基于多因素修正的结构件疲劳寿命预测与可靠性评估方法研究及应用

摘要

工程机械作为现代工业中的重要设备之一，由于其工作强度大、使用频率高，微小的故障可能带来巨大的危害。另一方面，工程机械结构件的可靠性直接关系到使用企业的经济效益。若不考虑其健康状态，而直接根据使用年限采取一刀切地停用措施将会造成巨大的资源浪费。同时，机械构件的损伤起源于材料缺陷、局部应力集中等多因素，经历着从微观萌生到宏观扩展，从空洞成型到长大，从未知到可观的物理演化规律，其影响因素既跨越时间与空间，也包括已知与未知，这些多尺度因素的复合作用会多层次影响评估结果的准确性。因此，结构件的疲劳寿命预测与可靠性评估需要考虑的情况复杂，然而又是现代工程实际中不得不面对的现实问题。 本论文针对目前在结构件疲劳寿命预测与可靠性评估中所存在的一些难题，结合多因素修正疲劳现象学理论对裂纹萌生阶段疲劳寿命预测方法及裂纹扩展机理模型进行研究。并在此基础上，运用贝叶斯理论将理论结果与试验数据进行信息融合，以期为结构件可靠性的准确评估提供一些新的方法和思路。论文主要工作如下： （1）以疲劳寿命的影响因素为研究核心，并在此基础上通过将量化后的修正因子与疲劳现象学模型相结合来提出了一种基于多因素修正的疲劳寿命预测模型，实现了结构因素、应力比及质量加工方式等要素与疲劳寿命预测结果之间的定量表达，进一步完善了裂纹萌生阶段疲劳寿命预测的相关方法；同时，通过实例研究对基于多因素修正的疲劳寿命预测算法的可行性和分析准确性进行了验证，并分析了修正因子对疲劳寿命的敏感度及其变化趋势；分析结果表明实例预测值与试验结果吻合； （2）通过提取载荷历程与影响裂纹扩展矢量特征间的参数来对裂纹扩展信息进行修正，提出了一种考虑结构因素、应力比、质量加工及载荷间相互作用等要素的裂纹扩展预测模型，解决了恒值载荷与随机载荷这两种载荷历程下的裂纹扩展精确预测；结合实例，对裂纹扩展信息进行了求解，并应用声发射设备进行了监测试验研究，结果表明预测出的数据精度是符合要求的；运用建立的预测模型对修正因素与裂纹扩展长度间的影响趋势关系进行了分析研究，结果表明裂纹扩展长度与加载方式因子及表面质量因子成反比例关系； （3）从微观缺陷衍生的角度出发，通过将损伤扩展理论与残余应力重分布计算方法相结合，提出了一种伴随裂纹或损伤扩展的残余应力重分布动力学模型，并在此基础上通过引入相应的裂纹扩展增量判据来提出了一种考虑残余应力重分布的裂纹扩展规律研究方法；实例分析结果表明，残余拉应力的释放使得裂纹扩展速率下降，不考虑残余应力重分布的结果将过高估计构件的裂纹扩展速率，其预测结果偏于保守； （4）针对结构件可靠性预测过程中数据广泛存在的指数型分布和威布尔型分布，通过贝叶斯理论方法将理论预测模型与试验数据进行结合，建立了基于贝叶斯理论的可靠性评估方法，实现了结构件裂纹扩展过程中的可靠性评估，进一步完善了贝叶斯理论背景下先验信息与试验数据间的信息融合策略；通过采用MCMC算法对后验信息的计算问题进行了解决，确定了结构件的可靠度数值；评估结果表明后验参数的分布较为集中，且置信度区间可达到90%，评估精度是可以保证的； （5）针对同种结构件不同初始损伤状态下的可靠性评估问题，通过将可靠性序化模型策略与贝叶斯理论方法相结合，提出了一种基于贝叶斯理论非齐次泊松过程的不同裂纹初始状态下结构件可靠性评估模型；通过数据间递进因子的合理使用，实现了试验数据与过程参数间的有效融合；通过实例分析对结合现场试验信息下不同裂纹初始状态的构件可靠性进行了评估，结果表明其平均预测精度为92%。

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摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1. 1 研究背景及意义

