随机载荷循环作用下的机械结构疲劳寿命预测模型

基于名义应力法建立了随机载荷循环作用下的结构疲劳寿命预测模型。分析了结构所受循环载荷作用的不确定性特征,在以循环载荷作用次数为寿命度量指标框架下,运用概率加权法和线性Miner累积损伤法则,分别建立了疲劳寿命与应力之间关系分别服从指数函数和幂函数两种形式时,随机载荷循环作用下的结构疲劳寿命预测模型,并运用所建立的模型对某转动轴的疲劳寿命进行了预测研究。     

单轴向与多轴向随机载荷下星载单机的疲劳损伤研究

基于随机振动频域理论,采用“3σ法则”和等效应力-应变的疲劳分析方法,对比研究单轴、多轴载荷下某星载单机的疲劳损伤,评估两种试验方案的等效性。结果表明：该单机对z向激励敏感,z向随机载荷造成的疲劳损伤远大于x、y向载荷;多轴向随机载荷作用下单机的最大等效应力、疲劳损伤累积均大于单轴向随机载荷作用;3个正交轴下的单轴依次振动替代多轴随机振动试验的等效方案为欠试验方案,需要从定量角度优化试验方案。     

车下设备承载结构疲劳试验载荷谱编制方法*

提出多载荷时间历程的外推方法,给出车下设备承载结构疲劳试验载荷谱编制方法。基于载荷时间历程的雨流计数矩阵,利用二维核密度估计方法(Kernel density estimation, KDE),提出在多载荷时间历程输入条件下的外推方法;应用平均应力修正公式、累积损伤理论和等效损伤准则,根据外推载荷数据,给出疲劳试验程序谱的编制方法;结合动车组车下设备线路测试数据对外推方法进行验证,编制了车下设备承载结构疲劳试验程序谱,并分别使用疲劳试验程序谱和振动测试数据对承载结构进行疲劳强度计算。数据外推结果表明：多载荷时间历程外推方法计算的损伤与实际载荷损伤误差为3.6%,大的扩展倍数下KDE可以给出低周、大幅值载荷;疲劳强度计算结果表明：由于KDE外推产生了大幅值载荷,疲劳试验程序谱计算的损伤比振动测试数据计算的损伤增加了43.8%,所以,在进行疲劳试验载荷谱编制时,需要计算可能出现的大幅值载荷。此研究为其他结构程序载荷谱的编制提供借鉴案例。     

基于非线性损伤理论的焊接疲劳设计

构建一种基于非线性损伤理论的焊接疲劳设计模式,能有效地用于多级疲劳载荷作用下焊接接头的疲劳设计与分析。所构建的设计模式,不仅考虑了多级疲劳载荷的加载次序效应,也考虑了载荷间的相互影响。采用Manson-Halford累积损伤模型以及改进模型来处理加载次序效应,以应力比的形式来体现载荷间相互作用,利用所构建疲劳设计模式对标准焊接接头进行疲劳设计,讨论了不同疲劳载荷加载次序以及载荷级数等因素对焊接结构疲劳设计参数应力因数的影响,并将设计结果与基于传统Miner理论的设计结果进行比较。数值结果表明,基于非线性累积损伤理论所建的焊接疲劳设计模式,可对焊接接头的疲劳特性进行有效的设计分析,具有较高的精度和可信度。所建焊接结构疲劳设计模式能够较好地处理载荷次序效应以及载荷间的相互影响,且模型参数相对较少,可应用于实际工程设计。     

腐蚀疲劳交替下2A12-T4航空铝合金的寿命分析研究

基于飞机服役期间经历“地面腐蚀与空中疲劳”的交替损伤模式,考虑载荷间的相互作用,研究了航空铝合金2A12-T4在预腐蚀与“腐蚀+疲劳”交替模式下疲劳寿命的退化与损伤累积规律。同级加载条件下提出利用腐蚀疲劳耦合损伤指数和迟滞载荷用来描述考虑交替腐蚀疲劳损伤模式,用各级疲劳损伤间的相互影响及腐蚀损伤与疲劳损伤在服役工作期间的耦合作用来描述腐蚀、疲劳间的相互促进、加速劣化的现象。基于损伤力学和非线性累积理论,考虑载腐蚀疲劳耦合指数与迟滞载荷对传统的Miner线性累积损伤理论进行修正。建立了飞机结构材料的寿命计算模型,并将模型计算结果与试验结果进行对比验证。确定了腐蚀实验中的腐蚀耦合损伤,并利用低载锻炼效应理论得出均匀分布的迟滞载荷。计算结果表明,本文提出的寿命计算模型的结果与实验结果比较吻合。     

