基于临界面的多轴振动疲劳寿命预测

发布时间：2020-10-29 20:29

　　 目的提出一种新的基于临界面正应力的高周多轴疲劳寿命预测方法。方法通过对主应力进行投影,得到各时刻下临界平面内的应力大小,利用雨流法计算不同临界面下的疲劳损伤,并通过权函数,得到主应力的角度期望值,进而预测结构的疲劳寿命。结果通过试验件进行仿真模拟,对底端作用两个方向PSD频率范围为8～200 Hz,大小为0.006、0.003、0.008 g~2/Hz的强制加速度激励得到多轴应力响应,以此计算4种工况下的随机加速度振动疲劳试验预测寿命,对比试验寿命误差基本处于2倍界以内。结论新的基于临界面正应力的疲劳寿命预测方法能有效预测多轴振动疲劳寿命。
【部分图文】：

应力状态求解等效应力，预测寿命。对于临界面的确定，笔者采用将一段时域范围内的正应力投影计算损伤后加权平均的方法得到。具体流程如下：1）利用矩阵法求解不同时刻的主应力方向与主应力大小；2）取特定的平面，将各个主应力投影，得到该平面下主应力的时域变化曲线；3）利用雨流计数法，结合S-N曲线与非比例附加强化因子计算求解平面下的疲劳损伤；4）求解不同平面下的疲劳损伤，利用权函数得到临界面的期望值；5）利用疲劳损伤累积理论计算寿命。3仿真分析3.1试件概况建立如图1所示的试验件有限元模型，主体材料为LY12-CZ[19]，弹性模量68GPa，泊松比0.33，密度2.8g/cm3；质量块材料为Q235，质量0.156kg。图1结构有限元模型Fig.1Structuralfiniteelementmodel将底端（矩形部分）固支，计算得到结构的垂向一弯的频率为13.067Hz，侧向一弯的频率为42.885Hz，一扭的模态频率为90.434Hz。3.2随机振动响应分析试验件底端（矩形部分）上利用施加Z向、X向的随机加速度激励。激励为0.006g2/Hz、频率范围10~200Hz的平直谱。对有限元模型进行随机响应分析，得到危险点的位置（弧形部分根部），以及其应力的随机响应。危险点主要为Y向正应力与XY向切应力，两者PSD曲线如图2—5所示，并用三角级数法生成时域应力响应。在试验过程中，可以得到应变-时间曲线，从而得到观测时间内应力状态的时域变化曲线。此处，以PSD曲线生成的时间-应力曲线计算临界面的期望值。图2Y向正应力频域响应Fig.2FrequencydomainresponseofnormalstressinYdirection图3Y向正应力时域响应Fig.3TimedomainresponseofnormalstressinYdirection图4XY向切

?的随机加速度激励。激励为0.006g2/Hz、频率范围10~200Hz的平直谱。对有限元模型进行随机响应分析，得到危险点的位置（弧形部分根部），以及其应力的随机响应。危险点主要为Y向正应力与XY向切应力，两者PSD曲线如图2—5所示，并用三角级数法生成时域应力响应。在试验过程中，可以得到应变-时间曲线，从而得到观测时间内应力状态的时域变化曲线。此处，以PSD曲线生成的时间-应力曲线计算临界面的期望值。图2Y向正应力频域响应Fig.2FrequencydomainresponseofnormalstressinYdirection图3Y向正应力时域响应Fig.3TimedomainresponseofnormalstressinYdirection图4XY向切应力频域响应Fig.4FrequencydomainresponseofshearstressinXYdirection图5XY向切应力时域响应Fig.5TimedomainresponseofshearstressinXYdirection对时域部分的应力响应进行傅里叶变换，得到X向正应力、XY向切应力的频域分析结果，可知正应力在13Hz时最大，为72MPa；XY切应力在13Hz

型进行随机响应分析，得到危险点的位置（弧形部分根部），以及其应力的随机响应。危险点主要为Y向正应力与XY向切应力，两者PSD曲线如图2—5所示，并用三角级数法生成时域应力响应。在试验过程中，可以得到应变-时间曲线，从而得到观测时间内应力状态的时域变化曲线。此处，以PSD曲线生成的时间-应力曲线计算临界面的期望值。图2Y向正应力频域响应Fig.2FrequencydomainresponseofnormalstressinYdirection图3Y向正应力时域响应Fig.3TimedomainresponseofnormalstressinYdirection图4XY向切应力频域响应Fig.4FrequencydomainresponseofshearstressinXYdirection图5XY向切应力时域响应Fig.5TimedomainresponseofshearstressinXYdirection对时域部分的应力响应进行傅里叶变换，得到X向正应力、XY向切应力的频域分析结果，可知正应力在13Hz时最大，为72MPa；XY切应力在13Hz
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