多轴向与单轴向振动环境下结构振动疲劳失效对比研究

摘要

在航空、交通和机械等领域中，对产品和装备进行环境振动试验对提高其可靠性具有重要意义。当前的环境振动试验，一般采用在三个轴向依次进行单轴向振动试验的方式，来等效产品和装备在实际工况下所经历的多轴振动环境。该方法在应用过程中可能导致产品出现过试验或欠试验现象，其有效性及其与真实多轴振动环境的差异性受到业界广泛重视。基于此，本文对多轴向同时振动与单轴向振动疲劳试验开展了对比研究。
　　研究了典型结构在单轴向振动环境与多轴向振动环境下的动力学响应。通过理论分析，有限元仿真和试验验证，探索了结构在不同振动工况下动力学响应的差异与联系，并对差异产生的原因进行了分析。研究结果表明在各轴向互不相关的三轴同时振动环境下，结构的动力学响应为各个方向单轴向振动时引起的动力学响应的叠加。若各轴向载荷间存在相关性，则其相关性对结构动力学响应存在明显的影响，并得到了不同轴向载荷间相关性对结构动力学响应的影响规律，为不同工况下结构振动疲劳失效行为的研究奠定了基础。
　　提出了适合多轴向振动环境下结构疲劳失效的判定方法。通过激光测振仪和35670A动态信号分析仪对结构的一阶固有频率进行跟踪监测；利用动态应变测试系统对试件缺口部位的应变进行了实时监测。根据试验数据分析了多轴向振动环境下疲劳裂纹扩展与固有频率变化和应变变化的关系，确定了两种疲劳失效的试验判定准则，为开展多轴向振动疲劳试验奠定了基础。
　　研究了不同载荷工况下结构的振动疲劳失效行为，以及各轴向载荷间相关性对结构疲劳失效行为的影响。对典型试件分别进行了多轴向同时振动、单轴向振动和单轴向依次振动疲劳试验，并且对试验结果进行了对比分析。研究结果表明相比于单轴向振动，试件在多轴向同时振动环境中的疲劳失效时间、裂纹源的位置以及裂纹扩展方式均存在差异，多轴向同时振动更容易使结构产生疲劳损伤，具有更短的失效时间。通过改变不同轴向载荷谱间相干系数和相位角，研究了不同轴向载荷间相关性对结构疲劳失效行为的影响，得到了载荷相关性对结构疲劳失效行为的影响规律。
　　基于现有的多轴疲劳损伤估计理论，根据多轴向随机振动环境下结构动力学响应的特点，提出了频域内多轴向振动环境下结构疲劳寿命估计的方法。该方法采用von Mises等效应力功率谱密度将多轴应力问题转化为单轴应力问题，利用单轴应力疲劳寿命估计的频域分析方法对结构疲劳寿命进行估计。计算了典型构件在多轴向与单轴向随机激励下的疲劳寿命，并与实验结果进行了对比验证。对构件在多轴向同时激励与单轴向依次激励的疲劳损伤结果进行了对比分析，从理论上研究了多轴向振动环境下结构振动疲劳的多轴效应。

目录

声明

注释表

第一章 绪 论

1.1引言

1.2振动环境试验在工程中的应用

1.3振动疲劳试验研究进展

1.4多轴振动环境下结构疲劳失效理论研究进展

1.5 本文主要研究内容及技术路线

第二章 多轴向与单轴向随机振动环境下结构动力学响应分析

2.1引言

2.2随机振动环境下激励与响应的关系

2.3典型结构在单轴向与多轴向随机激励下的动力学仿真分析

2.4典型结构在单轴向与多轴向随机激励下的试验研究

2.5本章小结

第三章 多轴向振动环境下结构疲劳失效判定方法研究

3.1引言

3.2试验设计

3.3振动疲劳试验与失效判定分析

3.4本章小结

第四章 多轴向与单轴向振动环境下结构疲劳失效对比研究

4.1引言

4.2不同振动工况下结构振动疲劳失效行为对比研究

4.3不同轴向载荷间耦合关系对结构疲劳失效行为影响分析

4.4本章小结

第五章 多轴向振动激励下结构疲劳寿命估计方法研究

5.1引言

5.2频域内单轴振动疲劳寿命估计理论

5.3频域内多轴随机载荷下的疲劳寿命估计方法

5.4多轴向振动环境下结构振动疲劳寿命估计方法

5.5算例分析

5.6本章小结

第六章总结与展望

6.1本文总结及主要贡献

6.2 研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文