[车辆工程与测控]基于损伤关联编辑法的地铁支架安装座寿命研究

以地铁底架天线安装座为研究对象,提出一种铝合金焊缝载荷谱编制方法。基于多通道损伤关联编辑理论选定加速参数,构建预设损伤与伪损伤最相符的加速激励谱。分析目标谱的时域与频域特性发现,损伤关联编辑法加速效果明显且各项基本特性参数误差可控制在5%以内。建立有限元模型,分别采用准静态叠加与单轴谐响应方法计算累积损伤,仿真结果表明载荷谱缩减前后焊缝疲劳寿命误差在10%以内且加速效率高,验证了该载荷谱编制方法的合理性。台架模拟长寿命试验数据表明,使用编制过的载荷谱后,试验时间可缩短40%以上,焊缝疲劳损伤误差可控制在15%以内。该方法可为车辆其他设备载荷谱编制提供参考。     

高速列车车体加速寿命试验载荷谱编制及分析

铝合金车体是高速列车的关键核心部件,设计中需要满足超长疲劳寿命要求。工程中,为避免实际运行中发生疲劳失效,同时降低试验成本,常采用加速寿命试验方法。采用车辆系统动力学方法计算获得车体随机载荷谱,对载荷谱进行处理,得到载荷频次图;基于FKM标准,编制三种载荷比下1×10⁷次循环对应的车体加速载荷谱;采用有限元法,分别施加三种载荷比条件下的载荷谱,得到对应的加速系数;分别采用线性及非线性损伤累积理论,分析载荷块谱的加载顺序对车体损伤累积的影响。得出结论：在原始载荷谱和加速载荷谱作用下,车体结构各点疲劳损伤均小于1,满足设计要求;分别提高载荷比至P=1/3和P=2/3,对应的加速系数为12.75和218.65;载荷谱加载顺序对车体疲劳累积损伤有影响：以P=2/3为例,高-低顺序载荷谱循环632次时,损伤值累积达1,而对应相同的损伤值,低-高顺序载荷谱仅需要循环614次。结果表明车体承受载荷存在低应力幅占优的特点,即低-高加载顺序具有更好的加速效果。对车体加速寿命试验载荷谱的编制及分析方法研究,为车体台架疲劳试验提供理论依据及科学指导。     

拉—拉变幅载荷下45钢缺口件疲劳寿命分布的预测及其验证

根据预测模型。采用旋转弯曲得到的带存活率的疲劳寿命表达式和Miner法则,对给定多级拉-拉变幅载荷谱下的正火45钢缺口件变幅载荷下疲劳寿命下疲劳寿命和累积疲劳损伤临界值的分布进行预测,并通过拉-拉变幅载荷疲劳试验进行了验证,结果表明：45钢缺口件在多级拉-拉变幅载荷下的疲劳寿命和累积疲劳损伤临界值的预测值与试验值均近似服从对数正态分布,且两者符合很好。因此,此预测模型可应用于恒、变幅疲劳加载方式不同的疲劳试验结果预测。     

谱载荷下加载次序效应定量评价的初步研究

通过对40Cr材料光滑试样进行不同加载次序的三级程序载荷疲劳试验,验证并分析了载荷作用次序对疲劳强度累积强化效果的影响。试验结果表明：按照载荷从小到大逐渐增加的次序加载时,锻炼载荷对疲劳强度的累积强化效果最大,并且与三级锻炼载荷分别独立作用时强化效果的叠加值接近;而在其他加载次序下,累积强化效果分别受到不同程度的影响。最后,通过对疲劳试验数据的统计分析,初步研究了谱载荷下加载次序对总体累积强化效果的修正系数,并对之前建立的随机载荷下累积强化效果模型做出了修正,为建立考虑低载强化效应的疲劳累积理论进行了探索。     

基于结构应力法的焊接构架疲劳累积损伤研究

针对名义应力法和热点应力法对处于多轴应力状态下的疲劳问题展现出的局限性,采用结构应力法研究焊接构架的疲劳累积损伤.以悬挂式单轨车辆转向架焊接构架为研究对象,根据EN13749标准制定了构架的12级疲劳载荷谱.总结归纳出基于结构应力法针对转向架焊接构架的虚拟疲劳试验流程,并对构架进行了累积损伤计算.结果表明:各焊缝累积损...     

