加筋板在复杂载荷下的振动疲劳寿命分析

目的研究航空工程结构部件——加筋板在准静态载荷和随机动载荷联合加载下的振动疲劳寿命预估问题。方法针对某铣制铝合金缺口加筋板,建立有限元模型,并采用时域法进行静动联合加载下的疲劳寿命分析。首先将准静态载荷分解为静力与正弦激励,以静力结果作为平均应力修正S-N曲线,再采用随机响应分析计算动载荷单独作用下结构危险点的应力PSD函数,通过逆傅里叶变换法,提取随机加载过程中的时域信号后,应用Von Mises等效准则,将其与正弦激励时域样本进行叠加,得到疲劳分析应力谱,再结合Miner线性累积理论和雨流循环计数法,计算得加筋板结构静动联合加载下的疲劳寿命。结果通过有限元仿真分析计算,得到加筋板在静动载荷共同作用下的疲劳寿命,对比试验寿命,误差基本在两倍界以内。结论由仿真与试验的结果对比说明,该方法可以有效预估试验件在静动载荷联合加载下的疲劳寿命,并能进一步推广到类似载荷下的疲劳寿命预估问题。     

电子产品野外环境下温循加速载荷谱编制方法

目的 将电子产品在野外环境下日变化波动与季节差异明显的温度载荷编制成温循载荷谱和转换为加速载荷谱。方法 通过四点雨流计数法提取原谱中的载荷循环信息,对提取的循环信息进行分布拟合、相关性检验等统计分析,进而构建循环均值与范围值的联合概率密度函数,再运用概率密度法,编制出8×8二维环境载荷谱。在二维载荷谱基础上,编制出温循载荷谱,使用针对电子部件参数修正的加速方程转化为加速载荷谱。结果 利用野外作业现场1个作业周期内的气温纪录,提供了一套编制温循载荷谱和转换加速载荷谱的合理化流程和解决方案。结论 该制谱方法可以利用原始环境谱中绝大部分有效信息,较好地还原电子部件野外作业阶段经历的温度变化过程,为电子产品的加速寿命试验和使用寿命预测奠定基础。     

热声复合环境下薄壁锥壳结构响应计算与疲劳寿命预估

目的研究热声复合环境下薄壁锥壳结构的动力学响应与疲劳寿命。方法采用耦合的有限元/边界元法,完成不同热声载荷下的振动应力计算。基于改进的雨流计数法,对不同热声载荷下危险点位置及典型位置的疲劳寿命进行预估。结果屈曲前随温度的增加,薄壁锥壳结构的基频降低,屈曲后在一定温度范围内时,基频增加。薄壁锥壳结构的应力集中主要出现在孔边位置,基频在热声激励响应中起主导作用。低阶固有频率处存在较大峰值,高阶频带范围内的峰值较小,模态密度较高。结论在800～1000℃的温度载荷与强声载荷下,薄壁锥壳结构的疲劳寿命只能维持几个小时,所以在抗声疲劳结构设计中要考虑响应谱的频率结构,及注重结构孔边位置的结构设计。     

基于编制载荷谱的固体发动机药柱疲劳损伤分析

目的建立固体发动机在海上值班时的长时域振动载荷谱,对振动造成的发动机药柱损伤进行分析。方法通过数据实测获得了固体发动机值班时的部分载荷,使用非参数雨流矩阵外推法和时域载荷重构法编制了发动机长时域载荷谱。通过有限元仿真建立了发动机药柱的应力分布,应用Miner线性累积损伤理论计算了药柱损伤。结果外推后的x、y、z三轴极值载荷数值分别提高了51%、83%、115%。振动过程中,药柱内部Mises应力较小,越靠近粘接界面,Mises应力越大,药柱在靠近前后封头的部位产生应力集中。推导了推进剂应力幅与累积损伤的关系公式,计算得到单个载荷谱周期内药柱的累积损伤值为1.059×10~(-4)。结论应用非参数雨流矩阵外推法和时域载荷重构法,可以实现将实测数据中未监测到的大幅值载荷进行量化表征,有效地建立固体发动机海上值班长时域载荷谱;固体发动机连续值班6个月时,造成的药柱累积损伤(D)为0.0323。     

