随机载荷下疲劳寿命估算的简便方法

基于实测数据的随机振动疲劳寿命预测方法
董江;于浩;文敏;张强波;郭海东
【期刊名称】《航天器环境工程》
【年(卷),期】2022(39)3
【摘要】为研究随机振动载荷下构件的疲劳特性,采用振动台对试件开展随机振动疲劳试验。

通过对试件应变计改装,完成试验过程中试件应变响应载荷测量,并实现试件疲劳过程的实时监测,准确获取了试件疲劳时刻。

基于实测时域数据,结合雨流计数法和线性累积损伤理论,预估3种量级下试件的随机振动疲劳寿命。

预估值与试验值对比均在3倍分散带内,验证了上述随机振动疲劳寿命预测方法的可行性及有效性。

后续可通过载荷数据的实测开展危险结构件的疲劳失效监测及寿命预测。

【总页数】8页(P279-286)
【作者】董江;于浩;文敏;张强波;郭海东
【作者单位】中国飞行试验研究院
【正文语种】中文
【中图分类】V416.2;TB115
【相关文献】
1.基于PSD法的电动轮自卸车车架随机振动疲劳寿命预测
2.基于频域的多轴随机振动疲劳寿命预测
3.基于多维多点虚拟激励法对转向架构架随机振动疲劳寿命预测
4.一种快速预测叠层焊点随机振动疲劳寿命的方法
5.考虑温度的加筋板结构随机振动疲劳寿命预测方法研究
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机械系统疲劳寿命分析与预测方法研究在现代工程领域中，机械系统的疲劳寿命分析与预测是一项重要且具有挑战性的任务。

