随机声载荷作用下的复杂薄壁结构Von Mises应力概率分布研究

随机声载荷作用下的某些复杂薄壁结构的振动疲劳属于多轴疲劳,Von Mises 应力准则是多轴疲劳损伤分析的一条有效途径。本文通过对有限带宽高斯白噪声载荷作用下结构Von Mises应力概率分布研究,分析提出Von Mises应力服从双参数Weibull分布或Lognormal分布,并且给出了估算这两种概率分布参数的方法,进而得到了Von Mises应力峰值概率密度函数,从而为结构的疲劳损伤寿命估算提供依据。在工程应用中采用耦合的有限元和边界元方法计算了某型航空发动机燃烧室火焰筒薄壁结构在随机声载荷作用下的振动应力响应功率谱密度,着重分析了Von Mises应力响应的概率分布特征,并对分析结果采用Kolmogorov-Smirnov (K-S)检验进行了比较验证。     

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。     

一种基于三轴与单轴随机振动最大应力等效的载荷裁剪方法

为了避免三轴振动试验对产品造成过试验问题,现以单轴振动试验标准为基准,进行基于三轴振动与单轴依次振动最大响应应力等效的三轴载荷谱裁剪。首先对线性系统在随机振动下激励与响应均方根值的关系进行推导,将单轴振动时的最大等效应力与三轴振动时的最大等效应力的比值n作为三轴振动载荷谱均方根值的裁剪系数,裁剪保持载荷谱扫频范围、拐点频率值以及载荷谱斜线段的斜率N不变,根据梯形谱均方根值计算公式反推出梯形载荷谱直线段谱值,进而得到满足三轴与单轴随机振动最大应力等效的三轴载荷谱。通过对某典型舱段结构进行三轴载荷谱的裁剪,并将载荷谱裁剪后的三轴振动应力响应与载荷谱裁剪前的单轴振动应力响应进行对比,验证了方法的有效性与准确性。     

一种多轴向耦合随机激励下缺口试件振动疲劳寿命预测方法EI北大核心CSCD

提出了一种多轴向耦合随机激励下缺口结构振动疲劳寿命预测的频域分析方法。实施了缺口试件的双轴向随机振动疲劳试验,研究了两个振动轴向上载荷谱之间的相干性和相位差对缺口试件疲劳损伤的影响规律;通过随机振动分析计算得到试件缺口根部各节点的应力功率谱密度矩阵,并假设缺口试件裂纹萌生点为历经von Mises应力最大均方根值的节点;缺口试件疲劳临界点可由疲劳裂纹初始点和修正临界距离理论确定;在疲劳临界点处通过Carpinteri-Spagnoli频域准则计算缺口试件的振动疲劳寿命,并与试验结果进行了对比。结果表明:该多轴缺口疲劳预测方法具有较高的预测精度,绝大部分预测结果都在3倍误差带内。     

钢质天线结构风振疲劳寿命估算方法比较研究

根据一屋顶钢质天线结构气弹模型风洞试验结果,计算了疲劳分析关键点处的应力响应功率谱;基于疲劳累积损伤理论在频域上用等效窄带法对钢天线进行寿命估算;同时,根据关键点处的应力响应功率谱,用Monte Carlo方法模拟了应力时程响应,并用雨流法对应力时程响应进行计数,用Goodman法则考虑平均应力的影响后得到应力范围出现的概率,然后拟合了应力范围的概率密度函数,对天线进行寿命估计.结果表明,采用两种方法估算的结构风致疲劳寿命相近;平均风对结构的疲劳寿命影响很小.     

超高斯随机振动试验系统及其并行测控技术

针对传统随机振动试验技术不能够精确模拟实际超高斯随机振动环境的问题,设计一种超高斯随机振动试验系统,并给出其并行测控技术。首先构建超高斯随机振动试验的硬件系统;然后对振动加速度信号的峭度与功率谱密度两项指标采用并行修正的控制方法,其中峭度采用均衡算法,功率谱密度采用自适应逆控制的迭代算法;最后利用泊松过程将修正后的峭度与功率谱密度信号合成超高斯驱动信号,以驱动振动试验台。实际振动试验测试表明:驱动信号具有典型的超高斯特性,响应功率谱密度符合±3 dB的允差要求,响应峭度控制在±7%的误差范围,达到更符合实际振动环境的试验要求。     

