隨機(jī)載荷下金屬結(jié)構(gòu)多軸疲勞壽命預(yù)測(cè)方法的研究.pdf

1、在工程領(lǐng)域，許多金屬結(jié)構(gòu)和部件都在循環(huán)交變載荷下工作，疲勞成為其最常見(jiàn)的一種失效形式。因此，結(jié)構(gòu)的疲勞壽命預(yù)測(cè)成為工程和學(xué)術(shù)研究中的一個(gè)重要領(lǐng)域。研究人員已經(jīng)對(duì)常幅載荷下結(jié)構(gòu)的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了廣泛的研究，提出了很多模型。然而，工程實(shí)際中，大多數(shù)的結(jié)構(gòu)和部件承受的都是隨機(jī)載荷，而且往往是多軸的。多軸隨機(jī)載荷下，主應(yīng)力和主應(yīng)變的大小和方向在一個(gè)載荷循環(huán)中是變化的，疲勞累積損傷變得難以估算。相對(duì)于常幅載荷下的疲勞壽命分析方法，多軸隨機(jī)載

2、荷下結(jié)構(gòu)的疲勞壽命預(yù)測(cè)，目前還沒(méi)有成熟的方法，亟需開(kāi)展這方面的研究。本文提出了混合頻域-時(shí)域分析方法和等效Lemaitre應(yīng)力方法來(lái)預(yù)測(cè)金屬結(jié)構(gòu)在多軸隨機(jī)載荷下的疲勞壽命，并分析了平均應(yīng)力對(duì)多軸疲勞壽命的影響。論文包含以下幾個(gè)部分：
　　首先，本文利用隨機(jī)振動(dòng)臺(tái)對(duì)7075-T6鋁合金缺口試件進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，研究了試件在窄帶和寬帶載荷下的振動(dòng)響應(yīng)和疲勞破壞特性，并分析了帶寬對(duì)疲勞壽命分散性的影響。
　　其次，本文采用定

3、性分析和定量分析相結(jié)合的方法，提出了混合頻域-時(shí)域分析方法來(lái)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在多軸隨機(jī)載荷下的疲勞壽命，并利用提出的方法預(yù)測(cè)了7075-T6鋁合金缺口試件的隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命。把混合方法預(yù)測(cè)的結(jié)果與等效von Mises應(yīng)力方法預(yù)測(cè)的疲勞壽命進(jìn)行了比較，結(jié)果表明混合頻域-時(shí)域分析方法具有精度高和計(jì)算量小的優(yōu)點(diǎn)。并分析了多軸應(yīng)力和帶寬對(duì)疲勞壽命的作用。
　　再次，當(dāng)工程中優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)包含疲勞壽命時(shí)，為了使優(yōu)化設(shè)計(jì)順利進(jìn)行，本文考慮靜水應(yīng)

4、力的影響提出了一種頻域的等效Lemaitre應(yīng)力方法來(lái)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的多軸隨機(jī)疲勞壽命。將應(yīng)用等效Lemaitre應(yīng)力方法、等效von Mises應(yīng)力方法和PbP方法預(yù)測(cè)的疲勞壽命與文獻(xiàn)中隨機(jī)彎-扭的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)等效Lemaitre應(yīng)力方法使用方便，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，而且預(yù)測(cè)的結(jié)果偏于保守。在此基礎(chǔ)上，研究了等效Lemaitre應(yīng)力方法對(duì)不同類(lèi)型的S-N曲線的適用性。模擬結(jié)果表明，等效Lemaitre應(yīng)力方法對(duì)不同類(lèi)型的S-N曲

5、線都可以提供準(zhǔn)確的壽命估算，尤其是對(duì)于純扭轉(zhuǎn)的情況；利用等效 Lemaitre應(yīng)力方法預(yù)測(cè)了7075-T6鋁合金缺口試件的隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命，發(fā)現(xiàn)等效Lemaitre應(yīng)力方法的預(yù)測(cè)精度明顯優(yōu)于等效von Mises應(yīng)力方法，但與混合頻域-時(shí)域分析方法相比仍存在一定差距。
　　最后，本文基于臨界平面模型預(yù)測(cè)了金屬結(jié)構(gòu)在熱-噪載荷下的疲勞壽命。為了考慮結(jié)構(gòu)在熱載荷作用下產(chǎn)生的平均應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響，提出了一個(gè)基于最大切應(yīng)變的臨界平面模

6、型。這個(gè)模型包括最大切應(yīng)變幅值、最大切應(yīng)變幅值平面上的正應(yīng)變范圍、最大切應(yīng)變平面上的最大正應(yīng)力σn,max和平均正應(yīng)力σn,mE等四個(gè)疲勞參數(shù)，其中，σn,max和σn,mE可以用來(lái)反映平均應(yīng)力對(duì)多軸疲勞壽命的影響。利用提出的臨界平面模型預(yù)測(cè)了文獻(xiàn)中四種金屬材料在多種載荷路徑下的疲勞壽命，結(jié)果表明本文提出的模型可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)有/無(wú)平均應(yīng)力情況下結(jié)構(gòu)的多軸載疲勞壽命。在此基礎(chǔ)上，分析了熱-噪載荷下金屬結(jié)構(gòu)的跳變響應(yīng)，并利用提出的臨界平面模