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。     

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。     

基于经典Von Mises应力的多轴等效应力修正方法研究

基于经典Von Mises应力的等效准则在静力学中具有较好的适用性,但推广到动力学中会出现新的问题,机械的应用该经典等效方法进行多轴振动疲劳损伤计算可能会导致错误的结果。总结给出了几种经典Von Mises应力等效的修正方法,使之适用于噪声载荷产生的多轴振动疲劳问题。算例表明,修正后的Von Mises应力响应功率谱的峰值和各应力分量响应功率谱的峰值均在同一频段范围,且均位于结构基频附近,这和结构自身动特性及实际受载情况是相符的,使得修正后的等效应力具有实际的物理意义,且修正后的等效应力满足高斯分布,可在频域范围内应用现有模型解决多轴应力状态下的振动疲劳寿命预估问题。     

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。     

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.     

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。     

多输入多输出随机振动试验雅克比控制算法

研究了多输入多输出(MIMO,Multiple Input Multiple Output)随机振动试验闭环控制系统中不同元素超标现象,通过分析多输入多输出线性时不变振动系统输入与输出的频域关系,将多路信号的功率谱矩阵分解为自功率谱、相干系数和相位差等元素,推导出能表示输入输出元素微分关系的雅克比控制矩阵,提出了一种全新的MIMO随机振动试验雅克比控制算法。该算法对功率谱矩阵中元素超标现象进行有针对性地控制,其控制收敛速度快、精度高。在多轴振动台上进行两输入两输出振动控制实验,分别设定参考谱的各元素,设置容差带,然后进行频响函数估计,利用新算法对X轴和Y轴的振动进行控制,结果表明利用雅克比控制算法可将自谱、相干系数与相位等均控制在工程标准范围内,控制效果良好。     

基于驱动谱修正迭代控制算法的三轴振动控制研究

对三轴振动试验系统进行分析,研究了多输入多输出功率谱复现控制算法。利用HV频响函数估计法对系统进行辨识。针对系统频响矩阵为长方阵并出现奇异点的情况,采用奇异值截断法保证算法的稳定性,并运用迭代控制算法修正驱动谱提高振动控制的精度。通过三轴向振动台与集成该算法的多输入多输出振动控制器进行三轴向振动试验。实验结果表明:基于HV频响函数估计法修正迭代控制算法进行振动试验对功率谱的复现具有较好的精度和工程实用性。     

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。     

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。     

Fatigue life prediction under wide band random loading

In this paper, a method for the high‐cycle fatigue life prediction of components subjected to gaussian, stationary, wide band random loading is presented. It allows the user to evaluate the fatigue life of components subjected to uniaxial stress states directly from the stress power spectral density (PSD), avoiding onerous simulations in time domain. The proposed method can be applied to random stress processes having PSD of any shape, and the fatigue life predictions obtained are more accurate than that provided by most of the frequency domain techniques proposed in literature.     

Random fatigue life prediction of carbon fibre-reinforced composite laminate based on hybrid time-frequency domain method

To evaluate fatigue life of composite laminate with hole under random loading, a random fatigue life prediction model is established by hybrid time-frequency domain method in this paper. Firstly, dynamic response of composite laminate is obtained from FE model in frequency domain. Secondly, root mean square of stress of six stress components of critical damage point in frequency domain are transferred to stresses in time domain. At last, 3D Tsai–Hill static failure criterion is adopted to convert the multiaxial stress into the uniaxial equivalent stress. Fatigue life is predicted by equivalent stress fatigue life code. The method is validated with the random vibration fatigue test of carbon fibre-reinforced composite laminate. Numerical results are compared with random fatigue experiments which show good agreement with numerical results.     