疲劳寿命预测能够帮助工程师评估机械系统的可靠性，并提供制定合理维护和替换策略的依据。

本文将探讨机械系统疲劳寿命分析与预测的方法，为工程领域的从业人员提供一些有益的信息和思路。

1. 疲劳寿命分析方法疲劳寿命分析是通过对机械系统在实际工作条件下的疲劳损伤进行评估，确定其合适的使用寿命。

在进行疲劳寿命分析时，常用的方法包括“应力-寿命”和“应变-寿命”两种。

首先，应力-寿命法通过测定材料或结构在不同应力水平下的寿命，构建应力与寿命之间的关系曲线。

然后，根据实际应力加载情况，通过曲线插值或外推的方法，预测机械系统在给定应力下的寿命。

其优点是简单易行，适用于较为理想的应力加载情况。

其次，应变-寿命法通过测定材料或结构在不同应变水平下的寿命，建立应变与寿命之间的关系曲线。

然后，根据应变场的测量数据，通过曲线插值或外推的方法，预测机械系统在给定应变下的寿命。

这种方法的优势在于能够考虑应变集中和变形非均匀性等实际情况。

2. 疲劳寿命预测方法疲劳寿命预测是通过对机械系统的工作条件、材料性能和结构特点进行分析，利用数学模型对其寿命进行估计。

常用的疲劳寿命预测方法包括基于统计学的方法、基于损伤累积理论的方法和基于有限元分析的方法。

首先，基于统计学的方法使用大量的实验数据，通过对寿命分布的统计分析，建立概率模型，预测机械系统在给定工况下的寿命概率。

其次，基于损伤累积理论的方法将机械系统的疲劳损伤过程视为一个损伤累积的过程，通过对损伤的量化和累积规律的分析，建立损伤累积模型，预测机械系统的寿命。

最后，基于有限元分析的方法是一种数值仿真方法，通过对机械系统的结构和工况进行建模，利用有限元分析软件对其进行疲劳寿命预测。

这种方法要求对机械系统的结构和材料特性有较为准确的描述，但预测结果更为精确。

3. 疲劳寿命分析与预测的挑战机械系统疲劳寿命分析与预测面临一些挑战。

铝合金疲劳极限简单估算1. 引言1.1 铝合金疲劳极限的定义铝合金疲劳极限是指在循环载荷作用下，铝合金材料发生疲劳破坏的极限应力水平。

疲劳极限是材料抗循环载荷疲劳破坏能力的一个重要参数，对于铝合金材料的耐久性能具有重要的指导意义。

铝合金疲劳极限受多种因素的影响，包括材料本身的组织结构、加载方式、载荷频率等。

研究铝合金疲劳极限不仅可以帮助我们了解材料在实际工程应用中的寿命及安全性，还可以指导工程设计和材料选择，提高产品的可靠性和使用寿命。

在实际工程中，准确估算铝合金疲劳极限是至关重要的。

通过合理选择试验方法和建立适当的模型，可以对铝合金疲劳极限进行简单而有效的估算。

这对于提高产品的安全性和可靠性具有重要意义。

深入研究铝合金疲劳极限的定义及影响因素，探讨简单的估算方法，并通过实验验证和案例分析，对于进一步提高铝合金材料的应用性能和开发新型铝合金产品具有重要意义。

1.2 研究意义铝合金疲劳极限的研究意义在于深入了解铝合金在长期应力加载下的性能表现，从而为工程设计和材料选择提供依据。

通过研究铝合金疲劳极限，可以评估材料在实际工程应用中的可靠性和安全性，从而设计出更加耐久和可靠的产品。

研究铝合金疲劳极限还可以为材料工程领域提供新的理论基础和方法，推动材料科学的发展。

通过深入研究铝合金疲劳极限，可以提高材料的使用效率，延长材料的使用寿命，减少资源的浪费，对节能环保具有积极的意义。

铝合金疲劳极限的研究意义重大，对提高材料的性能和推动材料科学的发展具有重要的意义。

2. 正文2.1 铝合金的基本特性铝合金是一种广泛应用于工业领域的金属材料，具有许多独特的特性。

铝合金具有较高的强度和硬度，即使在高温下也能保持较好的性能。

铝合金具有良好的抗腐蚀性能，能够在恶劣环境中长期保持稳定。

铝合金的密度较低，具有较轻的重量，有利于在产品设计中降低整体重量。

铝合金具有良好的可塑性和加工性，能够通过各种加工方法制造出复杂形状的产品。

估算谱载下疲劳裂纹起始寿命的等寿命法
王永廉
【期刊名称】《机械强度》
【年(卷),期】1994(16)4
【摘要】提出了一种新的估算谱载下疲劳裂纹起始寿命的方法，即等寿命法。

该算法主要依赖于等幅试验结果，简便实用；同时能够反映变幅疲劳的基本特性。

试验评估结果表明，该方法的预测能力明显优于当量损伤等其他十三种方法。

【总页数】4页(P6-9)
【关键词】疲劳;裂纹;寿命;预测;随机载荷;材料科学
【作者】王永廉
【作者单位】南京电力高等专科学校
【正文语种】中文
【中图分类】TB302.3;TG14
【相关文献】
1.用改进的均方根法估算谱载下疲劳裂纹起始寿命 [J], 王永廉
2.一种估算谱载疲劳裂纹起始寿命的方法 [J], 王永廉
3.铝合金切口件在四组变幅载荷下3.5%NaCl溶液中腐蚀疲劳裂纹起始寿命试验研究与估算模型 [J], 王荣;郑修麟
4.估算谱载下疲劳裂纹起始寿命的工程实用方法 [J], 王永廉
5.变幅载荷下孔挤压件疲劳裂纹起始寿命的估算方法 [J], 凌超;张保法;郑修麟
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随机振动疲劳随机载荷下各种结构的疲惫寿命评估，一直是工程上所关心的题目。

近年来，随着数字化仿真技术不断发展，各种新的计算方法也不断在产品中得到应用。

借助随机振动疲惫分析技术，设计职员可以在产品设计过程中猜测产品寿命，根据疲惫寿命分布图直观地判定出设备疲惫寿命大小及薄弱位置，快速判定设计方案疲惫性能优劣。

同时还可避免反复多次试验，降低资源消耗，缩短开发周期，进步产品市场竞争力。

1.随机振动及其疲惫分析流程对于一个振动系统，它的输人又称振源或激励，系统所产生的振动也称为对这个输人的响应。

当响应是随机的，这种振动称为随机振动。

随机振动是不能用时间的确定性函数来描述的一种振动现象，但是从总体上看，这种振动现象存在着一定统计规律性，可用该现象的统计特性进行描述，也就是在频率范围内描述。

在通常情况下，描述随机振动载荷或响应的方式是功率谱密度函数。

随机振动疲惫分析一般分两步进行。

首先对有限元模型进行频率响应分析计算模型传递函数，得到在单位载荷激励下模型在各阶频率上的应力分布情况;然后再根据功率谱密度函数、材料S-N曲线等计算模型的疲惫寿命大小及分布。

2.材料S- N曲线估计在随机振动疲惫分析过程中需要输人材料的应力一寿命曲线即S-N曲线。

该曲线是在控制应力的条件下得到的破坏寿命与应力幅值之间关系的折线段，其对于估算零件的疲惫寿命是至关重要的。

在MSC.Fatigue软件中，可以根据材料的极限拉伸强度估计材料的S- N 曲线。

估计S- N曲线时，应力轴的截距范围到材料的断裂应力值，应力值限制在1000次循环，疲惫极限则根据不同系数确定。

3. Miner累积损伤理论随机振动疲惫分析采用的是Miner累积损伤理论。

Miner做了如下假设}6-7):试样所吸收的能量达到极限值时产生疲惫破坏。

从这一假设出发，如破坏前可吸收的能量极限值为W，试样破坏前的总循环为N,在某一循环数。

1时试样吸收的能量为W1，则由于试样吸收的能量与其循环数间存在着正比关系，因此有因此，若试样的加载历史由σ1，σ2，…，σl这样的l个不同的应力水平构成，各应力水平下的疲惫寿命依次为N1，N2，…，Nl，各应力水平下的循环次数依次为n1，n2，…，nl，则损伤时，试样吸收的能量达到极限值W，试样发生疲惫破。

