CN108108530B - 一种适用于结构连接件的疲劳寿命校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于结构连接件的疲劳寿命校准方法，属于飞机强度设计技术领域。包括:步骤一、建立关键连接部位的应力谱，步骤二、计算建立连接部位的应力严重系数；步骤三、获取对应于关键部位应力严重系数的S—N曲线；步骤四、确定名义应力法中的最敏感参数理论疲劳极限C,步骤五、对理论疲劳极限C进行优化,步骤六、对确定的应力严重系数法及其对应的理论疲劳极限C进行验证；利用优化得到的参数和应力严重系数法进行载荷谱下的寿命预测并将该载荷谱下计算的预测中值寿命t’与所述载荷谱下的实测寿命中值比较误差；经验证采用优化得到的参数和名义应力法进行其他载荷谱下的寿命预测，使得其他载荷谱下的寿命计算结果具有较高的精度。

Description

一种适用于结构连接件的疲劳寿命校准方法
技术领域
本发明属于飞机强度设计技术领域，具体涉及一种适用于结构连接件的疲劳寿命校准方法。
背景技术
飞机中的结构连接件通常是其疲劳薄弱部位，在随机谱下对该部位进行疲劳分析时，由于随机谱中存在复杂的载荷交互作用，因此目前尚未有一个普遍适用的高精度损伤累积模型能较好地预测其疲劳寿命。
但通过研究发现，系列化飞机往往在结构和载荷谱上具有很大的继承性，因此可以采用已有型号的疲劳试验结果，对后续型号的疲劳寿命进行预测，这就是校准的基本思路。基于上述疲劳寿命校准的基本思路，本发明提出一种适用于结构连接件的疲劳寿命校准方法，利用该方法预测任意随机谱载荷下结构连接件的疲劳寿命均具有较高的计算精度。
发明内容
本发明的目的：为了解决上述问题，本发明提出了一种适用于结构连接件的疲劳寿命校准方法，该方法可在变换随机载荷谱的情况下，仍保证计算所得该结构形式的疲劳寿命具有较高的精度。
本发明的技术方案：一种适用于结构连接件的疲劳寿命校准方法，包括以下步骤：
步骤一、建立关键连接部位的应力谱；
步骤二、计算建立连接部位的应力严重系数SSF；
步骤三、获取对应于关键部位应力严重系数的S-N曲线；
Figure GDA0003027746230000011
其中，C为理论疲劳极限；α，A为S-N曲线形状参数；
步骤四、确定名义应力法中的敏感参数；
对于同种材料，不同表面质量的试件S-N曲线的参数α、A取值基本相同；
确定理论疲劳极限C为需要优化的唯一敏感参数；
步骤五、对理论疲劳极限C进行优化；
a)根据预先指定的载荷应力谱，确定其对应的中值寿命t50为目标进行优化；
b)设定初始值，并不断调整理论疲劳极限C的取值，反复利用名义应力法计算中值寿命，直至计算的寿命等于设定的目标中值寿命t50，此时对应的C值即为修正后的S-N曲线三参数式中的C值；
步骤六、对确定的应力严重系数法及其对应的理论疲劳极限C进行验证；
利用优化得到的参数和应力严重系数法进行载荷谱下的寿命预测并将该载荷谱下计算的预测中止寿命t’与所述载荷谱下的实测寿命中值比较误差；
若误差小于20％,则确定该校准方法。
本发明技术方案的有益效果：本发明在使用应力严重系数法对连接结构进行疲劳寿命预测时，利用本发明中的校准方法，可在变换随机载荷谱的情况下，仍保证计算所得的疲劳寿命具有较高的精度。
附图说明
图1为本发明适用于结构连接件的疲劳寿命校准方法的一优选实施例的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
疲劳寿命校准方法核心是：以已有的试验结果为基础，采用合理的疲劳分析方法，确定疲劳分析的敏感参数，通过调整参数使得计算寿命和试验寿命相同，然后采用该参数和相同的寿命分析方法进行其他载荷谱下的寿命预测，使得其他载荷谱下的寿命计算结果具有较高的精度。
针对连接结构，本发明采用应力严重系数法(SSF)对寿命进行估算。该方法通过有限元细节分析，得到钉孔处的旁路载荷、传递载荷，进而求出孔边的应力严重系数(即当量应力集中系数)，再利用简单缺口试件的S-N曲线来估算结构连接件的寿命。
应力严重系数法的基本步骤如下：
1)建立关键连接部位的应力谱；
2)计算关键连接部位的应力严重系数(SSF)；
3)获取对应于关键部位应力严重系数的S-N曲线；
4)采用线性累积损伤理论估算中值疲劳寿命。
它属于名义应力法范畴,因此本发明校准方法对提高疲劳寿命预测结果精度的核心在于细节疲劳S-N曲线的确定，因此计算精度的提高，实质上需要对S-N曲线进行修正。