Recent developments in frequency domain multi-axial fatigue analysis

The purpose of this paper is to discuss the recent developments in multi-axial spectral methods, used for estimating fatigue damage of multi-axial random loadings from Power Spectral Density (PSD) data. The difference between time domain and frequency domain approaches in multi-axial fatigue is first addressed, the main advantages of frequency domain approach being pointed out. The paper then critically reviews some categories of multi-axial spectral methods: approaches based on uniaxial equivalent stress (strength criteria, “equivalent von Mises stress”, multi-axial rainflow counting), critical plane criteria (Matake, Carpinteri-Spagnoli, criterion based on resolved shear stress on critical plane), stress-invariants based criteria (Crossland, Sines, “Projection-by-Projection”). The “maximum variance” method and the Minimum Circumscribed Circle/Ellipse formulations defined in the frequency domain are also discussed. The paper critically analyses also non-proportional multi-axial loadings and the role of material fatigue parameters (e.g. S/N curves for bending/torsion) in relation to specific methods. The paper concludes with general comments on advantages and possible limitations in the use of multi-axial spectral methods, with special focus on the assumption of stationarity and Gaussianity in modelling multi-axial random loadings.     

一种估算结构件随机疲劳寿命的新方法

提出了基于随机载荷历程频率域信息──功率谱密度函数（Ｐ．Ｓ．Ｄ）估算结构件低周疲劳寿命的一种新的计算方法。采用这种方法只要已知应力历程的功率谱密度和材料应变疲劳性能参数就可对承载结构件进行随机疲劳寿命估算。因此，对于结构设计阶段的使用寿命预估具有实际意义。最后，通过对缺口件的随机疲劳寿命估算及与试验结果比较验证了本文方法的适用性。     

A hybrid frequency–time domain method for predicting multiaxial fatigue life of 7075‐T6 aluminium alloy under random loading

A hybrid frequency–time domain method for predicting multiaxial fatigue life under random loading is developed on the basis of combination of the frequency domain and time domain analysis. The critical damage point of the structure is determined by the frequency domain equivalent stress method. Then, the fatigue life prediction is made in time domain by generating random load‐time histories from the power spectral density of the critical point. The method is validated with the random vibration fatigue test of 7075‐T6 aluminium alloy. It has been shown that the results of fatigue life calculated by hybrid method are well correlated with the experiment.     

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。     

薄壁结构高温随机振动疲劳寿命估算方法

为了研究涡轮转子叶片在高温环境中气流激振力作用下随机振动疲劳失效机理,从基础研究出发,采用薄壁板件为研究对象。基于高温试验台与振动台联合试验,结合数值仿真,得到了不同温度和不同振动量级组合下试验件根部与颈部的轴向动应力响应规律。基于疲劳累积损伤理论,采用改进的雨流计数法预估试验件的疲劳寿命。通过高温随机振动试验,同时参照常温随机振动试验,获得试验件在实际工况下的应力、应变、频率等动力学响应和寿命数据,并对各个试验组的响应与寿命进行数据统计,仿真与试验结果比较发现:数值仿真对试验件破坏位置判断准确,应力响应误差在5.6%以内,频率响应相差1%左右,疲劳寿命相差28.6%以内,证明了高温条件下随机振动疲劳分析方法是有效的而且精确的。     

考虑应变路径的多轴低周疲劳寿命预测模型

通过分析材料在多轴非比例加载下产生附加强化的机理,该文以拉扭薄壁管试件为研究对象,分析了临界平面上的应变状态,并在此基础上以塑性应变能为控制参数定义表征多轴低周疲劳寿命对应变路径依赖性的非比例度。基于多轴疲劳临界损伤面原理,应用von-Mises 准则和本文定义的应变路径非比例度参数建立起能反映应变路径对非比例附加强化影响的多轴低周疲劳寿命预测模型。利用该模型预测08X18H10T 不锈钢、Ti-6Al-4V合金、S460N 钢和2.25Cr-1Mo 钢这4 种材料的多轴疲劳寿命,并与试验值进行比较。结果表明:该模型的预测结果与试验结果吻合良好,能同时适用于比例与非比例加载,预测精度较高,便于工程应用。     

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。      

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。