基于聚类分析和支持向量机的非等间隔应力谱编制方法

为保证根据实测应力-时间历程数据编制的应力谱最大程度反映载荷实际作用特性，提出了一种基于疲劳损伤的非等间隔应力谱编制方法。通过引入非等间隔自适应比值系数，根据损伤等效原则，建立应力谱分级数与疲劳损伤关系数学模型；考虑每个应力循环的属性特征，采用聚类分析对所有应力循环进行分类，结合支持向量机多分类进行判别，得到不同分级数下的准确率和预测图；综合考虑数学模型得到的损伤相对误差和支持向量机分类准确率，选取应力谱最佳分级数，编制了相应的非等间隔应力谱，并与目前常用的等间隔和非等间隔8级谱进行比较。分析结果表明：基于损伤等效原则，采用聚类分析和支持向量机进行应力谱分级，不仅考虑了所有应力循环的整体特征，很大程度保留了应力的局部信息和属性，且根据疲劳累积损伤理论得到的损伤与实际损伤结果差异明显降低，从而更能准确反映实测数据的应力特性和疲劳效应，可为其他实测载荷-时间历程数据进行非等间隔分级和载荷谱编制提供参考。     

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。     

薄壁板在随机声载荷作用下的振动响应谱估算

针对飞行器薄壁结构声疲劳问题，研究了具有多模态的薄壁板结构在声载荷作用下振动响应谱的估算方法。基于正交模态法，采用结合受纳函数描述结构模态和声场空间压力分布的耦合关系，建立动态响应计算模型。为与试验结果进行对比，选取具有固支边界的金属薄壁板作为研究对象，以试验测得的噪声载荷作输入，计算了该结构的振动响应谱，估算了均方应力，并将计算结果与试验数据进行比较和讨论。     

某结构件的随机振动疲劳分析

为了对某机载产品进行结构疲劳分析,采用有限元分析软件ANSYS对产品结构进行了模态分析和随机振动分析。结合模态试验修正了有限元模型,由随机振动分析得到应力响应功率谱,最后利用频域方法计算结构的疲劳损伤。仿真结果基本吻合强化试验结果,并给出了产品结构设计改进方案。     

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.     

多频正弦信号峰值因子最小化方法研究

为有效解决频率特性测试中多频正弦激励信号的峰值因子最小化问题,基于Schroeder相位编码准则,针对均匀功率谱信号,从相位修正的角度出发,提出一种基于自适应遗传算法的相位修正方法;针对非均匀功率谱信号,从功率调制的角度出发,采用代数方法推导出一种正弦调制的调制通式。通过Matlab进行数值仿真,与采用Schroeder相位编码方法计算的结果进行比较,实验表明:两种方法均能使信号的峰值因子平均降低0.2,且使信号的峰值因子保持在2以内,更适合作为频率特性测试的激励信号,其中添加修正项的均匀功率谱信号更适合大频带测试,而应用正弦调制的非均匀功率谱信号更适合小频带测试。     

国产轿车后轴强化路耐久性断裂试验研究

为研究国产某型轿车试验场强化路可靠性试验阶段出现的后轴断裂问题,采集断裂部位附近的应变载荷谱,应用Neuber法则和循环应力-应变滞回环曲线方程,将名义应变历程转换为断裂位置的局部应力-应变响应,根据Manson-Coffin模型修正平均应力对疲劳损伤的影响,在INFIELD软件中编程计算断裂裂纹处的损伤。利用电磁激振器对后轴与车身进行振动模态扫频,识别后轴振动频率与强化路激励频率及车身振动频率关系。试验结果表明,裂纹处的疲劳损伤主要集中在搓板路面,搓板路强迫振动激励频率为24.07Hz时,后轴振动模态频率与搓板路激励频率较接近而引发共振,致使后轴因高应力集中产生较大应变和疲劳损伤发生振动疲劳断裂。     

残余应力和粗糙度对叶片振动疲劳性能的影响

为了研究叶片表面完整性对其振动疲劳性能的影响,本文模拟分析了某型高温合金叶片在振动疲劳实验过程中的动力学应力响应,获得叶片共振时应力幅值随时间的变化规律,分析了残余应力和粗糙度对叶片振动疲劳寿命和疲劳极限的影响规律.结果表明:叶片共振过程中的应力响应幅值先增大后减小呈周期性变化,属于"拍"现象,满足关系σ=1 046sin(242.83t)sin(5 828t);叶片的振动疲劳极限和疲劳寿命均随残余应力和粗糙度的增大而减小,振动疲劳极限和残余应力之间的关系满足σfat=510.9-0.31-70.93σrest;而疲劳极限和粗糙度之间的关系则满足σfat=9.67R2roughness-70.93Rroughness+713.23.     

