随机疲劳在土木工程中的研究综述

疲劳破坏是桥梁等工程结构的主要失效模式之一,而目前的疲劳研究多集中于常规疲劳荷载,忽略了疲劳荷载的随机性.首先阐述了随机振动过程的定义和特点,介绍了基于时域法和频域法结构随机疲劳寿命的估计方法.通过ANSYS软件,利用功率谱密度(PSD)进行随机振动分析,得到应力的响应功率谱密度.结合三参数S-N曲线公式和Miner线性累积损伤理论,应用多种频域方法进行疲劳寿命估算,并与传统的雨流计数法进行比较,给出了土木工程结构中随机疲劳寿命估计的推荐方法.     

随机激励下高压管道的疲劳寿命分析

应用功率谱密度(Power Spectral Density)法对随机基础激励下高压管道进行疲劳寿命分析．给出了在随机激励作用下结构的随机响应计算方法，由随机过程和Miner线性累积损伤理论，推导了功率谱密度法估算结构寿命的公式．在此基础之上，以一飞机高压管道结构为例，编写程序求解出其疲劳寿命值．算例表明，在某些结构的应力响应无法实测或难以实测到的情况下，采用功率谱密度法分析其疲劳寿命显得简洁有效．     

一种预测焊接结构疲劳寿命的新方法

介绍了一种用于焊接结构疲劳寿命预测的方法。这种方法是基于功率谱密度等有关的统计参量,避开了常规疲劳寿命估算中对随机载荷谱进行循环计数的要求。根据输入及结构响应的频率成分,一般都可以预先估算出有关的统计参量,如功率谱密度函数等。文中给出了具体的计算实例,计算结果与实际情况比较吻合。     

共固化补片预修补铝板的阻尼和疲劳寿命研究

制备了黏弹阻尼层共固化复合材料补片,对固支的薄铝板应力集中区域进行预修补,利用基于频域的半功率带宽法测试了修补前后的结构阻尼比.建立有限元模型,采用滞后阻尼的假定计算了组合结构的等效阻尼比,对比实验值验证了该模型.采用基于功率谱密度的频域分析方法估算了结构随机振动疲劳寿命.考察了阻尼层厚度、补片长度和纤维层层数对结构等效阻尼比和随机振动疲劳寿命的影响.研究结果表明制备的黏弹阻尼层共固化复合材料补片可以提高薄壁结构的阻尼效果,并可以提高修补件的振动疲劳寿命.     

随机载荷下疲劳寿命的估算

本文论述了高周疲劳构件在平稳随机载荷作用下寿命预估的频域分析法,在现有文献和理论的基础上,给出了宽带高斯应力作用下,由危险点应力过程的自功率谱函数直接估算疲劳寿命的公式,并作了初步验证,适用于工程设计阶段和解决危险点应力-时间历程难以实测的疲劳问题.     

RMG530减压阀随机振动疲劳分析

为了评估随机振动载荷下减压阀的安全可靠性,在减压阀振动机制分析基础上,利用有限元分析软件Workbench建立某天然气分输站RMG530减压阀阀体有限元模型,根据现场测得的随机振动载荷对减压阀进行振动响应分析,获得响应功率谱密度,最后依据修正获得的减压阀材料S-N曲线,应用有限元疲劳分析软件NCode,通过时域和频域方法对减压阀进行随机振动疲劳分析,计算阀体关键部位的疲劳寿命。结果表明:减压阀结构设计比较保守,振动载荷下最小寿命发生在进口管段到阀座的拐角处,时域疲劳计算最小寿命为41.79 a,频域疲劳计算最小寿命为38.81 a。     

