多轴随机载荷下疲劳寿命预测方法的研究

摘要

多轴随机载荷是工程实践中大量遇到的实际情况，经典的疲劳理论远远满足不了当代机械产品强度和寿命设计要求，因此多轴随机载荷作用下结构构件的疲劳强度分析和寿命估算是近年来国内外疲劳研究的主要对象。从理论上对随机载荷下的疲劳寿命预测方法进行全面系统深入地研究，将会有效地提高疲劳寿命预测精度，保证机械设备安全可靠地运行，减少事故的发生。同时也可以提高产品的设计水平、延长使用寿命，增强机械产品在市场的竞争力，不仅具有深远的理论意义，而且也具有重大的应用价值和经济效益。
　　本文在综述国内外多轴疲劳研究发展概况的基础上，根据目前已有的多轴疲劳理论研究成果，采用时域与频域相结合的方法，对随机载荷下多轴疲劳寿命预测方法进行深入研究。
　　首先，建立根据载荷幅值的方差所确定的参考坐标系，将偏量空间中的载荷路径沿参考坐标系各轴投影，原载荷等效成为多段单轴载荷历程，依据向量范数的概念，定义和求解剪应力的等效幅值。由于疲劳损伤与载荷幅值的方差密切相关，所以通过这种方法求得的剪应力的等效幅值反映了载荷对材料损伤的影响。
　　其次，考虑平均应力的影响，计算等效的单轴载荷历程造成的疲劳损伤。这个过程需要对两段载荷时间历程进行同步计数，基于此，给出了多轴随机载荷的压缩方法与多轴循环计数方法。本方法不但能够有效地简化随机载荷历史，而且还能实现载荷取舍的同步性，使同时对两段载荷进行循环计数成为可能。
　　再次，利用修正S-N曲线方法，建立了时域多轴疲劳寿命估算模型。该模型也适用于单轴、多轴比例、非比例，多轴变幅等加载情况。通过引用三种材料的试验数据进行验证，预测结果与试验结果的误差较小，并偏于安全。
　　最后，在时域多轴疲劳寿命估算模型的基础上，结合频域疲劳的研究方法，建立了频域多轴疲劳寿命估算模型。该模型也适用于单轴、多轴平稳高斯应力过程。经过引用文献中的试验数据进行验证，预测结果均在2个因子范围内，预测能力较好。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的目的和意义

1．2 多轴疲劳寿命预测研究的现状

1．2．1 国内外时域多轴疲劳寿命预测研究的现状

1．2．2 国内外频域多轴疲劳寿命预测研究的现状

1．3 课题研究的设想与内容

第2章 基于应力不变量的剪应力等效幅值求解

2．1 引言

2．2 应力张量及其不变量

2．3 等效剪应力幅值的定义

2．4 基于应力不变量的剪应力等效幅值求解过程

2．4．1 剪应力等效幅值的求解过程

2．4．2 多轴循环计数

2．4．3 基于应力不变量的剪应力等效幅值的求解算例

2．5 小结

第3章 时域多轴疲劳寿命估算模型

3．1 引言

3．2 多轴疲劳寿命预测的修正S-N曲线方法

3．3 基于应力不变量的多轴疲劳寿命预测模型

3．4 试验验证与比较

3．4．1 多轴疲劳寿命预测模型

3．4．2 验证与对比

3．5 小结

第4章 频域多轴疲劳寿命预测模型

4．1 引言

4．2 频域疲劳强度分析与寿命预测

4．2．1 单轴随机应力过程的表示方法

4．2．2 多轴随机应力过程的表示方法

4．2．3 频域单轴平稳随机过程疲劳损伤的估算

4．3 频域多轴疲劳寿命预测模型

4．3．1 基于谱方法的频域多轴疲劳寿命预测模型

4．3．2 结果验证与分析

4．4 小结

第5章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文情况