随机振动疲劳寿命评估频域法模型适用性研究

为了研究频域法中的应力幅值概率密度函数(Probability Density Function,PDF)模型在随机振动疲劳寿命评估过程中的适用性，首先介绍常用的5种频域法模型，接着设置由不同谱宽系数、中心频率和功率谱密度(Power Spectral Density,PSD)谱值组合的限带白噪声应力功率谱。在此基础上利用傅里叶逆变换得到对应的时域信号，并将频域法模型计算得到的应力幅值概率密度函数与模拟的时域信号经过雨流循环计数得到的结果进行对比，评估各种频域模型的适用性和精度。结果表明，在整个带宽范围内，ZhaoBaker模型和Dirlik模型都有较高的准确性和适用性，Weibull模型在模拟小谱宽系数(ε<0.15)的单峰谱和谱宽系数大于0.6的宽带PSD时拥有不错的精度；频域模型的精度误差都随中心频率和谱值的增加有不同程度的下降。     

基于振动时域信号并行雨流处理的振动疲劳寿命预估

对振动时域信号进行雨流计数处理构建疲劳载荷谱是进行时域振动疲劳研究的关键.工程实际中的振动信号载荷历程普遍较长,时域样本规模较大,对此类时域信号进行传统雨流计数处理精度差、计算时间长,因此在传统雨流计数的基础上引入了并行雨流计数处理,适用于处理长时间历程的振动信号,特别是含低频信号的振动信号.构建信号的疲劳谱后再结合S-N曲线和损伤累积理论实现了时域振动疲劳寿命的计算.初始程序在Matlab平台上完成,通过执行文件转成Labview程序并编制操作页面,简化操作,实现结果可视化.以航空典型结构加筋板为例,对比疲劳试验结果,验证了所编程序计算的精确性.     

定日镜结构的动力风效应和风致疲劳损伤研究

典型的定日镜结构由下部立柱支撑扭矩梁、桁架、驱动传动系统及上部镜面板组成,一般位于平坦开阔地区,所受风荷载较大,风致振动较为显著。建立了某定日镜整体结构的精细化有限元模型,镜面尺寸为8 m×8 m,立柱高5 m。分布于镜面的脉动风荷载通过风洞试验测得,完成了定日镜整体结构在不同水平风向角和不同镜面仰角下的风振响应时程分析。分别基于雨流法、等效应力法、等效窄带法、等效宽带法,结合Miner疲劳线性累积损伤理论,实现了时域与频域内的定日镜结构关键部位在最不利风荷载工况下的风振疲劳损伤分析,并对各种方法得出的损伤值进行了比较,验证了疲劳损伤频域分析方法的有效性。     

风力机钢塔筒结构风致疲劳分析方法研究

高耸、轻柔的风力机钢塔筒结构在风荷载作用下的抗疲劳设计是一项重要且难度较大的工作,该文主要探讨其风致疲劳的分析理论与方法,并在某典型风力机结构中加以应用。建立了包含“叶片-机舱-塔筒-基础”的风力机结构整体有限元模型;基于气象站的气象资料推导得到了风力机位置处的风速风向联合分布函数;对风力机钢塔筒结构进行了风振响应时域分析,系统地建立了风力机钢塔筒结构合理考虑叶片旋转效应、风向及低应力幅循环对疲劳损伤有折减影响的风致疲劳寿命时域和时-频域分析方法。研究表明：叶片旋转效应对钢塔筒响应的均方根值影响较为显著,风力机钢塔筒结构风致疲劳寿命分析需考虑叶片的旋转效应。风向对钢塔筒结构的风致疲劳累积损伤影响较大,在风向出现概率较大的区间产生的风致疲劳累积损伤较大。相对于时域分析方法,时-频域分析方法计算得到的钢塔筒结构疲劳寿命均偏低,且计算较简便。建议采用雨流修正后的等效应力法、TB-2和Dirlik公式来进行风力机钢塔筒结构的风致疲劳寿命预测分析。针对实际设计需求,兼顾安全性和经济性,建议采用不同的风致疲劳分析方法。     

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。     

基于包络谱带通峭度的改进谱峭度方法及在轴承诊断中的应用

快速谱峭度法(Kurtogram)是解决用于滚动轴承故障诊断的共振解调方法中带通滤波器中心频率和带宽参数确定问题的有效方法; Kurtogram以滤波后时域信号的峭度值作为滤波效果度量指标,然而该指标易受非高斯噪声和偶然性非周期冲击影响,可能导致滤波频带选择错误。考虑到偶然性冲击和非高斯噪声的包络谱与周期性冲击包络谱之间的特性差别,同时为了排除齿轮局部故障和转子碰摩等故障造成的冲击影响,提出按一定规则截取滤波后信号包络谱的中间段,并以该段数据的峭度值衡量周期性冲击响应的强弱,称为包络谱带通峭度;以包络谱带通峭度代替Kurtogram中滤波后时域信号的峭度值,得到一种改进的快速谱峭度方法。以仿真信号和实验室实测信号分析验证了该方法的有效性和优越性。     