基于实测载荷特性的玉米联合收获机车架疲劳特性分析

智慧农机的发展需要丰富的技术储备,为了解玉米联合收获机车架的疲劳寿命情况,基于实测载荷特性完成了玉米收获机车架复杂工况下疲劳特性分析;通过理论及仿真分析,并充分考虑实践经验确定测点,采集有效载荷信号,并完成信号分析;基于有限元方法对车架进行相关特性分析,并利用实测载荷完成随机振动分析,得到的危险节点的应力功率谱,结合材料S-N曲线及疲劳累计损伤原则对车架进行时域及频域疲劳寿命分析;利用随机振动分析得到不同车速下最大应力功率谱曲线和实测应力功率谱,基于Drilik经验公式对车架危险部位进行寿命计算。结果表明:疲劳薄弱的位置出现在纵梁之间的连接处、驾驶室支座与车架连接处及后桥与尾部车架连接处,这些位置的疲劳寿命一般处于10~6上,车架其余位置寿命均在10~7以上。研究结果为车架的设计及优化提供了理论依据。     

大跨度桥梁耦合抖振分析的有限元正交组合方法

基于结构的固有模态坐标，提出了用于大跨度桥梁耦合抖振响应分析的 有限元正交组合（complete quadratic combination,CQC)方法。在合理假设基础上，推导出桥梁结构的节点等效气动抖振力公式。结合有限元方法和随机振动理论，给 出了桥梁结构节点位移和单元内力功率谱密度和方差响应的计算方法。该方法可以考虑自然风的任意风谱和空间相关性以及结构抖振响应的多模态耦合效应，且计算效率较高。     

铝合金薄板结构多模态随机振动疲劳分析

基于数值方法分析了铝合金薄板在共振和非共振状态下的动态响应,结合Dirlik疲劳寿命估算方法,确定振动应力是影响结构振动疲劳寿命的主要因素.利用数字图像相关技术,通过随机振动试验验证了数值计算动应力的准确性,研究了结构在多模态随机载荷激励下的振动特性,发现高阶模态载荷会影响结构振动疲劳损伤,引起结构振动疲劳寿命的急剧降低,并分析了产生这一现象的原因.     

潜艇耐压壳疲劳寿命的断裂力学估算方法

本文应用断裂力学理论和方法研究潜艇耐压壳结构疲劳寿命问题;由疲劳裂纹扩展特性导出了潜艇耐压壳结构疲劳寿命的估算公式和方法.实例计算的结果表明本文的探索是成功的.     

人行桥振动舒适度评价的频域方法

近几年来新建人行桥的跨度越来越大,结构也越来越轻柔,随之而来的问题是如何来评价其振动舒适度。在振动舒适度评价中,目前已普遍采用加速度均方根值作为评价指标,采用随机振动理论在频域上求解可以直接得到结构反应的功率谱密度,而功率谱密度曲线下的面积即是响应的均方值。提出了人行桥人致振动计算的频域方法,还推导了带调谐质量阻力器(TMD)的人行桥随机振动模型,然后确定了人行桥振动舒适度评价标准,其研究结果可为人行桥振动舒适性设计提供参考。     

板级球栅阵列无铅焊点随机振动寿命分析

进行了4组加速度的功率谱密度(PSD)条件下的焊点疲劳寿命试验,采用比例风险模型(PHM)分析加速度的PSD对焊点寿命的影响,并采用估计所得寿命期望(MTTF),结合Miner准则得到板极无铅焊点随机振动寿命损伤累积模型.结果表明：焊点疲劳寿命试验的结果与PHM估计所得焊点寿命的MTTF及其失效概率密度(PDF)吻合较好;当输入加速度的PSD幅值大于60 m2/s3时,焊点的MTTF值小于1 800 s,表明无铅焊点对随机振动载荷非常敏感.     

钢天线风致疲劳研究

基于一钢质天线气动弹性模型风洞试验结果,研究了其风致疲劳．首先,根据当地气象站资料统计的风速风向联合概率分布函数求得天线结构所在位置处的风速风向联合概率分布函数,并以结构假定的疲劳寿命为最大风速重现期来计算每个风向区间要考虑的最大风速．其次,对天线结构的气动弹性模型进行风洞试验,测得天线结构在不同风向角、不同风速下的加速度响应,根据试验获得的结构响应,求得疲劳分析关键点处的应力响应功率谱．最后,基于疲劳累积损伤理论在频域上用等效窄带方法计算天线结构的疲劳寿命,结果表明,这一实际结构的风振疲劳寿命接近主楼结构的设计寿命．     

