荷下焊接结构的动态结构应力计算,有效地拓宽了主S-N曲线疲劳预测方法的应用领域。     

高速主轴滚子轴承的动特性分析

针对高速主轴滚子轴承工况特点建立油气润滑下的滚子轴承拟静力学模型,通过具体算例分析了转速、载荷等工况条件以及轴承游隙和空心滚子等因素对滚子轴承的动态性能的影响,并在此基础上结合Lundberg寿命理论计算相关参数对滚子轴承疲劳寿命的影响。结果表明:高速轻载工况下轴承打滑比较严重,通过施加适量的预载荷或者使用空心滚子可以减小轴承的打滑,然而过大的预载荷会导致轴承疲劳寿命迅速降低;高速下空心滚子可以减轻滚子轴承打滑程度并提高轴承疲劳寿命。     

基于WIM数据的上海某大桥钢箱梁应力谱研究

斜拉桥以其自身的优点成为当今大跨度桥梁中的主流桥型,然而,投入使用一段时间后,由于运营车辆总重和交通量交替变化,钢桥所面临的疲劳问题正日趋严重.本文以上海某大桥为工程背景,利用动态称重系统采集到的车辆载荷相关数据,依据等效疲劳损伤原理,推导出代表实际运营车辆载荷谱,采用泄水法,建立南塔钢箱梁的细节应力谱,为上海某大桥疲劳损伤及寿命评估提供可靠依据.     

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。     

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。     

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。     

基于随机振动理论的焊接结构疲劳寿命概率预测方法研究

为了能够在设计阶段对承受随机载荷作用的焊接结构的焊缝进行疲劳寿命预测,该文以随机振动理论为基础,结合主S-N曲线法,通过推导证明了用于焊接结构疲劳寿命评估的等效结构应力与激励载荷之间存在线性传递关系,从而提出了一个频域的焊接结构随机振动疲劳寿命概率预测新方法。该方法能够解决多随机载荷作用下复杂焊接结构振动疲劳寿命预测问题。通过T型接头的算例对比分析,证明了该方法能够考虑激励载荷的频率对焊缝疲劳寿命的影响。直接以线路实测随机加速度谱做为激励载荷,对某轨道集装箱平车车体结构关键焊缝的振动疲劳寿命进行预测,结果表明:该方法的预测结果与实际情况吻合,便于工程应用。     

随机振动载荷下塑封球栅阵列含铅焊点疲劳寿命模型

对塑封球栅阵列(PBGA)封装器件Sn37Pb焊点进行了正弦振动、随机振动实验,得到各个载荷下焊点的疲劳寿命结果。建立了三维有限元模型,进行与实验条件一致的有限元分析,计算焊点的应力;将实验结果与有限元计算相结合,并基于Steinberg寿命预测模型,发展了随机振动载荷下焊点疲劳寿命预测方法。结果表明,疲劳寿命模型预测结果与实验结果吻合较好,该方法可应用于PBGA封装焊点在随机振动载荷下的疲劳寿命评估,为PBGA封装器件的设计与使用提供指导。     

风电装备行星轮系过盈接触特性分析

风力发电对于保障我国能源安全具有重大意义,但我国风电装备发展中还存在巨大技术瓶颈,如何进一步提高装备可靠性及寿命是亟需解决问题。以行星轮系过盈配合面接触特性与微动磨损关系为切入点,针对NGW型行星轮受力分析,计算获取过盈配合接触分析的载荷边界条件;通过对比不同过盈量在无外载工况下的配合面压力值,理论计算与仿真分析结果的平均误差约为5.74%,验证了仿真的可信度;通过对比不同过盈量在无外载下的变形量,行星轮内孔面与轴承外圈变形占比分别为89.5%和10.5%,定量描述了行星轮相较于轴承的变形程度,更易损伤;稳态载荷工况下,通过对比不同配合公差P6和R6下的最大微动滑移量可知,P6公差带下最大微动量随载荷变化幅度较大,因此风电行星轮配合公差应选R6更合适;非稳态载荷工况下,通过数值积分计算获取不同过盈量下的配合面打滑极限载荷,该极限值作为评定实际服役工况下出现剧烈"打滑现象"的准则,因此设计时应考虑该极限工况。     

