基于疲勞損傷累積理論的結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)與時(shí)變可靠性分析方法研究.pdf

1、隨著航空航天、軌道交通、船舶海洋、機(jī)械制造等工業(yè)技術(shù)水平的提高，現(xiàn)代機(jī)械裝備正逐步向大型化、高速化和高性能方向發(fā)展。許多機(jī)械裝備關(guān)鍵零構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境復(fù)雜，運(yùn)行條件惡劣，導(dǎo)致各類破壞事故頻繁發(fā)生。腐蝕、磨損和疲勞是機(jī)械結(jié)構(gòu)破壞的主要表現(xiàn)形式，其中以疲勞破壞尤為突出。針對(duì)長(zhǎng)期承受交變循環(huán)載荷作用的機(jī)械結(jié)構(gòu)，疲勞斷裂是其最主要的失效模式，占機(jī)械結(jié)構(gòu)失效總數(shù)的50％~90%。疲勞破壞具有很強(qiáng)的隱蔽性和突發(fā)性，破壞前無明顯的征兆，對(duì)機(jī)械裝備

2、的安全運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，一旦發(fā)生破壞易于造成重大事故和生命財(cái)產(chǎn)損失。機(jī)械裝備零構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的疲勞壽命及其可靠性是制約裝備整機(jī)壽命和系統(tǒng)可靠性水平的關(guān)鍵因素。因此，精確地預(yù)測(cè)和評(píng)估機(jī)械結(jié)構(gòu)的壽命和可靠性，是確保其在服役期內(nèi)安全、可靠運(yùn)行的重要保障，對(duì)合理制定維修決策和健康管理計(jì)劃，最大限度地發(fā)揮裝備的使用價(jià)值，提高經(jīng)濟(jì)效益和抗疲勞設(shè)計(jì)等方面均具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
　　由于疲勞失效過程的復(fù)雜性和隨機(jī)性，傳統(tǒng)的壽命預(yù)測(cè)理論和可

3、靠性分析方法還不夠完善，仍存在諸多尚未解決的難題和不足。針對(duì)此，本文以有限壽命設(shè)計(jì)方法和疲勞損傷累積理論為基礎(chǔ)，深入開展疲勞損傷失效機(jī)理、壽命預(yù)測(cè)技術(shù)以及可靠性分析方法的研究，采用機(jī)械裝備關(guān)鍵零構(gòu)件的金屬材料試件和焊接結(jié)構(gòu)件的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型和方法驗(yàn)證，使現(xiàn)有疲勞分析理論日臻完善，拓展其應(yīng)用范圍。論文主要研究?jī)?nèi)容和成果如下：
　　（1）提出了考慮載荷相互作用效應(yīng)的疲勞損傷等效法則與剩余壽命預(yù)測(cè)方法。針對(duì)變幅加載載荷歷程效應(yīng)的復(fù)

4、雜性以及 Miner法則的內(nèi)在缺陷，從損傷累積的角度出發(fā)，系統(tǒng)地研究了載荷加載順序及載荷交互效應(yīng)的作用機(jī)制。根據(jù)疲勞失效的“二元判據(jù)”，引入了疲勞損傷狀態(tài)的概念定性地表征材料的受損程度。針對(duì)傳統(tǒng)損傷等效方法的缺陷，提出了考慮載荷相互作用效應(yīng)的疲勞損傷等效法則。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合韌性耗散模型，建立了改進(jìn)型剩余壽命預(yù)測(cè)模型，該模型能綜合考慮載荷順序及載荷間交互作用對(duì)損傷發(fā)展和疲勞壽命的影響。
　?。?）提出了基于疲勞驅(qū)動(dòng)能損傷參數(shù)的非線

5、性損傷累積模型與剩余壽命預(yù)測(cè)方法。針對(duì)傳統(tǒng)損傷變量在描述上難以揭示失效過程能量耗散的本質(zhì)，以疲勞驅(qū)動(dòng)力模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用能量準(zhǔn)則，提出了一種描述疲勞失效全過程的驅(qū)動(dòng)能損傷參數(shù)。從失效的能耗過程出發(fā)，建立了以驅(qū)動(dòng)能耗散為狀態(tài)參量的疲勞損傷定量方法和非線性損傷累積模型。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用損傷等效原理，推導(dǎo)出剩余壽命預(yù)測(cè)模型表達(dá)式以及考慮載荷相互作用效應(yīng)的改進(jìn)模型，并通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究了兩種模型的典型非線性特征。
　?。?）提出了基于動(dòng)態(tài)剩余

6、S-N曲線與材料記憶性能退化的修正線性損傷累積準(zhǔn)則。針對(duì)非線性損傷理論計(jì)算量大的缺陷以及Miner法則在工程應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)，從剩余壽命和S-N曲線的角度出發(fā)，研究了動(dòng)態(tài)剩余S-N曲線和材料記憶性能的退化規(guī)律，通過引入材料記憶退化參數(shù)定量地表征動(dòng)態(tài)剩余 S-N曲線的斜率比，提出了一種修正的線性損傷累積準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則保留了傳統(tǒng) Miner法則形式上的簡(jiǎn)易性，便于疲勞損傷定量分析和壽命估算。通過對(duì)比三種線性損傷模型并結(jié)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，詳細(xì)闡述了四種模

7、型存在的共有屬性以及線性損傷增長(zhǎng)行為。
　?。?）提出了基于雙線性損傷累積理論的概率模型以及時(shí)變疲勞可靠性分析方法。疲勞失效是一個(gè)損傷不斷累積的動(dòng)態(tài)過程，傳統(tǒng)的基于靜態(tài)的可靠性分析方法無法體現(xiàn)載荷歷程的時(shí)變特征，而基于動(dòng)態(tài)的可靠性分析方法難以揭示失效過程裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展的兩階段特性。針對(duì)此，以雙線性損傷累積理論為依據(jù)，分別在正態(tài)分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布假設(shè)下，構(gòu)建了概率損傷累積模型。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用應(yīng)力-強(qiáng)度干涉理論，建立了基于“累積