基于模态频率的V型缺口梁裂纹扩展预测

发布时间：2020-06-20 10:05

【摘要】：梁是广泛应用航空航天与机械工程等领域的基本构件。由于加工、制造或装配等需要,经常会在梁的表面位置开设缺口,使得缺口部位则成为应力集中的重要位置。尤其是在振动载荷的作用下,缺口位置则是裂纹萌生、扩展甚至断裂的关键部位。因此,深入研究缺口梁的裂纹扩展预测方法对于提高动力机械结构的安全可靠性具有十分重要的意义。本文以V型缺口悬臂梁为对象,结合模态频率和裂纹扩展试验结果,提出一种基于模态频率的裂纹扩展预测方法。本文完成的主要工作包括:1)搭建了悬臂梁模态频率与裂纹扩展测试试验系统,设计了含V型缺口的梁试件。采用交替法,完成了不同裂纹参数条件下的力锤激励模态频率测试和裂纹扩展测试。采用傅里叶变换,分析了缺口梁的模态频率随裂纹扩展参数的变化规律。在此基础上,揭示了模态频率与裂纹扩展之间的内在联系;讨论了缺口位置应力应变随裂纹扩展的变化机制以及模态频率变化与振动循环次数之间的内在联系;建立了V型缺口梁的振动疲劳裂纹扩展曲线。2)以实验测试采用的V型缺口梁为对象,基于ABAQUS软件建立了悬臂梁的动力学有限元模型。通过实验结果,验证了动力学模型的合理性。在有效的有限元模型基础上,计算了悬臂梁缺口位置的表面应力幅值及裂纹尖端位置的应力幅值,分析了悬臂梁的谐响应。同时,比较了有限元计算结果值和试验测试结果值,为裂纹扩展预测提供参考。3)利用裂纹扩展长度定义损伤,并以结构的第一阶模态频率下降率为损伤指标,拟合出以频率下降率为自变量、损伤为因变量的三次多项式。基于已提出的损伤疲劳寿命指数模型,利用试验测得的寿命和定义的损伤,拟合出该指数模型的未知参数。结合指数损伤模型和拟合的损伤表达式,提出一种适用于悬臂梁的寿命预测模型。最后利用实验结果验证了损伤预测模型的合理性。
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH113.1
【图文】：

几何形状,实物,试件,夹具

的几何形状及尺寸，图 2-5 为试件夹紧后的实物图。在夹具主面设计两通孔，目的是将夹具固定在试验台支撑架上。在夹具上端面设计两通孔，目的是将试件夹紧在两方块之间，限制试件在液压作动器的驱动下发生滑动。由于裂纹扩展试验时，循环加载方向为上下垂直运动，所以压块对试件的横向位移无额外限制，通过摩擦力来约束。夹具的材料为 45 钢，其机械性能见表 2-4。图 2-4 夹具压块的几何尺寸

应变传感器,缺口梁

航空大学硕士学位论文第 2 章缺口梁的模态频率与裂纹扩展试验表 2-4 45 钢的机械性能性模量 E(GPa) 强度极限b(MPa) 屈服极限s(MPa) 材料密度 ρ(kg/m3) 泊松200 440 370 7.87×1030..2 传感器的布置在梁的缺口位置正上方表面和梁高度中间位置的侧面布置应变片，如图。应变 1 旨在监测裂纹扩展时裂纹位置名义应变的变化，应变 2 旨在提纹扩展实验的判据。在缺口梁的上表面安装加速度传感器，以监测缺口度信号，为分析缺口梁的模态频率提供信号。为了避免将加速度传感器的振型节点上，试验前通过有限元仿真得到梁模态振型节点位置，故将感器安装在距离悬臂端 250mm 处以避开节点位置。加速度传感器的安图 2-7 所示。

【参考文献】