3D数字路面底盘构件载荷分解研究

汽车底盘零部件载荷谱是分析构件疲劳性能的关键要素。传统采用虚拟迭代提取载荷谱的方法存在研发周期长、成本高等缺点。基于此,采集了试验场典型强化路不平度的高程数据,建立3D数字路面模型,开展了试验场典型强化道路试验,得到实车轮心六分力、悬架和车身关键点监测信号;基于ADAMS/CAR建立整车刚柔耦合多体动力学模型,并通过室内台架试验依次对整车模型和轮胎模型进行校验;采用3D数字路面法和虚拟迭代法开展整车多体动力学仿真,并将仿真数据与实车测试信号从时域、频域、RMS值、伪损伤比和穿级计数等数据统计角度分析对比。结果表明,基于3D数字路面仿真数据精度略低于虚拟迭代法,但两种方法在各典型路面工况下监测信号时域和频域曲线整体趋势基本一致,RMS值相对误差在30%以内,伪损伤比值均介于0.65～1.70,可满足后续疲劳分析的精度要求;3D数字路面仿真能够较为准确的反映强化路载荷工况,在零部件研发初期可进一步提高效率,降低成本。     

EEMD在道路载荷谱降噪处理中的应用

针对道路载荷谱实质为非平稳信号的特点,以及经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)降噪存在模态混淆的问题,将集成经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)应用于道路载荷谱降噪处理,并从时域、频域和雨流域同EMD降噪效果进行了分析对比。提出基于EEMD的载荷谱信号降噪计算步骤,给出EEMD计算参数的求取原则,讨论计算参数对降噪效果的影响。结果表明,EEMD可以较好地估算并降低载荷谱信号中的噪声水平,提高信噪比和疲劳循环次数统计精度。     

岸桥起重机随机风振疲劳可靠性分析

基于时域方法研究岸桥起重机的风振疲劳可靠性问题。采用谐波叠加法给出了符合Davenport风速谱的多维脉动风速时间历程,基于Bernoulli方程得到相应的风压时间历程,并将相应的风压荷载作用于有限元模型,采用雨流计数法处理结构关键点的应力响应。基于疲劳失效的Basquin方程、Miner线性累积损伤准则和Goodman平均应力修正方程导出疲劳累积损伤的概率模型。考虑平均风速的概率分布,提出了基于概率累积损伤机制的风振疲劳可靠度和可靠性寿命计算方法,为岸桥起重机的风振疲劳可靠性分析作了一些有益的探索和研究。     

雨流循环均值-幅值二维联合概率密度的实用算法

在实际工程结构疲劳损伤计算中，经常忽略雨流循环均值，而只考虑幅值的影响。这对计算结果会带来一定的误差，尤其是那些对均值影响比较敏感的材料来说更是如此。若考虑雨流循环均值的影响，在时域计算中可以很方便地实现，但在频域中则必须得到雨流循环均值-幅值二维联合概率密度。本文针对工程中常常遇到的平稳Gauss随机过程，提出由结构响应的PSD得到雨流循环均值-幅值条件概率的简便计算公式，进而结合Dirlik经验公式直接计算出雨流循环均值-幅值二维联合概率密度函数的实用方法。     

四立柱可靠性试验载荷谱标准化方法研究EI北大核心CSCD

基于四立柱的台架试验是整车开发过程中可靠性评价的重要方式,当前以试验场整车载荷采集-路谱迭代的试验方式需要对每一个车型均进行实车载荷测量,存在试验周期长且产品可靠性不足时改进成本高等问题。以同一试验场可靠性规范下不同车型载荷相似性基础,开展整车四立柱台架试验载荷谱的标准化研究。分析四种车型整车四立柱台架试验载荷特征,确定各路况下不同车型同一车轮在时域、频域及损伤域的相似性,左右轮载荷时域相关及频域相干、前后轮载荷间时延特征;以同一车轮的功率谱密度分布拟合,选取覆盖一定百分位水平的功率谱作为目标重构单侧车轮时域载荷信号;综合相关和相干特征构造对侧车轮时域载荷历程;基于前后车轮时延特征,构造后轮载荷历程,最终形成整车四立柱台架试验标准化载荷谱。通过对比标准化载荷谱和实测道路谱的时域、频域、雨流、损伤,分析标准化载荷谱的合理性,以某SUV实际台架试验进行实际验证。结果表明,构造的标准化载荷谱有效复现试验场载荷下的失效情况,可为整车可靠性的快速验证提供有效手段。     

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.     