湍流激励下结构振动特性的半解析半数值算法研究

提出了一种基于随机激励理论计算结构在湍流激励下振动特性的半解析半数值算法.对经典的corcos模型给出的湍流脉动压力功率谱密度表达式进行离散碍到湍流脉动压力功率谱密度矩阵作为输入,采用有限元边界元数值算法计算出考虑流固耦合作用时结构的频响函数矩阵,进而结合随机理论计算出结构在湍流激励下速度响应的功率谱密度矩阵,同已有文献中解析法计算结果吻合较好,证明了计算方法的正确性.之后,将本文计算方法应用到湍流激励下单层圆柱壳振动特性的计算研究.结果表明:半解析半数值方法将经典的corcos模型和有限元边界元数值算法相结合,能够很好解决一些外形规则内部结构复杂的工程问题,具有较强的工程应用价值.     

基于灰色模型的电动助力车车架耐振性试验寿命预测

选取了4款踏板式电动助力车车架,每款10个试件,采用JS-49整车振动试验机对每个试件进行耐振性测试,获取每个试件断裂时的振动循环次数。建立了各款车架的有限元振动分析模型,对振动试验进行仿真,提取了各款车架危险位置单元的Von Mises应力峰值,每款车架对应一个应力水平。将疲劳应力与振动循环次数的关系看作一个灰色系统,运用灰色系统方法建立了GM(1,1)模型,并求解了灰色系统模型的微分方程,得到了车架在振动试验中的疲劳寿命预测模型。为了对该模型的效果进行检验,另外选取了3款同类车架进行相同条件下的耐振性测试,每款车架6个试件。通过与试验结果进行对比,发现灰色模型预测的平均相对误差为4.08%,且相对于多项式拟合更能反映真实的应力-寿命的变化趋势。结果表明,可用灰色模型对此类产品的设计进行指导。     

多点激励功率谱再现振动试验控制研究

通过对多点激励功率谱再现振动试验控制算法研究.设计基于偏相干分析理论的振动试验系统频响矩阵辨识策略,针对系统频响矩阵存在奇异点及系统频响矩阵为长方矩阵情形,设计基于求解频响矩阵广义逆和矩阵最小范数最小二乘解的Moore-Penrose逆系统解耦算法。针对传统差分修正驱动谱控制算法中存在系统功率谱自谱为负数或零值问题,通过引进比例均方根反馈修正算法,设计改进的功率谱均衡控制策略,有效避免功率谱均衡过程中自谱产生负值或零值问题。多点激励功率谱再现振动试验表明,改进的功率谱均衡控制策略对多点激励系统具有可靠、高精度的控制效果。     

随机荷载作用下参数不确定结构的疲劳损伤估计

基于改进区间分析和频域疲劳计算方法,对参数不确定结构在平稳高斯荷载作用下的疲劳损伤进行研究,提出完全混合和简化计算两种方法。采用区间变量模型定义结构的不确定参数,功率谱密度描述外荷载的随机性;利用有理级数显式表示结构区间频响函数及在平稳高斯荷载作用下不确定结构的应力响应区间。通过数值方法验证疲劳损伤期望率关于不确定参数的单调性后,将应力响应中不确定参数的界限完全组合提出完全混合方法,准确估计参数不确定结构的疲劳损伤期望率区间;简化计算方法则将不确定参数的界限适当组合,由显式表达式近似计算结构的疲劳损伤期望率区间。算例表明,两种方法均具有较高计算精度,且大幅减少计算量。     

一种基于临界平面法的多轴疲劳寿命预测模型

在多轴交变应力作用下,由于非比例循环附加强化效应导致疲劳寿命降低。针对这一问题,以薄壁圆管疲劳试件为研究对象,在分析临界平面上剪应变和正应变随相位角变化特征的基础上,引入了一个新的有效循环变量———临界平面上的等效应力,提出了一种新的多轴疲劳预测模型。新的损伤参量不含经验常数,便于工程实际的运用。通过和铝合金7075-T651多轴疲劳实验数据比较,结果表明,所提出的多轴寿命预测模型具有更好的预测精度,适用于比例与非比例加载条件。