结构振动疲劳寿命分析方法研究

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1、结构振动疲劳寿命分析方法研究注释表D疲劳损伤量erf()误差函数E弹性模量f频率G(ω)单边功率谱密度H()传递函数KT理论应力集中系数K σ均方应力集中系数Kf疲劳缺口系数n加载次数NT时间疲劳寿命N循环疲劳寿命p()概率密度函数P概率S应力幅值Sae理论疲劳极限Sb抗拉强度Se光滑试件的疲劳强度Seq,Sh等效应力Sm应力均值Smax最大局部弹性应力SN缺口试件的疲劳强度Sp峰值应力Sv谷值应力S名义应力S(ω)双边功率谱密度函数0XT,t时间xd(t)抽样函数X(t)平稳随机过程RX(τ)自相关函数ε带宽系数εｅ弹性应变γ不规则因子Γ()伽马函数ϕ初始

2、相位ν单位时间内应力循环次数kν峰值期望率ν+均值正穿越期望率Pσ应力均方根值ω圆频率∆D疲劳损伤增量∆S应力幅值增量∆应力变程∆εσｐ塑性应变—XII—承诺书本人声明所呈交的博士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作

3、者签名：日期：南京航空航天大学博士学位论文第一章绪论1.1引言飞机在振动环境作用下，进气道、机翼、尾翼、燃油管道、航炮支架等结构都会因振动载荷作用而出现疲劳破坏。典型飞机振源包括：由推进系统、辅助动力源、螺旋桨、喷气流传给飞机结构的力和力矩；尾流、下洗气流等气流扰动传给飞机的力和力矩；机炮发射、炮口爆炸波或其它武器发射时产生的力；抖振力；由诸如螺旋桨、转子及发动机等旋转部件产生的固有的和制造偏差所引起的不平衡力；由外挂和货物投放所产生的力；飞机进行必要地面操作产生的力；阵风载荷等[1]。公路、铁路以及海洋运输等交通工具同样处于振动环境中，振动载荷导致的结构疲

4、劳破坏问题不能忽视。结构的振动疲劳涉及结构振动、结构动力学、随机振动以及结构疲劳等多个学科，虽然振动疲劳问题在工程实际中广泛存在，但是有关振动疲劳的研究尚处于起步阶段。目前对振动疲劳与一般循环疲劳的本质区别的研究很少[2,3]，结构振动疲劳的定义尚不明确，姚起杭[4]只给出了共振疲劳的定义。根据载荷以及响应的特点给出振动疲劳的定义：振动疲劳是指结构在振动载荷作用下引起结构的动力学响应，从而导致结构的疲劳破坏。振动疲劳的响应为随机过程，与一般循环疲劳不同，采用现有的疲劳寿命估算方法不能进行结构的振动疲劳寿命预测。结构的振动疲劳寿命分析首先要进行振动载荷作用下结

5、构的动力学响应分析，然后基于动力学响应分析结果进行结构的振动疲劳疲劳寿命估算。随着随机振动理论和动力学的发展，线性结构在振动载荷作用下的结构响应计算方法已日趋成熟，振动疲劳寿命估算方法是振动疲劳寿命研究的主要内容。材料的疲劳寿命曲线是结构振动疲劳寿命估算的重要依据，现有的材料疲劳寿命曲线模型只能描述低周疲劳或高周疲劳区域内循环应力和疲劳寿命之间的关系，高频低幅振动载荷环境中，结构发生超高周疲劳破坏，振动响应中有很大概率的幅值位于超高周疲劳区域，所以对超高周疲劳区域疲劳寿命曲线的研究很有必要；工程结构所承受的振动载荷频率与疲劳寿命曲线的试验频率不同时，频率对疲

6、劳寿命曲线影响的研究对振动疲劳寿命估算有很大的现实意义。影响因素众多以及分析复杂是制约结构振动疲劳寿命研究的又一方面。除了应力集中、平均应力等主要影响因素外，结构的动力学特性，如阻尼，也对结构的振动疲劳寿命有很大影响，是结构振动疲劳寿命研究中不能回避的问题。—1—结构振动疲劳寿命分析方法研究1.1结构振动疲劳研究现状结构振动疲劳研究内容涉及了结构振动、结构动力学、随机振动以及结构疲劳等多个学科，目前广泛开展的关于振动疲劳的研究大致可分为以下几个方面：(1)振动载荷作用下结构的动力学响应分析；(2)结构振动疲劳寿命估算方法；(3)结构振动疲劳的主要影响因素；(

7、4)结构振动疲劳试验研究。本文仅涉及(2)、(3)和(4)方面的有关内容。1.2.1振动疲劳寿命估算结构振动疲劳与一般循环疲劳相比，疲劳损伤机理相同，振动疲劳寿命分析的思路也相同。结构疲劳寿命分析包括四大内容：结构危险部位的响应、疲劳寿命估算方法、材料疲劳性能的描述和疲劳累积损伤理论。结构疲劳寿命分析首先对结构进行响应分析，得到外载荷作用下的结构危险部位的响应，然后根据材料的疲劳性能曲线和疲劳累积损伤理论进行寿命估算。一般的结构疲劳寿命分析流程如图1.1所示。图1.1一般的结构疲劳寿命分析流程结构疲劳寿命估算基于结构的响应，不同的响应需要不同的方法进行寿命估

8、算。根据所获得的应力或应变响应，将疲劳寿命估算方法分