多轴随机振动频域疲劳方法的研究与应用

发布时间：2017-08-13 15:29

  本文关键词：多轴随机振动频域疲劳方法的研究与应用

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【摘要】：本文基于临界损伤平面法对多轴随机振动疲劳在时域和频域范围内进行了研究。结合应力张量分量的协方差矩阵,采用最大方差法编制程序实现疲劳薄弱点的临界面位置的确定。并对用来表示临界面位置的方向余弦向量的步长以及阈值对临界面位置的影响进行了探索,发现步长越小越能得到比较精确的临界面位置,但是太小又会严重影响计算效率,同时阈值太大,得到的最大方差值偏离实际值就会较大,进而影响临界面位置的确定。通过对比分析,发现当方向余弦步长达到0.01,阈值选取1e-6时,即可搜索到比较准确的临界面位置。根据确定好的临界面位置,再结合多轴应力等效准则,获取等效应力和等效应力功率谱密度。引入悬臂梁模型,在四种工况条件下,分别在时域和频域范围内讨论了疲劳寿命的计算结果。在时域中,是根据临界面法确定的等效应力再结合材料的疲劳特性,经过循环计数后,采用线性损伤累积的方法完成对疲劳寿命的估算。在频域中,通过等效应力功率谱密度确定频域方法计算疲劳寿命所需的参数后,根据疲劳寿命计算公式完成对疲劳寿命的估算。本文一方面基于时域响应的自谱密度和互谱密度,使用由二者构造的应力分量的功率谱密度函数矩阵以及只考虑自谱密度、忽略互谱密度构造的应力分量的功率谱密度函数矩阵完成多轴频域疲劳寿命的计算,另一方面,使用了基于频域激励的随机振动频响分析法计算了多轴疲劳寿命,通过对时域法和三种频域法得到的疲劳寿命的对比,发现互功率谱密度对结果的影响很小。因此可以在频域范围内,使用基于临界面法的随机振动频响分析完成多轴疲劳寿命计算。本文还讨论了带宽对通过临界面法在时域和频域内确定的疲劳寿命的影响,发现窄带频率激励下,两者的差异较大,但在宽带频率激励下,两者能够有较好的吻合。本文还分别使用了单轴损伤累积与多轴频域方法对内燃机动力包框架结构的振动疲劳强度进行了校验,结果显示这两种方法都能够对结构的疲劳寿命进行预测,但由于多轴加载过程中各种激励之间的相互影响引起的应力的非同相位非比例变化,导致了同一部位上前者得到的疲劳寿命总是要比后者小。
【关键词】：临界面 时域 频域 等效应力 等效应力功率谱密度 疲劳寿命
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH113.1
【目录】：

• 中文摘要6-7
• abstract7-12
• 第1章 绪论12-23
• 1.1 问题的提出与研究意义12-13
• 1.2 问题的研究历史与现状13-21
• 1.2.1 频域法的提出与发展15-17
• 1.2.2 多轴随机应力和应变状态17-18
• 1.2.3 疲劳累积破坏理论18-19
• 1.2.4 多轴疲劳损伤准则19-21
• 1.3 本文研究内容21-23
• 第2章 多轴随机疲劳寿命频域估算方法23-32
• 2.1 概述23
• 2.2 平稳随机过程功率谱密度函数23-25
• 2.2.1 自功率谱密度函数24
• 2.2.2 互功率谱密度函数24-25
• 2.3 等效应力方法25-28
• 2.3.1 最大主应力法25-26
• 2.3.2 最大剪切应力法26-27
• 2.3.3 Von Mises等效应力法27-28
• 2.4 能量法28
• 2.5 临界损伤平面法28-31
• 2.5.1 确定临界面位置29-30
• 2.5.2 等效应力或应变功率谱密度的计算30
• 2.5.3 频域疲劳计算所需的参数30
• 2.5.4 疲劳寿命计算30-31
• 2.6 本章小结31-32
• 第3章 激励和响应在时域与频域之间的转换32-41
• 3.1 傅里叶变换法32-34
• 3.2 三角级数法34-35
• 3.3 离散数据的采样定理35
• 3.3.1 时域采样35
• 3.3.2 频域采样35
• 3.4 功率谱密度的估计35-36
• 3.5 信号模拟算例36-38
• 3.6 时域响应的获取38-39
• 3.7 频域响应的获取39-40
• 3.8 本章小结40-41
• 第4章 基于临界面法的多轴随机振动疲劳研究41-74
• 4.1 最大方差法确定临界面位置41-47
• 4.1.1 临界面位置的定义41-42
• 4.1.2 协方差矩阵42-43
• 4.1.3 临界面位置算法实现流程43
• 4.1.4 方向余弦步长与阈值对临界面位置的影响43-47
• 4.2 悬臂梁模型及加载工况简介47-53
• 4.2.1 悬臂梁有限元模型47-48
• 4.2.2 悬臂梁的疲劳特性(S-N)曲线48-49
• 4.2.3 悬臂梁时域激励和频域激励49-52
• 4.2.4 悬臂梁加载工况52-53
• 4.3 基于临界面法的多轴时域疲劳寿命计算53-60
• 4.3.1 循环计数方法53-55
• 4.3.2 Goodman曲线修正55
• 4.3.3 悬臂梁时域疲劳寿命计算55-60
• 4.4 基于临界面法的多轴频域疲劳寿命计算60-68
• 4.4.1 基于时域响应的多轴频域疲劳寿命计算61-66
• 4.4.2 基于频域激励的多轴频域疲劳寿命计算66-68
• 4.5 悬臂梁时域与频域疲劳寿命计算结果对比68-71
• 4.5.1 等效应力功率谱密度函数的对比68-70
• 4.5.2 疲劳寿命结果对比70-71
• 4.6 带宽对多轴疲劳寿命估计的影响71-73
• 4.6.1 窄带频域载荷寿命计算71-72
• 4.6.2 宽带频域载荷寿命计算72-73
• 4.7 本章小结73-74
• 第5章 内燃机动力包框架的疲劳寿命分析74-88
• 5.1 内燃机动力包框架模型74-78
• 5.1.1 内燃机动力包结构简介74
• 5.1.2 动力包有限元模型74-75
• 5.1.3 边界条件75-77
• 5.1.4 材料的机械性能77-78
• 5.2 振动强度分析载荷78
• 5.3 振动疲劳强度要求78
• 5.4 动力包结构的疲劳寿命分析78-87
• 5.4.1 单轴加载频域损伤累积疲劳寿命78-85
• 5.4.2 多轴加载频域疲劳寿命估算结果85-87
• 5.5 本章小结87-88
• 结论与展望88-89
• 致谢89-90
• 参考文献90-94
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文94

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 吴志荣;胡绪腾;宋迎东;;多轴随机载荷下的疲劳寿命估算方法[J];航空动力学报;2014年06期

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本文编号：668016