差速器壳体疲劳寿命仿真分析方法

目的 研究差速器壳体疲劳寿命分析方法,调查差速器壳体断裂的根本原因.方法 以具体试验工况为输入,以减速器壳体支撑刚度为边界条件,以齿轮啮合力为输入载荷,建立弹性支撑条件下的差速器壳体有限元模型,并进行强度计算.以强度分析结果为输入,在疲劳寿命计算软件FEMFAT中进行疲劳寿命校核.考虑到差速器壳体分析工况较多、载荷复杂,采用Neuber公式,结合材料的循环应力-应变曲线方程和应力-应变迟滞回线方程,进行线弹性应力修正的方法进行校核.同时,为了更好地模拟差速器的运行极限工况,分析载荷采用了三正一负交替变化的载荷.最后,基于线性疲劳累积损伤理论的Miner法则对结果进行判断.结果 基于线性疲劳累积损伤理论的Miner法则,初始设计方案的计算结果表明,疲劳破坏发生在壳体过渡圆角处,其可承受的载荷循环次数为270次,不满足大于350次的设计目标,结果与疲劳台架试验相符,且失效区域对应性较好.通过增大差速器壳体过渡圆角半径及增加壳体厚度的方法对差速器壳体进行优化,优化后的疲劳分析结果显示,疲劳寿命增加至417次,满足350次设计目标,并顺利通过耐久台架试验.结论 通过优化前后台架试验结果与仿真结果的对比证实,该仿真分析方法能准确预测差速器壳体的疲劳水平,且该分析方法在计算精度方面是完全可信的,可以在实际项目开发中应用,可提前识别并规避风险,减少后期台架验证成本.     

结合虚拟迭代技术的整车级道路模拟试验方法

目的 提出一种基于试验场实采道路载荷谱,通过虚拟迭代技术修正台架试验动力学模型,从而实现多系统的“整车级”道路模拟试验的方法。方法 围绕台架关联试验场坏路,基于累积损伤模型、四点雨流计数法和模态分析展开研究,通过道路载荷谱的采集,预处理、压缩,在台架上复现零部件于整车上的运动姿态、失效形式与模态振型。最终完成以整车道路载荷谱为期望信号的台架迭代,以虚拟迭代为指导的模型修正,建立车辆道路时序信号与试验台架加载谱的相关性转化映射关系,执行基于液压伺服七轴试验台的多轴耐久试验,并实现以计算机模态分析、疲劳分析为指导的联合验证。结果 各零部件的试验结果为合格,与试验场一致。实现了多系统的同时验证,准确复现待测系统的运动姿态、失效形式及模态信号。结论 该试验方法建立起了整车级道路模拟试验标准,即通过虚拟迭代试验技术调整台架试验的动力学模型,为多系统道路模拟试验迭代不收敛的情况提出了解决方案。     

惯性器件加速试验环境谱编制与数据处理方法研究

目的研究模拟惯性器件贮存环境温度变化的加速环境谱与加速试验方法。方法监测样品贮存环境温度应力变化的同时,检测样品性能的变化,通过雨流计数法将温度变化曲线转化为温度环境谱后再转换为加速环境谱,依照加速环境谱开展试验,通过试验结果与自然贮存样品性能比对,开展试验样品性能评价。结果以2012年某试验库房的温度数据为例,通过转换得到了模拟惯性器件贮存环境的环境谱和加速环境谱,并得到了用于指导惯性器件加速试验的方法。结论将雨流计数法用于处理惯性器件经历的温度曲线,转化得到的加速试验方法,可以较好地模拟惯性器件贮存实际经历的温度变化过程,指导对惯性器件的性能变化趋势进行预测和评价。     

多工况下地下管道结构疲劳可靠度分析

疲劳破坏是埋地管道主要的失效方式之一,超载、地下空洞等因素都会加剧地下管道结构的疲劳损伤,对其安全运行构成威胁。对管道服役期在各种不利影响因素组合下的动力响应特征进行数值模拟分析,确定其疲劳应力谱;基于材料S-N曲线和Miner线性累积损伤准则,利用可靠性理论建立了交通荷载作用下地下管道结构疲劳的极限状态方程,计算了管道结构的疲劳寿命和疲劳可靠度指标;以某软土路基环境下地下燃气管道为例,定量评估了超载和地下空洞对地下管道结构疲劳可靠度的影响。将管道在荷载作用下的结构动力分析与疲劳可靠度相结合,为地下管道结构疲劳可靠度评估提供了一种新的分析方法,可为城市地下管道的设计、施工、维护及检修提供科学依据。     

装备关重件腐蚀-疲劳环境/载荷试验谱编制方法研究

目的 研究装备关重件大气腐蚀-动态疲劳协同加载的环境/载荷试验谱编制方法。方法 依据装备构件服役寿命-环境剖面,分析腐蚀环境与疲劳应力协同作用的特点,归纳出腐蚀-疲劳环境/载荷谱的设计原则和编制方法。结果 利用环境/载荷谱编制方法制定了某装备结构件腐蚀环境与疲劳载荷协同作用的加速试验谱。结论 建立的腐蚀-疲劳协同作用的环境/载荷谱编制方法及当量加速试验谱,可用于研究装备关重件的腐蚀-疲劳协同环境效应及加速试验评价方法等工作。     