快速预测疲劳极限的方法在工程领域，准确预测材料的疲劳极限对于确保结构安全和延长使用寿命至关重要。

本文将介绍一种快速预测疲劳极限的方法，该方法适用于多种材料，旨在帮助工程师在设计和测试阶段更高效地完成工作。

一、疲劳极限概述疲劳现象是材料在交变应力作用下的性能退化过程，疲劳极限是指材料在无限寿命下所能承受的最大应力。

了解和预测材料的疲劳极限对于预防疲劳失效具有重要意义。

二、快速预测疲劳极限的方法1.基于应力-寿命（S-N）曲线的方法应力-寿命（S-N）曲线是描述材料疲劳性能的一种常用方法。

通过实验获取不同应力水平下的疲劳寿命数据，绘制S-N曲线。

然后，采用适当的数学模型对曲线进行拟合，从而预测材料的疲劳极限。

常用的数学模型包括幂函数模型、指数模型和双线性模型等。

这些模型可以快速估算出材料的疲劳极限，为工程设计提供参考。

2.基于断裂力学的方法基于断裂力学的方法主要适用于高应力集中和裂纹扩展阶段的疲劳预测。

通过计算裂纹尖端的应力强度因子，结合材料的断裂韧性，可以预测疲劳裂纹的扩展速率和疲劳寿命。

该方法的优点是适用于复杂应力状态和应力梯度较大的情况，但需要较为复杂的计算和实验数据。

3.人工智能与机器学习方法随着人工智能和机器学习技术的发展，这些方法也被应用于疲劳极限的预测。

通过训练大量实验数据，建立疲劳极限预测模型，可以实现快速、准确的预测。

这类方法具有较高的预测精度和泛化能力，但需要大量的训练数据和计算资源。

三、总结快速预测疲劳极限的方法有多种，包括基于应力-寿命曲线、断裂力学以及人工智能与机器学习等方法。

在实际应用中，工程师可以根据具体情况选择合适的方法，以提高工作效率和预测精度。

需要注意的是，这些方法都有一定的局限性，因此在实际工程应用中，应结合多种方法进行综合分析，以确保预测结果的可靠性。

船舶结构疲劳寿命评估方法研究随着全球贸易的不断扩大，船舶在现代经济中发挥着越来越重要的作用。

为了确保船舶的可靠性和安全性，必须采取有效的结构评估和管理措施。

其中，船舶结构疲劳寿命评估方法是船舶结构设计、维护和修理中至关重要的环节。

一、疲劳寿命评估的定义船舶结构的疲劳寿命评估是指对船舶结构在设定的载荷水平下的疲劳寿命进行评估。

在船舶设计和运营期间，船舶不断受到海洋环境的影响，这些影响会导致船舶结构的损伤和退化。

结构疲劳寿命评估是确保船舶结构的安全和可靠性的关键因素之一。

二、疲劳寿命评估的方法船舶结构疲劳寿命评估方法主要包括实验研究和计算模拟两种方法。

1. 实验研究实验研究是通过在船舶上进行加载测试来获得结构疲劳寿命评估数据的方法。

这种方法对实验设备和操作技能的要求较高，但结果可靠性和准确性较高，可以直接反映船舶结构的实际受力情况。

此外，还可以结合实验数据分析船舶采用的材料性能和加工工艺是否符合设计要求。

2. 计算模拟计算模拟是通过数学、物理或计算机模型，按照一定的载荷水平和作用历程得出结构疲劳寿命评估数据的方法。

这种方法计算出的数据精度和速度较高，成本相对较低，可以预测船舶结构疲劳寿命评估的各种情况和可能出现的问题。

此外，还可以通过计算模拟分析出船舶结构中存在的设计问题和缺陷，为修复和加强结构提供重要的依据。

三、疲劳寿命评估的影响因素船舶结构的疲劳寿命评估受多种因素的影响，以下是一些主要影响因素：1. 负载船舶的负载是指船舶在各自的经济载荷下进行规定的航行。

负载的大小、航行时间和次数等因素都会影响船舶结构的疲劳寿命评估结果。

船舶在负载时可能面临不同的海洋环境和载荷状态，这些将直接影响船舶的结构寿命和疲劳状况。

2. 材料质量船舶结构的材料质量也是影响疲劳寿命评估的关键因素之一。

材料质量越高、加工工艺越精准，结构疲劳寿命评估结果就越好。

船舶使用的材料质量和处理质量，会影响船舶结构的寿命和性能，从而影响疲劳寿命评估结果。

估计在多轴加载下领头人的疲劳寿命就像试图解决一个非常困难的工程难题想象一下这个—当小马有压力集中时，像一个小马一样，小马根的紧张会成为真正的头部吸食者，因为多轴加载太疯狂。