修正方法为：以典型细节模拟试件在某实际载荷谱下的成组疲劳试验结果为依据，从相关材料手册中查找与结构关键部位应力集中系数相同的材料S-N曲线参数，作为细节S-N曲线参数的初始值，采用名义应力法进行该谱下的疲劳寿命分析，以计算寿命与试验寿命相同为目标，优化得到细节S-N曲线参数。
通过研究S-N曲线表达式发现，影响曲线走势的主要有三个参数，分别是理论疲劳极限C，曲线形状参数α和A。在优化参数时，参数越多，需要的样本数量越多，且优化结果的稳健性越差。因此，应对优化参数进行适当约束。参考以往大量的试验结果发现，对于同种材料，不同表面质量的试件S-N曲线的参数α、A取值基本相同。因此本发明中校准方法将α、A取为定值，理论疲劳极限C为需要优化的唯一敏感参数。
在优化敏感参数C时，可通过某随机谱下试验寿命反推确定。反推方法为：依据事先指定的载荷应力谱，并以其对应的中值寿命t50为目标，假定C0的初始值，并以一定步长不断调整C值，反复用名义应力法计算中值寿命，直至计算寿命等于t50，所对应的C值即为结构关键部位S-N曲线三参数式中的C值。
如图1所示:本发明一种适用于结构件的疲劳寿命校准方法，具体包括以下步骤：
步骤一、建立关键连接部位的应力谱；
步骤二、计算建立连接部位的应力严重系数SSF；
步骤三、获取对应于关键部位应力严重系数的S-N曲线；
Figure GDA0003027746230000041
式中，C为理论疲劳极限；α，A为S-N曲线形状参数；
步骤四、确定名义应力法中的敏感参数；
将上式三个参数作为敏感参数进行优化，从而校准S-N曲线提高寿命计算精度。参考以往大量的试验结果发现，对于同种材料，不同表面质量的试件S-N曲线的参数α、A取值基本相同。因此本发明中校准方法将α、A取为定值，理论疲劳极限C为需要优化的唯一敏感参数。
步骤五、对理论疲劳极限C进行优化；
a)根据预先指定的载荷应力谱，确定其对应的中值寿命t50为目标进行优化；
b)设定初始值，并不断调整理论疲劳极限C的取值，反复利用名义应力法计算中值寿命，直至计算寿命等于设定的目标中值t50，此时对应的C值即为修正后的S-N曲线三参数式中的C值；
本实施例中，在优化敏感参数C时，可通过某随机谱下试验寿命反推确定。反推方法为：依据事先指定的载荷应力谱，并以其对应的中值寿命t50为目标，假定C0的初始值，并以一定步长不断调整C值，反复用名义应力法计算中值寿命，直至计算寿命等于t50，所对应的C值即为结构关键部位S-N曲线三参数式中的C值。
步骤六、对确定的应力严重系数法及其对应的理论疲劳极限C进行验证；
利用优化得到的参数和应力严重系数法进行载荷谱下的寿命预测并将该载荷谱下计算的预测中值寿命t’与所述载荷谱下的实测寿命中值比较误差，若误差小于20％,则确定该校准方法。
经验证采用优化得到的参数和名义应力法进行其他载荷谱下的寿命预测，使得其他载荷谱下的寿命计算结果具有较高的精度。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种适用于结构连接件的疲劳寿命校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、建立关键连接部位的应力谱；
步骤二、计算建立连接部位的应力严重系数SSF；
步骤三、获取对应于关键部位应力严重系数的S—N曲线；
Figure FDA0003027746220000011
其中，C为理论疲劳极限；α，A为S-N曲线形状参数；
步骤四、确定名义应力法中的敏感参数；
对于同种材料，不同表面质量的试件S-N曲线的参数α、A取值相同；
确定理论疲劳极限C为需要优化的唯一敏感参数；
步骤五、对理论疲劳极限C进行优化；
a)根据预先指定的载荷应力谱，确定其对应的中值寿命t50为目标进行优化；
b)设定初始值，并不断调整理论疲劳极限C的取值，反复利用名义应力法计算中值寿命，直至计算的寿命等于设定的目标中值寿命t50，此时对应的C值即为修正后的S-N曲线三参数式中的C值；
步骤六、对确定的应力严重系数法及其对应的理论疲劳极限C进行验证；
利用优化得到的参数和应力严重系数法进行载荷谱下的寿命预测并将该载荷谱下计算的预测中值寿命t’与所述载荷谱下的实测寿命中值比较误差；
若误差小于20％,则确定该校准方法。
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