基于损伤等效的振动疲劳试验载荷转换

目的使用简谐激励替代随机平直谱激励进行振动疲劳试验。方法利用有限元仿真计算某典型铝合金试验件在简谐激励和随机平直谱激励下的疲劳寿命,分析2种工况下试验件寿命相等时激励的等效关系。进行一组定频激励试验和一组谱激励试验,对比试验结果,验证在某典型铝合金试验件上利用简谐激励替代随机平直谱激励进行振动疲劳试验的可行性。结果通过试验与仿真技术,对2024-T4铝合金试验件在一定频率非共振简谐激励和随机平直谱激励作用下的振动疲劳寿命规律进行研究,得出了不同激励作用下试验件寿命相同时载荷的等效关系。结论基于损伤等效,工程中可以使用简谐激励代替随机平直谱激励进行振动疲劳试验,从而解决了一类振动疲劳试验加载困难的问题,实现振动疲劳的试验加速。     

综合考虑疲劳强度影响因素的寿命预测方法

目的提出一种综合考虑疲劳强度影响因素的寿命预测方法。方法利用提出的综合疲劳强度因子Kz考虑应力集中、尺寸和表面状态等因素对疲劳强度的影响,结合S-N曲线方法,采用Goodman方程进行平均应力修正,采用Miner定理进行疲劳损伤累积,提出一种适用于机械结构的疲劳寿命预测方法。结果对一种复杂结构螺旋弹簧进行了位移控制的恒幅和变幅台架试验,并利用弹塑性有限元分析获得了关键危险点位置的应力响应历程。利用台架试验的寿命结果对提出的方法进行了验证,预测误差在2倍因子以内。结论提出的方法可以较好地预测机械结构的疲劳寿命。     

基于临界面的多轴振动疲劳寿命预测

目的提出一种新的基于临界面正应力的高周多轴疲劳寿命预测方法。方法通过对主应力进行投影,得到各时刻下临界平面内的应力大小,利用雨流法计算不同临界面下的疲劳损伤,并通过权函数,得到主应力的角度期望值,进而预测结构的疲劳寿命。结果通过试验件进行仿真模拟,对底端作用两个方向PSD频率范围为8～200 Hz,大小为0.006、0.003、0.008 g~2/Hz的强制加速度激励得到多轴应力响应,以此计算4种工况下的随机加速度振动疲劳试验预测寿命,对比试验寿命误差基本处于2倍界以内。结论新的基于临界面正应力的疲劳寿命预测方法能有效预测多轴振动疲劳寿命。     

不同雨强对太湖河网区河道入湖营养盐负荷影响

为揭示太湖河网区不同雨强下入湖河道面源污染规律,以太湖入湖负荷最大的河道大浦河为例,通过一周年逐日高频监测水体各形态氮、磷及溶解性有机碳等营养盐情况,结合河道流量及降雨量的自动监测资料,分析了大雨、中雨、小雨及无雨等4种降雨强度下太湖河网区典型河道的流量和营养盐负荷特征.结果表明,作为太湖河网区的典型入湖河道,大浦河时常发生往复流现象,观测的365 d内,有60 d日均流量为负值,占16%;河道流量对雨强的响应较为迟缓,仅强降雨事件( 25 mm·d~(-1))下,降雨当日河道流量才显著增加;中雨期平均流量仅比无雨期高了29%,在统计上不显著.河道水体营养盐浓度在不同降雨强度下差异不显著,大雨、中雨、小雨及无雨事件下河道总氮浓度分别为(3. 00±0. 58)、(3. 34±0. 93)、(3. 55±1. 05)和(3. 37±1. 14) mg·L~(-1),小雨事件当天水体总氮浓度均值最高,而4种类型降雨事件下河道总磷含量分别为(0. 228±0. 068)、(0. 258±0. 121)、(0. 219±0. 083)和(0. 225±0. 121) mg·L~(-1),差异性也不显著,就平均值而言,中雨时河道总磷浓度最高.夏季典型降雨过程分析表明,不同雨强发生之后河道溶解性有机碳和各形态氮的浓度变化不大,但大雨之后次日河道各形态磷浓度有明显增高,持续时间为2 d,中雨后次日河道总磷和颗粒态磷有明显增高,持续时间仅为1 d,小雨后磷浓度基本无变化.大雨、中雨、小雨和无雨时总氮日负荷分别为7. 64、3. 19、3. 21和2. 62 t·d~(-1),总磷日负荷分别为0. 59、0. 26、0. 22和0. 20 t·d~(-1),受入湖流量影响,大雨期营养盐日负荷显著高于中雨及以下强度的降雨;然而,由于一年内大雨出现频次较少,大雨期氮和磷总入湖负荷占年负荷的比重不大,大雨期总氮和总磷分别入湖61. 11 t和4. 72 t,占观测周年的5. 6%和5. 8%,这与山区河道降雨负荷间的关系有着显著区别.本高频观测表明,太湖流域平原河网区河道面源污染汇集过程复杂,入湖负荷受降雨强度的影响相对较小,入湖水量是营养盐负荷的重要影响因素.本研究结果对太湖流域平原河网区湖泊的面源污染的估算及控制对策的制定具有参考价值.     