这有点像在骑单车时试图解决Rubik的立方体！为了应对这一挑战，工程师们运用了各种聪明的方法。

这些方法考虑诸如 Notch 形状，物质属性，应力水平，负载历史，甚至环境等，给我们一个关于疲劳生活的大画面估计。

这有点像拼图巨大的拼图，每一块代表不同的因素，影响我们的仆人可以保持多久的卡车。

但我们还得考虑这些不同种类的装载组合和混合，比如确保一个食谱中的所有成分一起发挥良好的作用。

估计在多轴加载下，领航员的疲劳寿命有点像解决一个非常棘手的，多维的谜题——当然是工程魔法的喷洒！Onemon估计在不同类型的应力下，一个注尾部分会持续多久的方法是采用线性弹性断裂力学（LEFM）方法。

这种方法基本上研究了鼻孔周围的应力，并使用断裂力学原理来判断裂缝何时可能开始，如何生长。

通过考虑压力强度和材料的坚韧性等因素，我们可以对这部分在多轴加载下能支撑多久进行有教养的猜测。

但它并不是一个完美的方法——有时它能给我们一个过于乐观或过于乐观的估计，因为它不能完全捕捉到在notch周围的所有不同类型的压力。

临界平面方法为估计多轴加载下排位器疲劳寿命提供了另一种方法。

这种办法考虑到不相称的加载和复杂应力，方法是确定预期疲劳损害会累积的关键平面。

通过分析多轴加载历史和材料的疲劳性质，临界平面方法对领航员的疲劳寿命提供了更准确的估计。

将有限元素分析（FEA）和多轴疲劳标准等先进数值方法与实验数据相结合，可以提高疲劳寿命估计的准确性。

对于多轴加载下排位器疲劳寿命的估计，显然需要采取多学科的方法，考虑诺赫几何，物质行为，加载条件的相互作用。

疲劳分析的数值计算方法及实例-图文第十四章疲劳分析的数值计算方法及实例第一节引言零件或构件由于交变载荷的反复作用，在它所承受的交变应力尚未达到静强度设计的许用应力情况下就会在零件或构件的局部位置产生疲劳裂纹并扩展、最后突然断裂。

这种现象称为疲劳破坏。

疲劳裂纹的形成和扩展具有很大的隐蔽性而在疲劳断裂时又具有瞬发性，因此疲劳破坏往往会造成极大的经济损失和灾难性后果。

金属的疲劳破坏形式和机理不同与静载破坏，所以零件疲劳强度的设计计算不能为经典的静强度设计计算所替代，属于动强度设计。

随着机车车辆向高速、大功率和轻量化方向的迅速发展，其疲劳强度及其可靠性的要求也越来越高。

近几年随着我国铁路的不断提速，机车、车辆和道轨等铁路设施的疲劳断裂事故不断发生，越来越引起人们的重视。

疲劳强度设计及其研究正在成为我国高速机车车辆设计制造中的一项不可缺少的和重要的工作。

金属疲劳的研究已有近150年的历史，有相当多的学者和工程技术人员进行了大量的研究，得到了许多关于金属疲劳损伤和断裂的理论及有关经验技术。

但是由于疲劳破坏的影响因素多而复杂并且这些因素互相影响又与构件的实际情况密切相关，使得其应用性成果尚远远不能满足工程设计和生产应用的需要。

据统计，至今有约90%的机械零部件的断裂破坏仍然是由直接于疲劳或者间接疲劳而引起的。

因此，在21世纪的今天，尤其是在高速和大功率化的新产品的开发制造中，其疲劳强度或疲劳寿命的设计十分重要，并且往往需要同时进行相应的试验研究和试验验证。

疲劳断裂是因为在零件或构件表层上的高应力或强度比较低弱的部位区域产生疲劳裂纹，并进一步扩展而造成的。

这些危险部位小到几个毫米甚至几十个微米的范围，零件或构件的几何缺口根部、表面缺陷、切削刀痕、碰磕伤痕及材料的内部缺陷等往往是这种危险部位。

因此，提高构件疲劳强度的基本途径主要有两种。

一种是机械设计的方法，主要有优化或改善缺口形状，改进加工工艺工程和质量等手段将危险点的峰值应力降下来；另一种是材料冶金的方法，即用热处理手段将危险点局部区域的疲劳强度提高，或者是提高冶金质量来减少金属基体中的非金属夹杂等材料缺陷等局部薄弱区域。