1.2 结构件疲劳寿命预测与可靠性评估方法的国内外研究现状

1.2.1 基于疲劳现象学理论的结构件裂纹萌生寿命预测方法研究现状

1.2.2 结构件裂纹扩展预测方法研究现状

1.2.3 残余应力重分布对裂纹扩展规律影响的研究现状

1.2.4 结构件可靠性评估方法研究现状

1.3 论文的主要内容安排

第二章基于多因素修正的结构件裂纹萌生寿命预测方法研究

2.1 引言

2.2 常见因素对疲劳寿命的影响

2.2.1 应力集中对疲劳寿命的影响

2.2.2 结构件尺寸对疲劳寿命的影响

2.2.3 表面加工处理方式及加载方式对疲劳寿命的影响

2.3 基于多因素修正的疲劳寿命预测算法的提出

2.4 实例应用

2.4.1 结构件有限元模型的建立与分析

2.4.2 修正因子的计算与选取

2.4.3 疲劳寿命的求解

2.4.4 疲劳加载试验及其试验数据分析

2.5 修正因素的敏感度分析

2.6 本章小结

第3章 基于多因素修正的结构件裂纹扩展预测方法研究

3.1 引言

3.2 恒值载荷下裂纹扩展预测研究

3.2.1 恒值载荷下基于多因素修正的裂纹扩展预测模型

3.2.2 恒值载荷下实例裂纹扩展预测应用

3.2.3 恒值载荷下修正因素对裂纹扩展影响的量化分析

3.3 随机载荷下裂纹扩展预测研究

3.3.1 随机载荷下基于多因素修正的裂纹扩展预测模型

3.3.2 随机载荷下实例裂纹扩展预测应用

3.3.3 随机载荷下修正因素对裂纹扩展影响的量化分析

3.4 本章小结

第4章 残余应力重分布对裂纹扩展规律的影响研究

4.1 引言

4.2 损伤扩展理论

4.3 裂纹扩展过程中残余应力重分布预测研究

4.3.1 基于损伤扩展理论的残余应力重分布模型

4.3.2 实例应用

4.4 考虑残余应力重分布的裂纹扩展规律研究

4.4.1 考虑残余应力重分布的裂纹扩展规律研究模型

4.4.2 实例应用

4.5 本章小结

第5章 基于动态分布参数Bayes可靠性模型的结构件可靠性评估方法研究

5.1 前言

5.2动态Bayes可靠性分析基本理论

5.2.1 先验信息的获取与检验

5.2.2 动态Bayes模型的先验分布确定方法

5.2.3 动态Bayes可靠性信息融合方法

5.3 基于动态Bayes模型的指数型数据可靠性分析

5.3.1 指数型分布可靠性数据的先验分布模型

5.3.2 指数型分布可靠性数据的联合后验分布模型

5.3.3 指数型分布可靠性数据的实例评估应用

5.4 基于动态Bayes模型的Weibull型数据可靠性分析

5.4.1 Weibull分布可靠性数据的先验分布模型

5.4.2 Weibull分布可靠性数据的联合后验分布模型

5.4.3 Weibull分布可靠性数据的实例评估应用

5.5 基于贝叶斯理论NHPP的不同裂纹初始状态下结构件可靠性评估方法研究

5.5.1 可靠性序化模型假设

5.5.2 基于贝叶斯理论NHPP的先验分布模型

5.5.3 基于贝叶斯理论NHPP的后验分布模型

5.5.4 不同裂纹初始状态下实例可靠性评估应用

5.6 本章小结

第6章 多因素修正疲劳现象学方法在起重机箱型结构裂纹萌生寿命预测与可靠性评估中的应用

6.1 引言

6.2 起重机箱型结构疲劳寿命预测

6.2.1 基于FEM的起重机应力分析

6.2.2 起重机裂纹萌生寿命预测

6.3 基于动态Bayes可靠性模型的起重机箱型结构可靠性评估

6.3.1 基于指数型数据模型的可靠性评估

6.3.2 基于Weibull型数据模型的可靠性评估

6.3.3 不同裂纹初始状态下起重机箱型结构可靠性评估

6.4 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 全文工作总结

7.2未来展望

参考文献

致谢

作者在博士研究生期间发表的论文及科研情况