风电装备传动系统及零部件疲劳可靠性评估方法

载荷是导致失效直接原因,是影响产品可靠性的重要因素,风电装备在服役过程中经历的载荷-时间历程及其不确定性有明显的特点。由于服役方式的特殊性,一个风力发电厂中安装在不同位置的发电装备的服役载荷历程会有明显的差别。从风力发电机服役地域位置和时间两个方面描述风力发电机载荷历程的概率特性,并以此为基础,基于全概率计算原理研究风力发电机传动系统及其零部件疲劳可靠性分析与建模方法。内容包括复杂载荷历程不确定性表征方法、随机变幅载荷历程下疲劳累积损伤与等效循环应力计算方法、根据应力分布和条件寿命分布计算疲劳可靠度的方法,以及根据多级小样本疲劳寿命试验确定不同循环应力水平下疲劳寿命分布参数的方法。     

高速动车组牵引拉杆载荷特性研究

采用准静态载荷标定的方式制作牵引拉杆载荷传感器,将其安装于某型高速动车组进行线路载荷测试,得到列车启动牵引、高低速直线运行、通过坡道及制动停车等典型工况下的载荷时间历程及载荷变化特点。在此基础上,编制不同速度等级下的牵引拉杆载荷谱,并依据线性累积损伤准则分析结构疲劳损伤分布及运行速度对疲劳损伤的影响规律。研究结果表明,与拖车牵引拉杆载荷相比,动车牵引拉杆载荷幅值变化受电机扭矩载荷的影响较大,尤其在列车启动、制动阶段,其趋势载荷变化明显;随着列车运行速度的增加,牵引拉杆载荷幅值不断增大,得到动车牵引拉杆载荷的振动主频与列车运行速度呈正比。定义相对疲劳损伤来表征每级载荷的疲劳损伤贡献程度,得到结构疲劳损伤与牵引拉杆载荷幅值的对应关系,获取列车运行速度对结构疲劳累积损伤的影响规律。动车牵引拉杆载荷在列车时速280 km/h时产生的结构疲劳累积损伤最小,而拖车牵引拉杆的疲劳累积损伤值随着运行速度的增大呈现增大的趋势。该研究结果对高速列车转向架结构的优化设计及相关理论研究具有一定的参考价值。     

转向节多轴虚拟试验台架载荷谱应用研究

不同类型的台架载荷谱对转向节的疲劳损伤影响规律有所不同，因此探求精确的载荷谱编辑方法仍是亟待解决的重要问题。以经过校验后试验场载荷谱为数据来源，简化了冗余的转向节耐久规范；通过悬架运动学及柔顺性(Kinematics Compliance, KC)试验和虚拟迭代法，从静态与动态验证了整车多体动力学模型的准确性；采用时域编辑法，生成了保留时域与频域特征的转向节台架随机谱；基于损伤等效原则创建了转向节四级台架程序谱；从统计转向节关键点各方向的伪损伤值占比出发，以转向节模态试验验证后的有限元模型为载体，搭建了转向节多轴虚拟台架；应用模态应力恢复法，讨论分析转向节虚拟台架下的原始谱、台架随机谱、台架程序谱对其疲劳损伤的影响，结果表明三者激励下的转向节疲劳损伤分布保持一致，台架随机谱与台架程序谱较原始谱最大损伤比分别为0.75和1.7,验证了台架载荷谱编辑方法的准确性，说明了转向节虚拟台架的工程实用性；最后，通过虚拟台架传递矩阵确定了引起转向节疲劳损伤的载荷与道路类型，为结构改进提供数据支撑。     

多级载荷累积损伤下结构的动态可靠性分析

在服役环境中的各种不确定性因素及时间因素的共同作用下,结构将产生强度退化与累积损伤,进而严重影响到可靠性。传统的可靠性模型不能很好地反映载荷作用次序与强度退化等因素对可靠性的影响。利用区间理论,考虑应力作用次序不同而导致疲劳损伤的不同非线性演化过程,研究了多级载荷的等效转化问题;为承受多级载荷的强度退化下的结构,建立了动态非概率可靠性预测模型,构造了一种区间模型的动态可靠性分析方法;通过算例对多级载荷累积损伤作用下的结构动态可靠性进行了分析,并验证了方法与模型的有效性。     

