一种结合UKF的疲劳结构剩余寿命预测方法

针对机械系统中疲劳结构的剩余寿命(RUL)预测问题,提出了一种结合无迹卡尔曼滤波算法(UKF)的RUL预测方法.该方法包括疲劳裂纹性能参数评估和RUL预测两个部分.在性能参数评估部分,通过对Paris疲劳裂纹扩展公式进行离散化,建立了参数状态空间评估模型,并利用传感器获得的实时状态信息结合UKF算法对状态空间评估模型中的疲劳性能参数(C和m)以及疲劳裂纹长度表现出的不确定性进行评估,以避免状态信息不完备、工况噪声等不确定因素对结构疲劳寿命预测的影响;在剩余寿命预测部分,利用UKF算法评估得到的参数结果,结合离散化得到的递推裂纹扩展模型,对结构的剩余寿命进行预测.仿真结果表明:提出的方法能够很好地处理疲劳裂纹扩展模型中疲劳性能参数的不确定性,且在剩余寿命预测上,通过与扩展卡尔曼滤波算法(EKF)进行比较分析,发现所提方法能够更准确地预测结构疲劳裂纹的RUL.将离散的Paris疲劳裂纹扩展公式和UKF算法进行结合,能够有效地提高疲劳结构的剩余寿命预测精度.     

基于失效路径的含裂纹起重机寿命预测

针对桥式冶金起重机金属结构裂纹缺陷失效临界尺寸值难以确定的问题,通过交变载荷加载试验,对裂纹缺陷的失效路径和失效速率进行仿真,得到其真实的失效离散轨迹.利用Matlab进行曲线拟合,建立失效速率与裂纹尺寸之间的函数关系式,采用数值积分法计算缺陷剩余寿命,得到速率拐点处裂纹的几何参数,即标准临界尺寸值,为Paris迭代法评估金属结构疲劳裂纹失效提供了理论依据.     

随机载荷加载下疲劳裂纹扩展速度的一种计算方法

为了揭示出随机载荷加载下,疲劳裂纹扩展速度的规律,利用临界平面方法,把多轴随机载荷等效为单轴随机载荷,并进而简化为单轴多级恒幅载荷谱,然后利用恒幅疲劳裂纹扩展的速度公式,计算裂纹的总增加量,推导出随机载荷加载下疲劳裂纹扩展速度的计算公式。通过对试件的疲劳寿命预测,验证了该公式的正确性。     

基于应变监控数据的金属结构疲劳裂纹量化模型研究

实时获取金属结构的疲劳裂纹长度是开展飞机单机寿命监控和剩余寿命估算的基础。采用深度学习方法，提出了一种基于应变监控数据的金属结构疲劳裂纹长度预测模型，通过构造循环对抗网络模型、裂纹尺寸的分类模型和裂纹长度的量化模型，分别实现了含裂纹结构的应变试验数据与有限元模型数据的映射、裂纹尺寸范围的准确分类、裂纹长度的精确量化。将上述方法应用于中心带孔金属板在随机载荷谱下的疲劳裂纹监测，有效实现了疲劳裂纹长度的实时预测。与试验结果对比表明，单孔板的孔边疲劳裂纹长度预测误差小于1 mm,满足工程实际的需求。     

门座起重机疲劳裂纹扩展寿命分析研究

门座起重机存在大量因疲劳裂纹导致结构破坏的现象,所以进行疲劳裂纹扩展寿命分析,预测起重机剩余安全使用期的研究就显得非常必要.先对疲劳裂纹扩展寿命进行理论推导,在此理论基础上,制定疲劳裂纹扩展寿命分析的流程;接着以某台100t门座起重机的一处裂纹为研究对象,通过无损探伤确定裂纹尺寸和位置,获取准确的应力谱,在各种典型工况下,对该裂纹进行疲劳裂纹扩展寿命分析研究.定性分析结果表明该裂纹为安全裂纹.该方法能较真实地反映门座起重机的剩余寿命状况,为解决剩余寿命分析问题提供参考.     

