结构统计能量分析及疲劳寿命预报方法研究

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时至今日,随着机械向高速、高温及大型复杂化方向发展,其使用环境更加恶劣,随机因素大大增加,由此引出的高频声振响应问题及结构的疲劳损伤问题在工程界受到越来越多的关注,如飞行器在飞行过程中受到的来自推进系统及气动噪声的声振环境可引起系统中的仪器设备振动,从而导致疲劳破坏。边界元和有限元等传统的确定性分析方法在处理高频问题时存在一定的局限性,为解决此类问题而发展起来的统计能量分析方法在工程界得到广泛的发展。频域疲劳寿命预报方法基于结构的应力谱,思路简单,其中的零阶矩应力谱法仅仅需要知道应力谱的零阶矩便可进行疲劳寿命的预报,更加简便,计算效率更高。时域疲劳寿命预报方法一般先由结构的载荷历程曲线得到应力幅值或峰值统计信息,进而对结构的疲劳寿命进行预报,其中的雨流计数法被认为是最精确的疲劳寿命预报方法,但其计算效率较低,在工程应用中存在一定的局限性。本文基于统计能量分析方法针对实际工程项目中的某飞行器高频声振响应问题展开研究,并利用频域及时域疲劳寿命预报方法对典型应力谱的疲劳寿命预报进行分析,具体内容如下:(1)高频声振响应影响因素分析介绍了统计能量分析方法的基本理论及统计能量分析相关参数的确定方法,建立某飞行器的统计能量分析模型,利用数值模拟的方式,探究内损耗因子、吸声系数和板壳厚度等因素对高频声振响应的影响。结果表明:内损耗因子及板壳厚度的改变对舱内声压级及子结构的加速度响应影响较大;吸声系数的改变仅对舱内声压级影响较大,而对子结构的加速度响应影响较小。(2)单峰应力谱的疲劳寿命预报分析建立了单峰抛物线应力谱模型,通过大量的数值模拟,分别利用零阶矩应力谱法与经典频域疲劳寿命预报方法计算单峰应力谱的单频带及宽带过程下的疲劳损伤量,并进行误差分析。结果表明:对于窄带过程或者是被划分为合适段数的宽带过程下的单峰应力谱,疲劳损伤量对其具体形状不敏感。(3)双峰应力谱的疲劳寿命预报分析针对系统响应中普遍存在的双峰形式的应力谱形状,建立双峰应力谱的三角形模型,通过数值模拟的方式对零阶矩应力谱法与经典频域疲劳寿命预报方法的结果进行误差对比,结果表明:对于窄带过程或者是被划分为合适段数的宽带过程下的双峰应力谱,疲劳损伤量对双峰应力谱的具体形状不敏感。并将部分特征各异的双峰应力谱的频域疲劳寿命预报结果与雨流计数法的预报结果进行对比,进一步验证了结果的正确性。
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