隨機載荷下金屬結構多軸疲勞壽命預測方法的研究.pdf

1、在工程領域，許多金屬結構和部件都在循環(huán)交變載荷下工作，疲勞成為其最常見的一種失效形式。因此，結構的疲勞壽命預測成為工程和學術研究中的一個重要領域。研究人員已經對常幅載荷下結構的疲勞壽命預測方法進行了廣泛的研究，提出了很多模型。然而，工程實際中，大多數(shù)的結構和部件承受的都是隨機載荷，而且往往是多軸的。多軸隨機載荷下，主應力和主應變的大小和方向在一個載荷循環(huán)中是變化的，疲勞累積損傷變得難以估算。相對于常幅載荷下的疲勞壽命分析方法，多軸隨機載

2、荷下結構的疲勞壽命預測，目前還沒有成熟的方法，亟需開展這方面的研究。本文提出了混合頻域-時域分析方法和等效Lemaitre應力方法來預測金屬結構在多軸隨機載荷下的疲勞壽命，并分析了平均應力對多軸疲勞壽命的影響。論文包含以下幾個部分：
　　首先，本文利用隨機振動臺對7075-T6鋁合金缺口試件進行了隨機振動疲勞試驗，研究了試件在窄帶和寬帶載荷下的振動響應和疲勞破壞特性，并分析了帶寬對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合的方法，提出了混合頻域-時域分析方法來預測結構在多軸隨機載荷下的疲勞壽命，并利用提出的方法預測了7075-T6鋁合金缺口試件的隨機振動疲勞壽命。把混合方法預測的結果與等效von Mises應力方法預測的疲勞壽命進行了比較，結果表明混合頻域-時域分析方法具有精度高和計算量小的優(yōu)點。并分析了多軸應力和帶寬對疲勞壽命的作用。
　　再次，當工程中優(yōu)化設計的目標函數(shù)包含疲勞壽命時，為了使優(yōu)化設計順利進行，本文考慮靜水應

4、力的影響提出了一種頻域的等效Lemaitre應力方法來預測結構的多軸隨機疲勞壽命。將應用等效Lemaitre應力方法、等效von Mises應力方法和PbP方法預測的疲勞壽命與文獻中隨機彎-扭的實驗結果進行了比較，發(fā)現(xiàn)等效Lemaitre應力方法使用方便，與實驗結果吻合較好，而且預測的結果偏于保守。在此基礎上，研究了等效Lemaitre應力方法對不同類型的S-N曲線的適用性。模擬結果表明，等效Lemaitre應力方法對不同類型的S-N曲

5、線都可以提供準確的壽命估算，尤其是對于純扭轉的情況；利用等效 Lemaitre應力方法預測了7075-T6鋁合金缺口試件的隨機振動疲勞壽命，發(fā)現(xiàn)等效Lemaitre應力方法的預測精度明顯優(yōu)于等效von Mises應力方法，但與混合頻域-時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測了金屬結構在熱-噪載荷下的疲勞壽命。為了考慮結構在熱載荷作用下產生的平均應力對疲勞壽命的影響，提出了一個基于最大切應變的臨界平面模

6、型。這個模型包括最大切應變幅值、最大切應變幅值平面上的正應變范圍、最大切應變平面上的最大正應力σn,max和平均正應力σn,mE等四個疲勞參數(shù)，其中，σn,max和σn,mE可以用來反映平均應力對多軸疲勞壽命的影響。利用提出的臨界平面模型預測了文獻中四種金屬材料在多種載荷路徑下的疲勞壽命，結果表明本文提出的模型可以準確地預測有/無平均應力情況下結構的多軸載疲勞壽命。在此基礎上，分析了熱-噪載荷下金屬結構的跳變響應，并利用提出的臨界平面模