蒙特卡罗法和一次二阶矩法在压力容器疲劳分析中的应用

通过分析影响裂纹扩展寿命的多个随机因素,使用疲劳寿命模型,讨论了裂纹尺寸的计算方法。考虑压力容器所承受载荷、材料断裂韧性、裂纹尺寸等参数,使用一次二阶矩方法和Monte Carlo法计算,得出了在一定可靠度下的疲劳裂纹扩展寿命,并计算了在一定使用寿命时结构的失效概率。比较了不同初始裂纹尺寸对疲劳寿命的影响。算例表明,它在疲劳寿命的可靠性估计中的应用及其工程意义。为工程界进行含裂纹结构的概率损伤容限评估提供一定的理论依据。     

高强度钢随机载荷下裂纹扩展模型

工程结构在全寿命周期内大多都承受随机载荷作用,随机载荷中载荷顺序对裂纹扩展有显著影响．用基于裂纹闭合现象的裂纹扩展模型依次模拟恒幅载荷、过载峰及随机载荷作用下的疲劳裂纹扩展．通过裂纹张开应力反映裂纹闭合效应,将Paris公式计算疲劳裂纹扩展,将有效应力强度因子范围代入Paris公式中计算,并用高强度钢程序块载荷下疲劳实验结果与计算结果比较．结果证明,基于裂纹闭合现象的裂纹扩展模型能很好地模拟随机载荷下的疲劳裂纹扩展,理论计算结果与试验结果相吻合,具有工程实用价值．     

破损舰体结构疲劳裂纹扩展试验研究

针对破损舰船的疲劳寿命问题,采用预制缺口的疲劳试样模拟破损舰体结构,利用液压伺服疲劳试验机对舰用疲劳试样进行了拉伸疲劳试验,研究了平板和加筋板预制缺口疲劳试样在拉伸疲劳载荷作用下的裂纹扩展规律,确定了不同疲劳应力幅值作用下疲劳试样裂纹开裂的临界疲劳次数,得出了裂纹长度、疲劳载荷循环次数和疲劳应力幅值之间的拟合关系式,并与高频疲劳试验进行了比较.试验结果对预报破损舰船在波浪中航行时的裂纹扩展情况有重要参考价值.     

铬钼钢在氢蚀下的疲劳裂纹扩展研究

对铬钼钢在氢腐蚀环境下的疲劳裂纹扩展行为作了研究．重点考查了在不同的温度、压力、时间和载荷比等情况下的疲劳裂纹扩展特性，并找出了对Ｐａｒｉｓ公式中的系数的影响趋势．从而为石油化工设备的寿命评估、安全评定以及压力容器的可靠性设计提供必要的理论和实验依据．     

硫化氢腐蚀疲劳环境中高压气瓶临界裂纹尺寸计算

针对当前高压天然气瓶缺乏“检验与评价标准”的现状,按照断裂力学与概率统计理论,从H2S应力腐蚀角度出发,在符合实际工况的中等质量分数的H2S溶液、6．7μHz超低周频率下进行了系列试验,得到了腐蚀疲劳裂纹扩展速率dα／dN-△K的数学表达式．用逆推方法,在综合考虑H2S应力腐蚀下的极限裂纹尺寸、腐蚀疲劳环境中的裂纹扩展量、实验数据的随机性与可靠度、不同检验周期实用性的基础上,定量给出了多种检验周期下气瓶初始最大允许裂纹尺寸,绘制了裂纹评定图,为制定气瓶的检验周期及进行寿命评估提供了实验依据．     