工程结构中的疲劳寿命预测方法研究摘要：在工程结构设计中，疲劳寿命预测是评估结构在长期使用过程中可能遭受的疲劳损伤的重要任务。

准确预测结构的疲劳寿命，可以为设计阶段选择合适材料和参数提供科学依据，节约成本并提高结构的安全性和可靠性。

本文综述了工程结构中常用的疲劳寿命预测方法，包括应力基准法、局部应力法、应变基准法和局部应变法。

通过比较这些方法的优缺点，为疲劳寿命预测提供了参考。

1. 引言疲劳是指材料或结构在长时间循环荷载作用下出现的渐进性破坏现象。

疲劳破坏往往发生在结构内部应力或应变反复变动的区域。

因此，疲劳寿命预测在工程结构设计中具有重要的意义。

定量预测结构的疲劳寿命可以帮助工程师选择合适的材料和参数，提高结构的安全性和可靠性。

2. 疲劳寿命预测方法2.1 应力基准法应力基准法是最常用的疲劳寿命预测方法之一。

它根据最大的应力值来预测结构的疲劳寿命。

通过建立应力-寿命曲线，可以确定结构在给定应力水平下的疲劳寿命。

然而，应力基准法忽略了应力集中和应变梯度等局部效应，可能导致寿命预测的不准确性。

2.2 局部应力法局部应力法考虑了结构中的应力集中效应，通过减小应力集中来提高疲劳寿命的准确度。

该方法通过应力集中系数来修正结构的疲劳寿命。

然而，局部应力法对应力集中系数的准确性要求较高，需要深入了解结构的应力分布才能进行预测。

2.3 应变基准法应变基准法是基于结构中的应变分布来预测疲劳寿命的方法。

通过测量应变分布并建立应变-寿命曲线，可以准确预测结构的疲劳寿命。

与应力基准法相比，应变基准法考虑了应变梯度和应变集中等局部效应，因此在持久性问题的研究中得到广泛应用。

2.4 局部应变法局部应变法综合考虑了应变集中和应力集中的局部效应，通过测量结构中的局部应变来预测其疲劳寿命。

该方法可以有效地解决应力基准法和应变基准法的不足，提高疲劳寿命预测的准确性。

然而，局部应变法需要对结构中的应变进行精确测量，并且在复杂的结构中应用相对较为困难。

门座起重机金属结构疲劳寿命估算方法王㊀斌㊀何㊀然㊀文茂堂深圳市质量安全检验检测研究院㊀㊀摘㊀要:起重机金属结构是起重机的关键组成部分,其内部应力状况是评定起重机安全使用的重要内容㊂在对一台港口用单臂架门座起重机的主要金属结构件危险点的应力进行测试的基础上,根据现场测试获得的应力数据,运用累计损伤理论,并结合设备的实际工作强度,给出了该起重机的疲劳寿命计算方法,可为该设备的剩余使用寿命提供理论参考值㊂㊀㊀关键词:起重机;应力分析;疲劳寿命Method for Estimating Fatigue Life of Metal Structure of Portal CraneWang Bin㊀He Ran㊀Wen MaotangShenzhen Institute of Quality and Safety Inspection and Testing㊀㊀Abstract:The metal structure of the crane is the key component of the crane,its internal stress condition is an im-portant part of evaluating the safe use of the crane.Based on the stress test of the dangerous points of the main metal struc-tural parts of a single-boom gantry crane for port,according to the stress data obtained from the field test,using the cumula-tive damage theory,and combining with the actual working strength of the equipment,the fatigue life calculation method of the crane is given.This can provide a theoretical reference value for the remaining service life of the equipment.㊀㊀Key words:crane;stress analysis;fatigue life1㊀引言门座起重机(以下简称门机)是港口起重设备的重要组成部分,其安全使用问题始终是起重机厂家和使用户关心的首要问题之一㊂金属结构是起重机的受力骨架[1],也是起重机使用安全中最为关键的部分㊂研究统计表明,起重机的破坏和失效,大部分是由于金属结构的破坏所引起的[2]㊂老旧起重机由于已使用多年,有些已经接近或者超过其设计使用年限,起重机的金属结构内部难免会出现一定缺陷㊂这些缺陷和损伤由于隐蔽性较高,常规的年度检查以及维护保养中难以发现,这给起重机的安全使用埋下了巨大的隐患㊂组成起重机的重要金属结构件的应力状况能够反应金属结构在起重机工作过程中的受力情况,若结构件内部有缺陷,则其应力状况也会产生相应的变化㊂因此,为了保障起重机的安全使用,有必要对已使用多年的起重机主要金属结构件进行应力测试和分析㊂目前,对起重机金属结构应力