基于统计能量理论的飞行器壁板高频声振疲劳寿命预报及参数设计

为研究高速飞行器受高频脉动噪声载荷激励下的结构声疲劳问题,讨论了基于应力谱的频域疲劳损伤计算方法。该文提出了一种基于统计能量理论（SEA）的结构高频随机振动疲劳寿命计算方法。在该方法中,首先采用SEA计算子系统的均方应力,然后引入模态间隔的Rayleigh和Poisson分布假设,生成飞行器壁板的随机模态空间并构建危险点的应力谱曲线,进而结合频域疲劳寿命分析方法,采用Monte Carlo模拟求解壁板的疲劳寿命。验证分析表明,基于SEA和Monte Carlo模拟的结构高频声振疲劳寿命分析方法计算精度高,是高速飞行器强度设计的一种可靠方法。在此基础上,考察了壁板厚度和结构阻尼参数对壁板声振疲劳寿命的影响,计算结果表明,当输入声压谱一定时,存在局部最优解,采用该局部最优解作为壁板的设计参数可明显降低结构质量。     

车辆悬架零部件载荷谱提取方法研究

优选载荷谱提取方法是提高汽车悬架零部件疲劳性能分析精度的关键。基于此,以某紧凑型SUV和某中级轿车为测试车型,通过实车试验场强化路面和室内振动台架试验采集得到轮心六分力和悬架多个监测部位的加速度、位移响应信号;实测整车参数并在ADAMS软件中建立整车刚柔耦合动力学模型;采用虚拟迭代法和约束加载法对多种振动台工况进行仿真,获取整车模型中监测点响应数据;在时域和均方根值两方面对比分析车身和悬架监测点的仿真与实测曲线。研究表明:约束加载法更适用于高频率、低幅值振动工况;虚拟迭代法相比约束加载法适用范围更广、仿真精度更高,但更耗时;同时,通过试验场搓板路和长波路工况验证了上述结论,分别使用虚拟迭代和约束加载两种方法提取了转向节载荷谱,基于伪损伤值分析了结果差异,并且发现约束加载法提取的载荷谱分析转向节疲劳寿命较虚拟迭代法保守。     

基于小波分析的高层建筑气动阻尼评估方法

将小波分析应用到结构风工程领域,介绍了一种基于小波分析的高层建筑气动阻尼评估方法,该方法不仅适用于单自由度高层建筑气弹模型的气动阻尼比识别,而且适用于多自由度高层建筑气弹模型的气动阻尼比识别.运用改进的随机减量技术(IRDT)对一多自由度高层建筑气弹模型风洞试验数据进行分析,得到顺、横风向顶部加速度的随机减最特征信号(RDS),然后对该特征信号进行连续的复Modet小波变换,最后计算得到该高层建筑顺、横风向侧向振动的一阶气动阻尼比,并且总结出其变化规律.     

矩形超高层建筑横风向脉动风力,Ⅱ:数学模型

系列文章的第一部分总结了矩形截面高层建筑横风向脉动风力的基本特征。在此基础上,采用非线性最小二乘法,以风场类型及厚宽比为基本变量,对横风向脉动风力根方差系数、竖向相关系数以及功率谱密度进行拟合,得到横风向脉动风力的闭合求解公式。最后通过与试验结果的比较,验证了这些公式的精度。运用这些公式,可较为方便地计算矩形截面高层建筑的横风向脉动风力。     

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。     

橡胶隔振器加速疲劳试验谱的编制方法研究

通过大量的橡胶动静刚度试验和疲劳试验,分别获取了某填充型天然橡胶材料在各试验条件下的动静比数据表和疲劳寿命数据表。以发动机悬置为例,在充分考虑橡胶材料动态特性的基础上,建立了道路载荷值与应变值的转换关系。对采集的道路载荷谱进行雨流计数,根据Miner线性损伤累积理论与损伤等效原则,编制得到最终的加速疲劳试验谱。用该加速疲劳试验谱对发动机悬置进行疲劳试验,试验结果表明：用该方法编制的加速疲劳试验谱可成功应用于悬置等橡胶隔振器零件的疲劳试验,并且较大程度地缩短了试验与产品开发周期。     

一般尺度法的振动疲劳强化系数分析

在Dirlik模型的基础之上,结合一般尺度法（General scaling law）提出适用于平稳宽带随机过程的疲劳强化系数模型。一般尺度法认为结构在原始载荷和强化后载荷下的应力响应功率谱各阶谱矩成简单的线性关系;与Dirlik宽带疲劳损伤模型结合,便得到适用于平稳宽带随机过程的疲劳强化系数模型。为了验证模型的有效性,分别在原始加速度功率谱和经一般尺度法强化后的加速度功率谱载荷下;对悬臂梁采用雨流计数(Rainflow counting)和Miner损伤准则进行疲劳寿命预测,得到它们的疲劳强化系数,并与疲劳强化系数模型得到的疲劳强化系数进行对比。结果表明：提出的疲劳强化系数模型精度为99.7 %,由此可验证疲劳强化系数模型的有效性。     

高层建筑横风向风致响应及等效静力风荷载的分析方法

高层建筑横风向风致响应和等效静力风荷载是风工程和结构工程领域关注的问题。基于既有高层建筑横风向气动力和气动阻尼研究成果,推导出一套高层建筑横风向风致响应及等效静力风荷载的计算方法。该方法考虑了广义气动力的振型修正、气动阻尼及背景分量对风致响应的影响。通过算例与日本AIJ(2004)推荐的横风向荷载的计算方法进行了比较,显示了本计算方法的便捷性和结果的准确性,并分析了振型修正、气动阻尼和背景分量等因素对计算结果的影响。