高载比和高载出现频率对随机加载疲劳裂纹扩展行为的影响

陈述了以１６Ｍｎ钢紧凑拉伸试进行的变幅加疲劳裂纹扩展行为研究。通过改变瑞利分布随机荷载谱的高荷载比和高荷载出现频率，改变得复单峰过载谱中高载出现频率，研究了这些因素对疲劳裂纹扩展和寿命的影响。实验表明：随机加载条件下，高荷载对裂纹扩展的影响没有单峰过载加载时大；高载比和高载出现频率是影响裂纹扩展的重要因素；在实验随机加载条件下；高载比和高于２．０时，高荷载才对裂纹扩展有明显的迟滞作用，高载比小于２     

橡胶球铰疲劳裂纹扩展寿命预测

通过橡胶纯剪试样疲劳裂纹扩展试验,得出了裂纹扩展速率与撕裂能之间的关系;以单位撕裂能范围为损伤参量,建立了复杂应力状态下的橡胶疲劳裂纹扩展寿命预测模型.基于ABAQUS有限元结构分析和橡胶材料等效应力计算方法,得出橡胶球铰在疲劳载荷下的单位撕裂能范围;对橡胶球铰的疲劳裂纹扩展寿命进行分析预测,并通过产品台架疲劳实验进行验证,结果表明橡胶球铰经过200万次疲劳试验后无明显裂纹,没有发现失效破坏,与寿命预测值基本吻合.     

钢桥腐蚀-疲劳耦合计算模型及影响因素分析

为了研究钢桥在交通荷载和腐蚀环境共同作用下的疲劳性能,考虑钢桥腐蚀-疲劳耦合效应,建立有2个阶段的腐蚀-疲劳耦合计算模型. 在点蚀坑萌生阶段,考虑循环交通荷载对腐蚀过程的加速作用;在裂纹扩展阶段,引入裂纹扩展腐蚀加速因子,考虑腐蚀环境对裂纹扩展的影响. 对钢桥顶板和纵肋焊接节点的腐蚀疲劳寿命算例分析表明：考虑腐蚀-疲劳耦合作用的疲劳强度相对于疲劳试验、规范AASHTO、规范BS5400和不考虑腐蚀-疲劳耦合作用的情况,分别降低41.25%、28.80%、44.60%和10.90%. 对所建模型开展加载频率、腐蚀环境、腐蚀坑形貌特征等影响因素的比较研究,结果表明：随着加载频率的增加,焊接节点的腐蚀疲劳强度递增,当加载频率大于0.6 Hz时,焊接节点的腐蚀疲劳强度相近;随着腐蚀环境变强,腐蚀电流和腐蚀速率逐渐增大;腐蚀疲劳强度随着腐蚀坑形貌特征的增大而增大.     

疲劳载荷循环比与频率对裂纹扩展速率的影响

主要研究了具有不同循环比与不同加载频率的疲劳载荷作用下线弹性裂纹扩展问题.通过分析论证,定量地计算出具有不同循环比与不同加载频率的疲劳载荷作用下直线裂纹和弯曲裂纹的扩展速率.综合考虑了疲劳作用应力、裂纹尖端应力强度因子的变化幅值,总结出直线裂纹和弯曲裂纹扩展速率关于疲劳载荷循环比和加载频率的变化函数.     

Q345圆钢杆的疲劳破坏模型

为研究结构钢圆杆的疲劳破坏模型,以结构钢的椭球面断裂模型为开裂判据,由结构钢圆杆疲劳裂纹的裂尖真实应力场,计算出结构钢圆杆疲劳裂纹的失稳扩展面积、稳定扩展面积和稳定扩展长度.基于结构钢疲劳裂纹随加载次数加速扩展的试验事实,假定结构钢圆杆的疲劳裂纹稳定扩展速率是循环加载次数的单调递增幂函数,即双对数坐标系下结构钢圆杆的疲劳裂纹稳定扩展速率和循环加载次数为单调递增线性函数,积分后得到结构钢圆杆的疲劳裂纹稳定扩展长度和疲劳寿命间的函数表达式,导出结构钢圆杆的疲劳破坏模型.建议的结构钢圆杆的疲劳破坏模型表明,结构钢圆杆的疲劳寿命是名义最大应力、相对应力幅、初始裂纹位置和初始裂纹长度的复杂函数,不能简单化为仅是应力幅的函数.对Q345B圆钢杆进行了常幅循环应力疲劳试验,结果表明,Q345B圆钢杆的疲劳寿命随相对应力幅和名义最大应力的增加而降低.根据Q345B圆钢杆的疲劳试验结果,标定了其疲劳破坏模型参数,验证了建议的疲劳破坏模型精度.     