分析的研究,主要包含强度分析和疲劳分析两个方面㊂门机适用性较强,起吊载荷灵活多变,疲劳失效是其金属结构失效的主要形式[3]㊂通过运用应力测试方法,对一台港口现役单臂架门座起重机的主要金属结构件进行应力测试,并根据应力测试的结果,依据雨流计数法以及累计损伤理论,对该起重机主要金属结构件的剩余疲劳寿命进行了预测,为该起重机的安全运行提供了理论参考和依据,同时也为其他起重机械疲劳寿命预测提供了一定的技术参考㊂2㊀主要金属构件应力数据测量金属疲劳寿命的计算,依据计算时采用疲劳损伤模型的不同,拥有多种不同的方法,目前主要有名义应力法㊁局部应力应变法㊁断裂力学法[4]㊁应力严重系数法[5]㊁能量法[6]㊁损伤力学法等㊂考虑到门机所受载荷应力水平一般小于材料的屈服极限,处于较低水平,属于高周疲劳破坏,因此,用名义应力法进行疲劳寿命估算㊂名义应力法,从材料的名义应力基本假定前提出发,结合测量部位应力集中的影响,对照待测材料的S-N曲线,采用损伤理论,用测得的应力值对材料的疲劳寿命进行估算㊂用名义应力法进行寿命估算22Copyright©博看网. All Rights Reserved.时,首先应当对设备主要构件中易发生疲劳的危险部位进行应力测试,获取起重机工作时危险部位应力的变化情况㊂2.1㊀设备概况和危险部位测点选取本项目所检测门机型号为MQ40100,额定起重量为40t,最大幅度为100m,已投入使用12年㊂检查起重机金属结构件损伤的基本状况,并根据该起重机的结构特点,在臂架㊁圆筒㊁滑轮组支撑以及人字架等主要结构件中所受应力较大的截面处,选取16个测点作为应力测试点,具体测点布置见图1㊂图1㊀应力测点布置图2.2㊀测试工况和应力测试结果现场测试时,考虑到待检测门机平时作业情况较为复杂,起吊载荷重量多变,且在接近额定载荷工况下使用频率较高,为了提高设备估算结果的安全系数,综合考虑设备的实际使用状况,采用额定载荷作为疲劳应力测试载荷,以设备在加载额定载荷,采用对应最大幅度进行装卸作业作为疲劳应力测试工况㊂测试时,起重机具体的工作流程为:①吊具朝向海侧,载荷位于装料区,起升钢丝绳处于松弛状态时仪器调零,并开始记录测试数据;②起吊试验载荷并提升至设备常用装卸作业高度,根据装卸作业时的常用路径将臂架旋转180ʎ;③旋转臂架回到初始装料区域,载荷落地,使起升钢丝绳完全松弛㊂以上工作流程视为该起重机装卸作业的1个工作循环㊂疲劳应力测试时,为了保证采集的应力数据能够更加真实准确地反映设备工作时的实际应力情况,需要对以上循环进行重复作业,以减少偶然随机因素的影响㊂本次测试中,对以上测试进行了10次重复作业和连续采样㊂各测点在测试工况下的应力值情况统计见表1㊂表1㊀各测点应力值情况统计测点最大值/MPa最小值/MPa变化幅值/MPa A1-3.201-15.25912.058A2+28.366+13.55314.813A3+8.695-16.98325.678A4+7.276-16.20223.478B1+5.426-40.37145.797B2+0.982-8.3079.289B3-1.567-48.17046.603B4-1.441-46.40644.965C1-8.640-20.34311.703C2-7.372-21.66214.290C3+48.206+10.39537.811C4+50.643+11.94638.697D1+82.408+18.48563.923D2+8.414-1.1269.540D3-19.272-85.91066.638D4+5.693-43.32449.017㊀㊀注:表中 + 表示该点测得应力为拉应力; - 表示该点测得应力为压应力㊂由表1可知,臂架根部测点B3㊁B4,以及圆筒处测点D1㊁D3,其应力最值和变化幅值较大㊂因此,进一步选取B3㊁B4㊁D1㊁D3作为疲劳危险点,进行疲劳寿命计算㊂测点B3㊁B4以及测点D1㊁D3处的应力时间历程曲线分别见图2㊁图3㊂图2㊀测点B3、B4应力时间历程曲线32Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图3㊀测点D1、D3应力时间历程曲线3㊀疲劳应力谱获取通过对待测设备装卸作业时各测点的应力数据进行采集,获得了各选定测点在测试工况下的应力时间历程曲线数据㊂由于起重机工作过程中测点所受载荷作用的随机性,无法通过数学公式进行描述,必须借助统计方法对各测点的应力时间历程数据进行统计处理,将应力时间历程数据处理成疲劳应力谱,以便结合材料的S-N曲线进行进一步计算㊂3.1㊀滤波处理在应力数据测量过程中,受仪器以及外部环境的影响,所测得的应力时间历程数据通常会受到干扰信号的影响,从而产生一定的偏差,因此,需要对测量数据进行滤波处理,以减少干扰信号的影响㊂3.2㊀峰谷点处理和雨流计数法统计目前,国内外对于金属疲劳寿命的计算通常采用循环计数法中的雨流计数法[7-8]对应力数据进行统计处理㊂采用雨流计数法进行统计处理时,只对应力时间历程数据中的波峰和波谷点的幅值进行统计分析,因此需要对原始应力数据中的峰谷值进行筛选,去掉应力数据中的非峰谷点以及其他对金属疲劳寿命计算无影响的幅值小于最大幅值的峰谷点㊂各危险测点应力测试数据,经过雨流计数法处理以后,便能获得能够反映测点在起重机工作过程中所受应力幅值㊁应力均值以及循环次数之间关系的疲劳应力载荷谱㊂本次测试采用的DH5930便携式应变测试分析系统内含数据处理模块,数据后处理时可以直接调用相关模块,对数据进行滤波㊁峰谷以及雨流计数法统计㊂4㊀剩余疲劳寿命估算4.1㊀材料P-S-N曲线的确定S-N曲线是以标准试样经过疲劳测试获得的表示材料外加应力幅和疲劳循环次数之间关系的曲线,不同材料的S-N曲线可以查阅疲劳设计手册获得㊂为了提高计算时的安全系数,标准的S-N曲线由于可靠度较低,难以满足寿命估算要求,因此通常采用可靠度更高的P-S-N曲线,将疲劳测试时的载荷抗力按随机变量来处理㊂在工程实际中,通常采用双对数坐标形式,将材料的P-S-N曲线进行简化表达成直线形式,其表达式为:lg