机械结构集成疲劳设计方法及应用研究

发布时间：2017-08-30 07:01

  本文关键词：机械结构集成疲劳设计方法及应用研究

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【摘要】：对于航空航天,发动机和车辆等领域内的结构设计,由交变载荷引起的疲劳问题是设计人员关注的重点,相对成熟的解决方案多集中在对样机或服役中的结构某一危险点处的疲劳寿命进行预测。与此不同,结构集成抗疲劳设计要求设计人员在结构设计阶段即对结构的寿命分布进行计算,并以此为标准对结构进行优化,因此,研究结构集成抗疲劳设计方法对加快产品设计进程、降低开发成本具有重要意义。本文的研究重点是基于有限元的结构疲劳设计,以有限元理论和疲劳寿命计算方法为基础,以交互式软件的开发为载体,实现结构疲劳寿命分布的计算,并结合国内某工程机械有限公司的推耙机关键部件分析设计项目和国内某军工单位车辆仿真建模项目进行具体研究,其具体内容主要包括：首先构建有限元模块,在得到网格模型的所有节点信息和单元信息后通过计算单元刚度矩阵、组装整体刚度矩阵、添加边界条件、求解有限元方程等步骤实现结构分析的有限元模块,该模块可实现结构整体强度的校核。然后建立疲劳计算模块,主要包括单轴疲劳计算和多轴疲劳计算。针对这两种不同的疲劳问题,分别采用雨流载荷循环计数和Wang-Brown多轴载荷循环计数法对单通道和多通道载荷进行载荷循环计数。对于单轴疲劳问题,采用名义应力法求解单元的疲劳寿命,而对于多轴疲劳问题,采用一种基于降维思想的多轴疲劳损伤模型对单元疲劳寿命进行计算。最后再利用Miner线性损伤累积准则对单元各个载荷循环的疲劳损伤进行累积。最后,后处理模块可将计算结果以云图或文本的形式输出。在疲劳计算前需获得模型中各个单元的载荷历程,此处本文提出了一种基于有限元方程的可快速获得各个单元载荷分布的方法,可大大提高计算速度。通过坦克减速器齿轮寿命计算实例对本文开发的有限元分析和疲劳寿命计算一体化软件的操作过程进行了详细介绍,其分析结果表明该一体化软件可以获得结构的寿命分布情况,并据此确定危险寿命位置,为设计人员提供参考数据。
【关键词】：集成疲劳设计 有限元 多轴疲劳 推耙机 坦克减速器 软件开发
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH123;TH122
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 第1章 绪论9-23
• 1.1 课题研究背景及研究意义9-10
• 1.2 相关技术概述10-13
• 1.2.1 机械结构一体化抗疲劳设计11
• 1.2.2 载荷谱与载荷循环计数11-12
• 1.2.3 名义应力法寿命分析12
• 1.2.4 多轴疲劳寿命分析12-13
• 1.3 国内外研究概况13-21
• 1.3.1 机械结构一体化抗疲劳设计研究现状13-14
• 1.3.2 载荷循环计数方法研究现状14-16
• 1.3.3 名义应力法16-17
• 1.3.4 多轴疲劳问题17-21
• 1.4 本论文主要内容21-23
• 第2章 有限元计算模块23-41
• 2.1 单元刚度矩阵的构建24-29
• 2.1.1 三节点三角形单元刚度矩阵24-26
• 2.1.2 节点四面体单元刚度矩阵26-29
• 2.2 有限元方程的构建29-34
• 2.2.1 整体刚度矩阵的组装29-30
• 2.2.2 引进边界条件和载荷矩阵30-32
• 2.2.3 有限元方程求解32-34
• 2.3 单元载荷历程的获取34-36
• 2.4 有限元模块的实现及应用36-40
• 2.5 本章小结40-41
• 第3章 载荷循环计数模块41-55
• 3.1 雨流计数法的原理和实现41-49
• 3.1.1 雨流计数法原理41-44
• 3.1.2 雨流计数法的数值实现44-46
• 3.1.3 雨流计数法应用46-49
• 3.2 多轴载荷循环计数49-54
• 3.2.1 Wang-Brown多轴载荷循环计数原理及实现49-53
• 3.2.2 Wang-Brown多轴载荷循环计数的应用53-54
• 3.3 本章小结54-55
• 第4章 疲劳寿命计算模块55-71
• 4.1 名义应力法及其应用55-58
• 4.1.1 S-N曲线的定义55-57
• 4.1.2 平均应力修正57-58
• 4.2 多轴疲劳计算模块58-68
• 4.2.1 一种基于降维思想的多轴疲劳损伤模型59-63
• 4.2.2 多轴疲劳理论对推耙机工作装置危险点进行寿命计算63-68
• 4.3 本章小结68-71
• 第5章 机械结构集成疲劳设计方法应用71-89
• 5.1 基于Gmsh的结构疲劳寿命计算软件简介72-74
• 5.2 机械结构疲劳设计应用实例74-88
• 5.3 本章小结88-89
• 第6章 总结与展望89-93
• 6.1 总结89-90
• 6.2 展望90-93
• 参考文献93-97

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 熊伟红;向晓东;喻青;;基于名义应力法的桥式起重机用钢丝绳疲劳寿命估算[J];工业安全与环保;2014年07期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 王英玉;金属材料的多轴疲劳行为与寿命估算[D];南京航空航天大学;2005年

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本文编号：757861