EIFS分布的通用性分析与试验研究

进行等幅谱与随机谱下多种应力水平的疲劳(耐久性)试验与断口分析,基于试验结果,进一步证实使用范围内的不同应力水平下描述结构原始疲劳质量的当量初始缺陷尺寸分布具有一定的通用性。初步分析表明,依据随机谱编制的反映其计算损伤平均水平的等幅谱与原随机谱对建立通用EIFS(equivalent initial flaw size)分布的影响不大。通过EIFS分布参数对寿命预测的敏感性分析,从工程应用的角度给出任意载荷谱下得到的EIFS分布的通用性判据,为不同载荷谱下综合确定EIFS分布提供依据。     

疲劳损伤状态的模糊等效性试验研究

针对复杂载荷下以等效损伤假设为基础的材料疲劳寿命的估算误差较大的问题,基于模糊理论并结合耦合损伤概念提出模糊等效损伤假设,考虑加载顺序对疲劳损伤累积的影响来回避等效损伤假设。利用45钢材料进行了L-H和H-L加载顺序两级应力下的疲劳损伤累积规律验证,并选取16Mn材料的疲劳试验数据验证基于Miner线性损伤法则和本假设对材料疲劳寿命预测的准确性。结果表明,根据本假设计算的损伤量在两种加载顺序下均与试验值吻合良好,疲劳寿命估算结果比较接近于试验值,该假设以模糊理论为依据,为疲劳分析和寿命预测提供了一定的理论参考。     

多轴变幅载荷下基于载荷支配模式的缺口件疲劳寿命预测方法

提出一种多轴变幅载荷下基于载荷支配模式的缺口件疲劳寿命预测方法。首先,通过循环计数方法确定多轴变幅载荷历程的计数循环(反复);其次,通过材料的循环应力应变关系和Neuber法推导出虚拟等效应变与真实等效应力之间的关系,并且分别将拉伸型和剪切型Shang-Wang多轴疲劳损伤参数替换虚拟等效应变幅来求解临界面上的真实等效应力幅;然后,通过真实等效应力幅和Neuber法则计算临界面上真实的拉压和剪切等效应变幅,并运用Manson-Coffin方程分别计算缺口部件的拉压和剪切疲劳寿命;最后,选择拉压和剪切疲劳损伤值中的较大值作为每个计数反复的疲劳损伤,并采用Miner法则进行疲劳损伤累积。缺口件多轴疲劳试验结果表明,采用基于载荷支配模式的缺口件疲劳寿命预测方法具有较高的预测准确度。     

基于泊松随机过程的风力发电机叶片疲劳寿命估算

疲劳寿命决定了正常工况下工程结构服役期限的长度,对其进行准确预测对于零部件疲劳强度设计至关重要。由于机械零部件在工作期间经常会受到随机变幅载荷的作用,载荷间相互作用效应现象十分显著,导致单次循环载荷对材料所造成的疲劳损伤量发生变化,若忽略该效应会影响疲劳寿命估算的准确性。针对当前研究中的疲劳损伤累积法则无法考虑该效应的问题,提出一种将非齐次泊松随机过程函数与伴随损伤理论相结合来估算零部件疲劳寿命的方法,解决了由于载荷间相互作用效应所带来的载荷作用顺序的问题,并以随机加载试验为例验证了该方法的准确性。将其应用于风力发电机叶片的疲劳寿命估算过程中,结果表明该方法可靠、有效,为风力机叶片的疲劳可靠性设计提供了新的路径。     

宽带随机应力损伤计算误差分析及改进措施

基于疲劳损伤理论,研究信号分段影响宽带随机应力疲劳损伤计算精度的机理。研究表明,信号分段时将长周期大应力循环截断成小应力循环,以及峰谷值信号重组时将最大应力循环放大,是造成损伤计算偏差的主要原因。提出分段提取峰谷值,再将一定数量的分段峰谷值对接重组进行应力循环提取的信号处理方法。以某混凝土泵车为对象,测试实际工作状态下的应力历程,并采取不同信号分段方案验证该信号处理方法的可行性。研究对其他长周期应力循环占主导地位的宽带随机应力过程的损伤计算也有借鉴作用。     

飞机结构疲劳载荷谱加重系数与寿命之间的关系研究

介绍疲劳载荷谱加重方法,导出应力水平的变化与寿命之间的关系,通过耳片在常幅谱作用下的5组疲劳试验、在块谱作用下的2组疲劳试验以及三排45个孔试件在随机谱作用下的2种试验件的疲劳试验,证明该方法在不同载荷谱下和不同结构形式的应用中是可行的。