N=C+m lgΔσ(1)式中,N为p%存活率下的疲劳寿命;Δσ为应力范围,MPa;C㊁m为不同材料及不同可靠度情况下的方程常数,根据所检测起重机主要焊接结构件的材料以及接头形式确定㊂本项目起重机的主要金属材料为Q235,在95%存活率下,C㊁m的值分别取为13.45与-3.371[9]㊂4.2㊀平均应力的修正反映材料疲劳性能的S-N曲线,通常是平均应力为零的基本S-N曲线㊂然而实际构件受载情况复杂,构件所受载荷平均应力大部分情况均值并不为零,因此,还应当对雨流计数法处理后获得的疲劳应力谱进行平均应力的修正,将有均值的应力谱先转换为均值为零的疲劳应力谱㊂目前,常用的疲劳分析平均应力修正方法有Goodman法和Gerber法㊂Goodman法的表达方程为直线方程,简单易用,且估算关系较为保守,能够满足工程计算要求,Goodman法表达式为:σᶄa=σa1-σmσb(2)式中,σᶄa为修正的应力幅值;σa为应力幅值;σm为平均应力;σb为材料的抗拉强度极限㊂将经过雨流计数法处理后得到的应力幅值以及均值的分布图代入到上述公式中,即可获得修正后42Copyright©博看网. All Rights Reserved.的应力幅值分布图㊂臂架处测点B3的应力幅值分布修正图见图4㊂图4㊀臂架测点B3应力幅值分布修正图4.3㊀剩余疲劳使用寿命估算在金属结构疲劳寿命的研究过程中,许多学者根据疲劳损坏假设条件的不同得出了多种疲劳损伤方法㊂目前,Miner 线性累积损伤方法由于模型简单,实用性和可靠性较高,已经获得了大量的应用㊂该方法用损伤度对工作循环中各应力水平所造成的损伤进行定量分析,并且假定各应力水平下的损伤度可以进行线性叠加[10]㊂根据Miner 线性累积损伤方法,采样应力循环下,不同应力水平所造成的损伤度D 可以按照下式进行叠加计算:D =ðki =1n iNiɤa (3)式中,k 为不同的应力水平级数,本项目将疲劳应力幅值分为10级进行计算,见图4;n i 为采样时段内各级别应力水平的实际循环次数;N i 为在相应应力水平下达到疲劳时的总循环次数;a 为安全常数,计算中取1,即假定材料的累计损伤度达到1时,则材料达到疲劳寿命上限㊂将雨流计数处理以及平均应力修正后的应力幅值与相应循环次数的分布情况数据用P-S-N 曲线进行对应疲劳循环次数计算,即可获得各应力水平作用下达到疲劳时的循环作用次数,最后用Miner 线性损伤方法将各应力水平的损伤度进行叠加,便能获得各测点在采样时间内的总体损伤度Dᶄ㊂假设采样时间长度为t ,起重机服役过程中始终按照采样工况进行装卸作业,则可以由采样时间长度下各测点的损伤度推导计算该起重机达到疲劳时所需的总时长,即为其疲劳寿命㊂疲劳寿命H 理论计算公式可以表达为:H =DDᶄt (4)式中,总损伤度D 取1㊂结合设备的已使用年限,即可得到设备的剩余疲劳使用寿命T 为:T =H -Hᶄ(5)式中,Hᶄ为设备的已使用年数㊂根据使用方提供的设备使用情况记录,所检测起重机已使用年数Hᶄ为12年,设备1天工作约8h,1年工作约250d,则B3㊁B4㊁D1㊁D3这4个危险测点剩余疲劳寿命计算结果见表2㊂表2㊀危险测点剩余疲劳寿命情况统计测点B3B4D1D3剩余疲劳寿命/a47.048.69.16.5㊀㊀由表2可知,该起重机圆筒处疲劳寿命最短,其中D3测点的剩余疲劳寿命为6.5年㊂5㊀结语对1台港口门机进行了应力测试,根据应力测试的结果,针对该起重机的结构形式进一步选定4个应力测量值较大的点作为疲劳危险点进行疲劳寿命分析㊂由应力测试所得的疲劳危险点处应力时间历程数据,通过雨流计数㊁应力修正等方法进行数据处理,结合起重机金属材料的P-S-N 曲线以及Miner 线性累计损伤方法对危险测点的剩余疲劳寿命进行了估算㊂计算结果显示该起重机圆筒处疲劳寿命最短,剩余疲劳寿命为6.5年㊂起重机疲劳寿命计算的结果让用户对设备有了进一步的了解,为今后对设备的科学管理和维护提供了参考和依据,同时对类似结构起重机的疲劳寿命预测工作也具有一定的指导意义㊂参考文献[1]㊀史朝阳.桥式起重机金属结构疲劳剩余寿命可靠性及其灵敏度分析[D].太原:太原科技大学,2014.[2]㊀李淘萍.基于MSC.Fatigu 的门座式起重机疲劳寿命的研究[D].武汉:武汉理工大学,2013.[3]㊀蔡福海,王欣,高顺德,等.起重机结构疲劳强度与寿52Copyright ©博看网. 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随机荷载作用下参数不确定结构的疲劳损伤估计【摘要】本文主要研究随机荷载作用下参数不确定结构的疲劳损伤估计。