钢桥荷载谱中高荷载对疲劳裂纹扩展的影响

陈述了在随机加载条件下，Ｒａｙｌｅｉｇｈ分布荷载谱中高荷载对１６Ｍｎ钢疲劳裂纹扩展影响的研究。实验表明，在比较接近钢桥服役条件的荷载谱中，高荷载循环加速了疲劳裂纹扩展，缩短了裂纹扩展寿命。     

镁合金疲劳行为的研究现状及展望

简要介绍了镁合金在疲劳加载条件下的循环应力响应行为、疲劳裂纹萌生与扩展行为以及疲劳断裂的微观特征，分析了镁合金的显微组织、冶金和表面状态等材料内在因素以及环境、温度等外部因素对镁合金的疲劳强度、疲劳寿命、疲劳裂纹扩展速率的影响规律，指出了机械抛光、喷丸处理、表面滚压等表面机械加工方法以及适当的热处理均可有效地提高镁合金的疲劳强度和疲劳寿命．此外，也对镁合金疲劳行为的未来研究方向和发展趋势进行了展望．     

基于损伤累积效应的半潜式平台结构疲劳分析方法

采用简化法对半潜式钻井平台的疲劳损伤和应力范围进行分析,并通过平台结构疲劳谱闭合分析得到波浪谱的短期分布密度函数,根据Miner线性累积疲劳损伤准则求解平台整体疲劳损伤。研究半潜式钻井平台在极端海况下的疲劳损伤对其疲劳寿命的影响,以及历史疲劳损伤对在用半潜式钻井平台的剩余寿命产生的影响,并提出基于历史损伤累积效应和极端海洋环境载荷作用的半潜式钻井平台剩余寿命分析方法。     

含裂纹铆钉搭接板的权函数法与扩展寿命分析

铆钉搭接结构是典型的多位置损伤敏感结构,容易在多个铆钉孔边萌生疲劳裂纹,进而威胁飞机结构安全。由于裂纹个数、位置和大小随机多变,铆钉与平板间存在复杂的接触关系。为高效、准确计算多铆钉搭接板的应力强度因子以进行裂纹扩展寿命分析,提出针对搭接结构复杂裂纹问题的权函数分析方法。首先,对多铆钉搭接板的复杂裂纹构型进行合理简化分类,利用其对应的权函数求解应力强度因子。然后,采用有限元分析计算含裂纹多铆钉搭接板的应力强度因子以验证权函数法的计算精度。最后,将经验证的权函数分析方法结合Paris裂纹扩展公式,对铆钉搭接结构进行疲劳裂纹扩展分析,并通过试验验证分析方法的有效性。结果表明,采用权函数法计算的应力强度因子与完全采用有限元方法计算的应力强度因子的相对差别小于5%,分析预测的裂纹扩展寿命与试验结果吻合良好,且计算效率比完全采用有限元法快3个数量级,进而为铆钉连接结构孔边裂纹的应力强度因子和疲劳裂纹扩展分析提供了一个有效方法。     

滚子链链板疲劳裂纹的萌生及扩展

通过对带孔试件疲劳过程的动态观察，得到疲劳裂纹的萌生寿命及扩展速率；采用有限元法计算出在不同载荷及不同裂纹长度下带孔试件和标准链板（２４Ａ）的裂纹尖端应力强度因子幅值△Ｋ。从而，可以根据Ｐａｒｉｓ公式ｄａ／ｄＮ＝Ｃ（△Ｋ）＾ｎ得出滚子链链板疲劳裂纹的萌生及扩展规律。