作为一种高效、环保、安全和低成本的地球物理勘探热点技术,高精度可控震源已经成为环境恶劣、地形复杂,以及高环保要求地区油气勘探作业的首选。振动器是地震信号激发的关键装置,而平板是连接振动器与大地的重要媒介。地震波激发工况下,平板既要承受重载震源车主体的压重作用,又要承受来自振动器的变频交变激振力,这种长期恶劣的外载工况导致了平板焊接部位出现疲劳裂纹甚至断裂现象,不仅大大折损了平板工作寿命,而且严重影响了震源信号激发质量,降低了油气勘探精度。为此,本文在国内外可控震源技术和结构可靠性工程理论的基础上,通过理论和试验相结合的方法开展了可控震源振动器平板疲劳寿命和疲劳可靠性分析研究,研究成果为提高平板抗疲劳性能提供了理论依据,对延长平板使用寿命,改善振动器的激震效果,减少信号畸变,提高其勘探精确性具有重要意义。本文主要研究工作和成果如下:(1)基于可控震源振动器结构和工作原理分析,在Sallas模型基础上运用振动器系统动力学理论,建立了地震激发过程中平板动力学模型。分析结果表明平板出力幅值达275KN,高量级的作用力是导致平板损伤开裂的重要因素。针对平板开裂断口处的宏观和微观形貌特征分析表明平板开裂属于典型的疲劳破坏失效,其疲劳损伤机理为:在循环载荷作用下平板缺陷部位材料由弹性转向塑性变形,形成了不可逆转的累积损伤裂纹源区,随着板体的损伤不断累积,内部组织发生穿晶和沿晶断裂,平板萌生的微裂纹汇聚成宏观裂纹,进而稳定扩展形成扩展条纹区,直至发生最终断裂破坏。(2)针对现场地震波激发工况下难以准确、高效获取平板应力响应规律的问题,提出了一种基于正交试验参数优化的振动器平板动力学仿真分析研究方法,形成了避免全面试验,且高效精确获得平板应力响应函数的关键技术,分析结果表明:心形加固板焊接区域附近的应力响应水平最高,疲劳损伤值最大,且存在周期性的“上凸”和“下凹”变形,该区域是平板的疲劳关键部位。采用“线性外推法”准确计算出关键部位的热点应力,结合响应面法拟合了平板疲劳热点应力响应与输入参数之间的函数表达式,且具有较高精度,这是建立平板疲劳寿命预测模型和疲劳可靠性分析模型关键的第一步。(3)针对振动器平板激发地震波的特殊工况,搭建了三点弯曲试验平台以开展平板特征试件疲劳试验研究,掌握了平板疲劳裂纹扩展规律的同时,提出了一种基于平板试件疲劳寿命测试试验的S-N曲线拟合方法,高度拟合相关性,极小误差均方值保证其具有较高的精确性。在此基础上,构建了疲劳累积损伤S-N曲线法和裂纹扩展理论断裂力学法的平板疲劳寿命预测模型,开展了平板疲劳寿命理论分析研究,掌握了外界宏观和内部微观因素对其疲劳寿命的影响规律。采用误差和均方分析法,结合试验寿命测试对两种疲劳寿命理论模型验证分析表明,理论模型计算结果与测试值较为吻合,具有一定的计算精度和效率。研究成果为揭示平板疲劳行为特性和完善疲劳寿命预测模型提供了重要的理论和试验依据。(4)运用决策理论中的模糊综合评价方法,对S-N曲线法和断裂力学法疲劳可靠性分析模型进行了多因素性能评价分析研究,依评价集的权重系数分配准则提出了一种既考虑宏观结构载荷因素,又兼顾微观材料组织因素两种优势的振动器平板疲劳可靠性模糊综合分析法,并计算得出平板疲劳关键部位的可靠度为0.9759,表明平板虽具有一定的抗疲劳性能,但相较工程上达标疲劳可靠度0.99仍有差距,因此需要通过结构设计和材料优选等技术手段进一步提高平板疲劳可靠性。(5)采用Monte-Carlo可靠性灵敏度分析法,开展了平板关键部位疲劳可靠性对随机疲劳参数的敏感性研究。分析结果表明,振动器下十字立柱直径D和应力变程△σ的大小和分散性对平板疲劳可靠性影响显著,是平板寿命和安全性的首要敏感因素。由此,构建了以平板失效概率为约束条件、疲劳寿命为目标函数的优化模型,开展了基于疲劳可靠性的随机参数优化设计。优化后平板综合疲劳可靠度提高至0.9935,提高了1.8%,为提高振动器平板抗疲劳性和安全性提供了科学有效的理论依据和工程指导。