首先介绍了研究背景、研究目的和研究意义。

随后重点讨论了随机荷载对结构的影响和参数不确定性分析。

接着介绍了疲劳损伤评估方法和结构的疲劳寿命预测。

最后探讨了应对随机荷载下结构的疲劳损伤的方法。

结论部分围绕随机荷载作用下参数不确定结构疲劳损伤估计的挑战、未来研究方向和结论总结展开讨论。

研究结果对提高结构的疲劳寿命和减小疲劳损伤具有一定的理论和实际意义。

【关键词】随机荷载、参数不确定性、疲劳损伤、疲劳寿命、挑战、未来研究方向1. 引言1.1 研究背景结构在运行过程中可能受到各种不确定随机荷载作用，如风载、地震作用等，而这些荷载的大小和方向通常是不确定的。

与此在现实工程应用中，结构的一些参数也存在一定的不确定性，比如材料的强度、几何参数的精确度等。

这种不确定性会对结构的疲劳损伤产生重要影响，因此研究如何准确评估随机荷载下参数不确定结构的疲劳损伤，对于提高结构的疲劳寿命和安全性具有重要意义。

1.2 研究目的研究目的是通过对随机荷载作用下参数不确定结构的疲劳损伤进行深入研究，探讨该种情况下结构的疲劳寿命预测方法，为工程实践提供有力支持。

具体包括：1.探究随机荷载对结构疲劳损伤的影响机制，揭示参数不确定性对结构疲劳性能的影响规律；2.研究不确定性分析方法，确立疲劳损伤评估的理论基础；3.建立一套全面的结构的疲劳寿命预测体系，为工程实践中结构疲劳寿命的评估提供可靠依据；4.探索应对随机荷载下结构疲劳损伤的有效措施，提高结构的疲劳抗性，延长结构的使用寿命。

通过这些研究内容，旨在为随机荷载作用下参数不确定结构疲劳损伤的评估提供理论依据，为建设安全可靠的工程结构提供技术支持和指导。

1.3 研究意义随机荷载作用下参数不确定结构的疲劳损伤估计是结构工程领域中一个具有挑战性的课题。

随着工程结构的复杂化和多样化，结构在实际使用中所受到的荷载也变得越来越不确定。

基于有限元法的结构疲劳分析及寿命预测疲劳是结构材料在长期受到重复载荷作用下产生破坏的一种现象。

疲劳问题在工程领域中具有重要意义，对于确保结构的可靠性和安全性至关重要。

而基于有限元法的结构疲劳分析及寿命预测是一种常用的方法。

一、有限元法的概述有限元法是一种在计算机上求解结构力学问题的数值方法。

它将复杂的结构离散为多个简单的单元，在每个单元内进行数值计算，并通过单元之间的边界条件传递信息。

在结构疲劳分析中，有限元法能够很好地模拟结构的实际工作状态和受力情况，从而评估结构在长期加载下的疲劳寿命。

二、结构疲劳的成因结构疲劳的成因可以归结为两个方面：载荷和材料。

首先，结构受到的载荷可以是静态的或动态的，也可以是周期性的或随机的。

不同类型的载荷都会对结构产生损伤，进而导致疲劳破坏。

其次，材料的特性也会对结构的疲劳性能产生重要影响。

材料的韧性、强度、硬化行为等都会影响结构的疲劳性能。

三、结构疲劳分析的步骤基于有限元法的结构疲劳分析主要包括以下几个步骤。

首先，确定结构的受力情况和载荷条件。

这些信息可以通过实验测试或工程经验来获取。

其次，建立结构的有限元模型。

在模型建立时，需要考虑结构的几何形状、材料性质以及边界条件等。

然后，进行疲劳分析计算。

通过有限元法求解结构的应力、应变分布，并结合材料的疲劳本构关系，计算结构在不同载荷作用下的疲劳寿命。

最后，评估结构的安全性。

根据计算得到的疲劳寿命，判断结构是否达到设计或使用要求，并进行寿命预测。

四、结构寿命预测方法结构寿命预测是基于有限元法的结构疲劳分析的关键环节。

目前，常用的结构寿命预测方法主要有两种：直接计数法和损伤累积法。

直接计数法是根据结构所受到的疲劳载荷和材料的疲劳寿命曲线，直接计算出结构的疲劳寿命。

而损伤累积法是将结构的疲劳破坏看作是材料的损伤积累。

通过计算结构的损伤积累程度，进而预测结构的寿命。

五、结构疲劳分析的应用基于有限元法的结构疲劳分析及寿命预测在工程领域中具有广泛的应用。