基于数值仿真的全表面轮毂弯曲疲劳试验及疲劳寿命分析

目的 预测钢制全表面轮毂易产生疲劳破坏的危险区域,并分析其弯曲疲劳寿命。方法 针对全表面轮毂的弯曲疲劳试验工况,建立有限元分析模型,综合考虑螺栓拧紧方式、螺栓预紧力以及材料非线性特征的影响,通过在加载轴末端建立局部坐标系,实现载荷的分解,并最终实现弯矩的动态加载。在此基础上,进行轮毂的受力分析,然后构造适用于轮毂的应力寿命曲线,并使用名义应力法进行疲劳寿命预测。结果 动态弯矩的加载方向变化会显著影响轮辐表面的应力分布特点,螺栓预紧力施加后,螺栓孔附近区域的应力显著增大,在计算中应考虑其影响。在获得各节点载荷历程后,以高应力幅和平均应力为标准,筛选出了轮毂的危险节点。结论 基于数值仿真的本型全表面轮毂弯曲疲劳试验,危险节点位置均位于轮辐通风孔的内圆角附近区域,可有针对性地对该区域进行相应的优化设计,以进一步提高轮毂的弯曲疲劳寿命。分析得到当前轮辋弯曲疲劳寿命约7.6万次,符合国家标准的要求。     

多轴蠕变-疲劳寿命预测系统软件开发

目的开发多轴-蠕变疲劳寿命预测系统软件。方法采用Visual Studio 2010,编程语言用C++/CLI,Win Form开发方式,通过编制三维载荷下的临界面确定,多轴循环计数,多轴蠕变损伤,多轴疲劳损伤,蠕变-疲劳交互作用计算等各种程序,开发高温环境下的多轴蠕变-疲劳寿命预测系统软件。结果所开发的专用寿命预测软件,程序运行环境为Windows操作系统,需要NET4.0环境支持。数据采用Micro Soft Access2010,数据库管理采用了ADO.NET技术。结论软件系统适用于随机多轴载荷下高温环境中热端机械零部件的损伤状态评估和寿命预测。     

加速腐蚀当量加速关系研究方法综述

为了进一步研究当量加速关系,归纳了现有腐蚀损伤当量化的研究方法,详细介绍了基于电化学原理、物理参量和力学损伤的当量折算法,讨论了各种方法的优劣和所适用范围。基于电化学原理的当量加速关系研究方法适合用于制定飞机金属结构加速试验环境谱,以物理参量为基准的当量折算法适用于建立疲劳关键部位、腐蚀关键部位的涂层及金属基体等各种加速试验环境谱的当量加速关系,力学损伤对比法适合用于结构疲劳关键部位。最后得出针对不同材料、不同部位应该采用不同的当量加速关系的结论。     

苏州河非点源污染负荷研究

将模拟试验、GIS技术和非点源污染模型相结合,探讨了苏州河流域的非点源污染负荷及时空演变规律.结果表明,研究区域内非点源成为主要的污染源,其中非点源污染负荷COD_Cr约为6 740 t/a,TN,TP和NH₄+-N分别达914,184和298 t/a;水田和村居民点是主要的污染贡献者;非点源污染负荷均表现为梅雨>秋雨>春雨>冬雨明显的季节性规律.      

运输类飞机实测突风谱编制方法研究

目的 针对运输类飞机突风载荷谱编制需求,基于实测载荷数据和任务分析法原理,采用5×5谱编制方法,建立一种运输类飞机实测突风谱编制方法。方法 首先依据任务分析确定飞机典型任务剖面和任务段,对实测载荷数据进行预处理和统计分析,获得突风增量过载超越数的分布参数。然后通过得到的平均突风增量过载累积超越数曲线,编制各任务段载荷谱,进而编制任务剖面谱,按任务剖面比例,对任务剖面谱进行随机排序,编制得到了突风增量过载飞-续-飞谱。最后给出了一个示例以详细阐明该编谱方法。结果 该型运输机爬升任务段突风载荷谱相较其余任务段偏重。结论 通过该方法编制的突风载荷谱能够较好地反映实测突风载荷数据特点,方法具备合理性和可行性。