一种基于工程机械结构的疲劳寿命评估方法

摘要

本发明属于金属结构疲劳寿命计算相关技术领域，一种基于工程机械结构的疲劳寿命评估方法，通过对工程机械结构进行有限元分析并结合实际作业情况，确定疲劳危险区域；进行动态应力测试实验，获得疲劳危险区域在多次实际作业循环下的应力时间历程；对每次作业循环内的应力时间历程依次进行雨流计数、平均应力修正和等效损伤转换，获得每次作业循环对应的等效应力和等效循环次数；对每次获得的等效应力与等效作用次数，通过非线性累积损伤理论，计算斗杆结构的累积损伤和疲劳寿命。本发明将雨流计数法与非线性累积损伤理论有机结合，既考虑了作业循环之间加载顺序的影响，又简化了计算过程，提高了计算精度，适合于工程应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于工程机械结构的疲劳寿命评估方法，属于金属结构疲劳寿命计算相关技术领域。

背景技术

工程机械结构大都受到随机载荷的作用，由于作业环境及作业对象的不确定性，导致这种随机载荷不具有代表性与可重复性而无法被直接利用，因此工程上多采用雨流计数法来处理随机载荷。

累积损伤规律是结构疲劳寿命研究中的关键问题，主要分为线性累积理论和非线性累积理论两大类。由于非线性累积损伤理论考虑了载荷的加载顺序、载荷之间的相互作用效应等因素，其寿命评估的精度要高于线性累积损伤理论。

但是雨流计数法破坏了载荷的顺序性，使其不能与非线性累积损伤理论相结合，而是更多的与线性累积损伤理论相结合来进行寿命评估，这导致了寿命评估的精度较低。

本发明提出了一种以实际作业循环为单位计算损伤的寿命评估方法，将雨流计数法和非线性累积损伤理论有机的结合，既考虑了作业循环之间加载顺序的影响，又简化了计算过程，提高了计算精度，适合于工程应用。

发明内容

本发明的目的在于为解决上述技术问题而提供一种评估精度较高、具有工程应用价值的工程机械结构疲劳寿命评估方法。

本发明的技术方案：

一种基于工程机械结构的疲劳寿命评估方法，步骤如下：

(1)通过对工程机械结构进行有限元分析并结合实际作业情况，确定疲劳危险区域；

(2)进行动态应力测试实验，获得疲劳危险区域在多次实际作业循环下的应力时间历程；

(3)对每次作业循环内的应力时间历程依次进行雨流计数、平均应力修正和等效损伤转换，获得每次作业循环对应的等效应力和等效循环次数；

雨流计数采用三点计数法中的“幅值-均值”形式，获得8×8级载荷谱；

平均应力修正，是将每次作业循环雨流计数获得的8×8级载荷谱转换成64个等效的零平均应力的应力幅值；采用Goodman平均应力修正法，其计算公式如下：

式中，S_ca为修正的应力幅值，S_a为应力幅值，S_m为应力均值，S_u为抗拉强度极限；

等效损伤转换，是将64个等效的零平均应力的应力幅值的作用次数，转换为64个对应于最大应力的当量作用次数，其等效损伤的计算公式如公式(2)所示，将64个当量作用次数相加，得到1次作业循环对应的1个等效应力和1个等效作用次数；

式中，n_i为第i级应力对应的作用次数，N_fi为第i级应力对应的疲劳寿命，n_i'为第i级应力对应的当量作用次数，N_f0为最大的应力对应的疲劳寿命；

(4)对每次作业循环获得的等效应力与等效作用次数，按作业顺序通过非线性累积损伤理论，计算工程机械结构的累积损伤和疲劳寿命；

非线性累积损伤理论采用叶笃毅韧性耗散模型，其损伤表达式为：

式中，D为疲劳损伤，n为某一应力的作用次数，N_f为该应力对应的疲劳寿命。

本发明的有益效果：本发明提出了一种以实际作业循环为单位计算损伤的寿命评估方法，其将雨流计数法和非线性累积损伤理论相结合，考虑作业循环之间载荷的加载顺序的影响，简化了计算过程，提高了计算精度，适合于工程应用。

附图说明

图1为工程机械结构的疲劳寿命计算流程图。

图2为疲劳危险区域的应力时间历程图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施案例对本发明做进一步详细说明。

案例选取SY365型液压挖掘机斗杆结构件，其材料为Q345B，抗拉强度极限为500MPa。

通过对其进行完整的累积损伤计算，确定其疲劳寿命。具体步骤如下：

步骤一：通过对斗杆进行有限元分析并结合实际作业情况，确定斗杆中部为疲劳危险区域。

步骤二：对挖掘机在挖土工况下进行动态应力测试实验，获得疲劳危险区域在15次作业循环下的应力时间历程，如图2所示。

步骤三：对每次作业循环内的应力时间历程进行雨流计数、平均应力修正(公式(1))、等效损伤转换(公式(2))，获得每次作业循环对应的等效应力、等效循环次数，如表1所示。

表1等效应力与等效循环次数

作业循环12345678等效应力/MPa5048686562535356等效循环次数1510201920191810作业循环9101112131415等效应力/MPa55505153725252等效循环次数17191815202119

步骤四：用非线性累积损伤理论(公式(3))求得15次作业循环斗杆的损伤D＝6.82404×10^-6。挖掘机完成一次作业过程的时间约为17秒，假设挖掘机1年工作365天，一天工作8小时，那么挖掘机斗杆在连续工作[1/(6.82404×10^-6)×15×17]/(365×8×60×60)＝3.55年后发生疲劳破坏。