构建起重机载荷谱v-SVRM预测模型的改进方法

载荷谱预测精度和鲁棒性直接影响起重机械的疲劳可靠性计算以及安全寿命评估.因此,绘制模拟实际工作状态的载荷谱是解决起重机械疲劳断裂问题的重要环节.然而传统的回归模拟算法对其预测精度较低.支持向量回归机(SVRM)同其他数据分析算法相比,具有出色的小样本和非线性特性,预测精度高、稳健性好,可较好地解决欠学习、过学习以及局部最小值等传统回归算法的难题.因此,选用支持向量回归机预测起重机载荷谱,提高了模型的预测精度和鲁棒性.在此基础上,从核函数的构造和决策函数的建立两方面的改进,建立了改进的vSVRM预测模型.工程实例分析结果表明:从BP神经网络模型、v-SVRM模型到改进的v-SVRM模型,Er和RMSRE逐渐减小,R2逐渐增大,验证了所提出的改进方法具有良好的实用性、鲁棒性以及较高的预测精度,为起重机载荷谱的获取与预测提供了新方法.     

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。     

基于疲劳累积损伤的板弹簧疲劳寿命预测与实验研究

在斯特林发动机板弹簧理论研究模型基础上,建立疲劳强度有限元模型,以位移方式加载模拟其工作过程,研究板弹簧在实际工况下的变形与应力状况,并采用Gerber模型计算板弹簧疲劳强度。然后,基于板弹簧工作疲劳载荷谱,利用疲劳累积损伤理论,建立弹簧疲劳寿命预测模型。研究表明板弹簧疲劳失效发生在涡旋臂根部,选取合适的型线结构以及弹簧材料,可以使得弹簧满足疲劳强度和工作寿命要求。最后,搭建板弹簧疲劳寿命实验台对疲劳寿命仿真预测模型结果进行验证。结果表明,建立的板弹簧疲劳寿命预测模型准确,研究方法有效,结果可信。     

随机载荷作用下疲劳寿命分布预测模型

为了研究构件在随机载荷下的疲劳寿命分布,建立疲劳寿命分布预测模型.应用雨流计数法,将随机载荷-时间历程处理成以载荷幅值和均值为随机变量的二维联合概率密度函数,得到构件的二维疲劳载荷谱.从Miner累积损伤的定义出发,分析了累积损伤分散性的来源.以此为基础,通过建立等幅疲劳中值Sa-Sm-N曲面,提出了基于二维载荷谱的疲劳寿命分布预测模型,当累积损伤的概率分布已知时,可以估算出构件的疲劳寿命分布,进而得到零件在任一时刻的可靠度.最后,给出了一个具体应用实例.结果表明所提出的疲劳寿命分布预测方法具有较好的工程实用价值.     

基于机车车轮的动态疲劳可靠性研究

 随着火车速度的不断提高,对火车走行部件的疲劳可靠性要求也越来越高．根据疲劳寿命预测理论,建立了某机车车轮受力危险点在不同路况下的疲劳寿命曲线．以实测数据和有限元分析所得数据为基本参数,采用线性累积损伤法则和Monte-Carlo模拟,对车轮在等幅载荷和随机载荷谱共同作用下进行疲劳寿命预测,得到了车轮在不同路况下可靠度随路程变化的关系曲线．为火车的安全性维护提供了理论依据,对火车的安全运行有重大的实际应用价值．     

复合材料单钉接头疲劳累积损伤破坏分析

基于时间增量原理 , 推导了层合板接头疲劳加载累积损伤应力2应变分析的虚功方程。同时 , 引入Hashin三维疲劳失效准则进行材料的损伤判定 , 并结合建立的疲劳加载材料退化模型、 4种基本损伤机制相互关联作用的材料性能退化方法及复合材料接头最终失效判据 , 建立了层合板接头疲劳载荷作用下三维累积损伤分析的寿命预测方法。最后 , 对层合板接头拉2拉疲劳载荷作用下的损伤累积扩展与失效规律进行了仿真分析 , 并与试验结果进行了对比 , 结果表明 : 本文中建立的寿命预测方法能够很好地预测层合板接头的寿命以及损伤发生、扩展及最终失效。