线性时变系统非平稳响应功率谱密度的小波—伽辽金方法

线性时不变系统平稳随机振动理论的激励与响应功率谱密度关系,对于完全非平稳随机激励下的线性时变系统已不再适用.本文利用广义谐和小波作为展开基,利用伽辽金方法对线性时变系统的动力方程进行求解,得到了确定性响应与激励之间的小波变换关系.随后,基于随机过程时变功率谱密度的小波描述,获得了完全非平稳随机激励下线性时变系统响应与激励功率谱演变密度关系.数值模拟显示了所建议方法的正确性.     

采用平衡悬挂系统的载重汽车的随机响应分析

以装有平衡悬挂系统和全悬浮驾驶室的三轴载重汽车为研究对象,建立汽车多自由度振动系统模型．为了便于采用实模态叠加法进行随机振动分析及优化设计．提出一种阻尼矩阵的等效方法,采用模态阻尼比将系统的实际阻尼矩阵化为对角矩阵,在此基础上导出系统的响应功率谱密度矩阵．最后,用路面平度功率谱密度函数构造车轮处输入位移功率谱密度矩阵,对汽车进行随机振动分析．通过参数研究,指出了该型车平顺性差的原因,提出了改进其平顺性的建议．     

车桥竖向随机振动的概率密度演化分析

基于车-桥竖向耦合模型,引入不平顺功率谱随机谐和函数,采用N维超立方体点集(gp集)选取离散随机频率代表点,得到代表性轨道高低不平顺随机激励样本并进行慢变调制;建立概率密度演化方法的随机动力方程,基于MATLAB编制车桥耦合随机振动概率密度演化分析程序;采用newmark-β积分法及带TVD格式的双边差分法计算车桥振动响应的均值、标准差及时变概率密度演化分布。研究结果表明:与Monte Carlo法相比,概率密度演化法分析车桥随机振动精度更高,计算效率提高1~2个数量级;输入均匀随机分布频率和初相位的轨道不平顺激励,输出响应并非均匀分布,随车速先增加后减少,概率分布呈高斯型分布;轨道不平顺引起的系统随机响应受车速影响较大。     

轧机零件寿命估算的新方法

本文根据中板轧机机架的故障状况,实测了外载荷,编制了载荷谱,用有限元法将压力谱换算为应力谱;根据机架材料的疲劳性能曲线及应力谱,估算了机架的疲劳寿命。还提出了谱的加权平均、复杂应力的当量换算及用随机疲劳理论估算零件寿命的方法。     

宽带随机载荷谱下结构疲劳寿命的计算

以目前国际上普遍认可的一种雨流循环计数应力范围概率密度函数为依据,采用结构危险部位疲劳寿命曲线,利用不完全Gamma函数,建立了一种宽带随机载荷谱下结构疲劳寿命计算的一种解析解法,为在宽带随机载荷谱下服役的结构在设计阶段用频域法进行疲劳寿命计算提供了一种快捷方法。     

提高金属结构动态应力计算精度的方法研究

复杂结构动态应力的精确计算是一个始终没有解决的问题,严重的影响了结构的疲劳寿命预估.采用位移模态叠加法的思路,将应力表示成模态应力的叠加形式,然后采用基于模态叠加理论的虚拟激励法,直接求得随机振动环境下动态应力的响应功率谱.这种方法的优点是避免了常规有限元法计算结构动态应力时必须对单元形函数求导的做法,并考虑了模态间的耦合效应.计算结果表明,采用本方法计算结构动态应力相较常规有限元方法将会得到更好的计算精度.     

基于ANSYS的车体随机振动分析

本文应用ANSYS有限元分析软件对高速车车体进行随机振动频率响应分析,获得结构动态响应位移振动分布情况,并对发生最大位移振动的节点的振动特性进行PSD(功率谱密度)分析。随机振动所需的边界条件从在SIMPACK中建立的多刚体动力学模型获得,从而获取该车车体在一定工况下的动载荷历程,并通过快速傅立叶变换获得车体激励处的加速度功率谱。