基于疲劳损伤累积理论的结构寿命预测与时变可靠性分析方法研究

摘要

随着航空航天、轨道交通、船舶海洋、机械制造等工业技术水平的提高，现代机械装备正逐步向大型化、高速化和高性能方向发展。许多机械装备关键零构件或结构的服役环境复杂，运行条件恶劣，导致各类破坏事故频繁发生。腐蚀、磨损和疲劳是机械结构破坏的主要表现形式，其中以疲劳破坏尤为突出。针对长期承受交变循环载荷作用的机械结构，疲劳断裂是其最主要的失效模式，占机械结构失效总数的50％~90%。疲劳破坏具有很强的隐蔽性和突发性，破坏前无明显的征兆，对机械装备的安全运行构成了严重威胁，一旦发生破坏易于造成重大事故和生命财产损失。机械装备零构件或结构的疲劳寿命及其可靠性是制约装备整机寿命和系统可靠性水平的关键因素。因此，精确地预测和评估机械结构的寿命和可靠性，是确保其在服役期内安全、可靠运行的重要保障，对合理制定维修决策和健康管理计划，最大限度地发挥装备的使用价值，提高经济效益和抗疲劳设计等方面均具有重要的理论价值和现实意义。
　　由于疲劳失效过程的复杂性和随机性，传统的寿命预测理论和可靠性分析方法还不够完善，仍存在诸多尚未解决的难题和不足。针对此，本文以有限寿命设计方法和疲劳损伤累积理论为基础，深入开展疲劳损伤失效机理、寿命预测技术以及可靠性分析方法的研究，采用机械装备关键零构件的金属材料试件和焊接结构件的疲劳试验数据进行模型和方法验证，使现有疲劳分析理论日臻完善，拓展其应用范围。论文主要研究内容和成果如下：
　　（1）提出了考虑载荷相互作用效应的疲劳损伤等效法则与剩余寿命预测方法。针对变幅加载载荷历程效应的复杂性以及 Miner法则的内在缺陷，从损伤累积的角度出发，系统地研究了载荷加载顺序及载荷交互效应的作用机制。根据疲劳失效的“二元判据”，引入了疲劳损伤状态的概念定性地表征材料的受损程度。针对传统损伤等效方法的缺陷，提出了考虑载荷相互作用效应的疲劳损伤等效法则。在此基础上，结合韧性耗散模型，建立了改进型剩余寿命预测模型，该模型能综合考虑载荷顺序及载荷间交互作用对损伤发展和疲劳寿命的影响。
　　（2）提出了基于疲劳驱动能损伤参数的非线性损伤累积模型与剩余寿命预测方法。针对传统损伤变量在描述上难以揭示失效过程能量耗散的本质，以疲劳驱动力模型为基础，运用能量准则，提出了一种描述疲劳失效全过程的驱动能损伤参数。从失效的能耗过程出发，建立了以驱动能耗散为状态参量的疲劳损伤定量方法和非线性损伤累积模型。在此基础上，运用损伤等效原理，推导出剩余寿命预测模型表达式以及考虑载荷相互作用效应的改进模型，并通过试验设计研究了两种模型的典型非线性特征。
　　（3）提出了基于动态剩余S-N曲线与材料记忆性能退化的修正线性损伤累积准则。针对非线性损伤理论计算量大的缺陷以及Miner法则在工程应用上的优势，从剩余寿命和S-N曲线的角度出发，研究了动态剩余S-N曲线和材料记忆性能的退化规律，通过引入材料记忆退化参数定量地表征动态剩余 S-N曲线的斜率比，提出了一种修正的线性损伤累积准则。该准则保留了传统 Miner法则形式上的简易性，便于疲劳损伤定量分析和寿命估算。通过对比三种线性损伤模型并结合试验设计，详细阐述了四种模型存在的共有属性以及线性损伤增长行为。
　　（4）提出了基于双线性损伤累积理论的概率模型以及时变疲劳可靠性分析方法。疲劳失效是一个损伤不断累积的动态过程，传统的基于静态的可靠性分析方法无法体现载荷历程的时变特征，而基于动态的可靠性分析方法难以揭示失效过程裂纹萌生和裂纹扩展的两阶段特性。针对此，以双线性损伤累积理论为依据，分别在正态分布和对数正态分布假设下，构建了概率损伤累积模型。在此基础上，运用应力-强度干涉理论，建立了基于“累积损伤-临界损伤”时变可靠度模型，实现了疲劳全寿命周期内的可靠度预测。

目录

声明

主要符号及缩略语

第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 疲劳与抗疲劳设计

1.3 疲劳寿命预测方法

1.4 疲劳损伤累积理论与疲劳可靠性分析

1.5 论文主要研究工作

第二章 考虑载荷相互作用效应的疲劳损伤等效与寿命预测

2.1 引言

2.2 载荷加载顺序效应的阐释

2.3 考虑载荷相互作用效应的疲劳损伤等效法则

2.4 改进型疲劳损伤累积模型与剩余寿命预测

2.5 算例分析

2.6 本章小结

第三章 基于疲劳驱动能损伤参数的非线性损伤累积与寿命预测

3.1 引言

3.2 疲劳驱动力模型及其缺陷

3.3 基于疲劳驱动能损伤参数的非线性损伤累积模型

3.4 模型改进与典型非线性行为分析

3.5 算例分析

3.6 本章小结

第四章 基于动态剩余S-N曲线与材料记忆退化的线性损伤累积与寿命预测

4.1 引言

4.2 动态剩余S-N曲线与材料记忆退化行为分析

4.3 修正线性损伤累积模型

4.4 模型对比与线性损伤行为分析

4.5 算例分析

4.6 本章小结

第五章 概率双线性损伤累积建模与时变疲劳可靠性分析

5.1 引言

5.2 两阶段线性疲劳损伤累积理论

5.3 基于双线性损伤累积的概率模型

5.4 时变疲劳可靠性分析

5.5 算例分析

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果