CN108427844A - 考虑温度和随机振动载荷的加筋板结构疲劳寿命计算方法 - Google Patents

考虑温度和随机振动载荷的加筋板结构疲劳寿命计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了考虑温度和随机振动载荷的加筋板结构疲劳寿命计算方法，采用Pro/E三维建模软件建立超高音速飞行器加筋板的几何模型；采用ANSYS的热应力分析模块，计算不同表面温度载荷下，加筋板的热温度场和热应力分布；基于模态分析模块，分析得到温度载荷对前六阶模态的影响规律；将ANSYS分析得到的最大应力时域谱以.txt的形式导入matlab软件中，结合Miner线性损伤累计理论和加筋板材料的S‑N曲线计算设定工况下的疲劳损伤继而得到加筋板的寿命参数；本发明通过建立加筋板的Proe的几何模型参数、ANSYS模型的热振耦合参数以及matlab的频域分析和PSD分析过程进行整合，从而可以优化一定工况、结构参数和材料属性下加筋板的使用寿命。

Description

考虑温度和随机振动载荷的加筋板结构疲劳寿命计算方法
技术领域
本发明涉及一种考虑温度和随机振动载荷的加筋板结构疲劳寿命计算方法，属于机械零件疲劳寿命计算领域；
背景技术
高超音速飞行器是飞行速度高于5倍音速，即5马赫(HM)，能够长距离短时间到达目的地执行攻击、运输和侦察等任务的飞行器。高超音速飞行器的加筋壁板属于飞行器的热防护系统，加筋壁板的服役环境非常复杂。飞行器在巡航过程中,结构会承受较大的振动载荷，对结构产生破坏。高超音速飞行器在飞行过程中，机体表面的加筋板受到发动机或外界气压随机振动载荷以及表面高温载荷的耦合作用，其力学特性会发生重大变化，从而在热应力和外部载荷力的联合作用下造成疲劳破坏，严重的影响了超高音速飞行器的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种高超音速飞行器加筋板疲劳寿命的计算方法，通过建立加筋板的结构参数、温度载荷及随机振动载荷与疲劳寿命的映射关系，可以迅速准确的针对加筋板及飞行器的设计参数做出调整。
本发明的解决方案是：
一种考虑温度和随机振动载荷的加筋板结构疲劳寿命计算方法，该方法包括如下步骤：
1)采用Pro/E三维建模软件建立超高音速飞行器加筋板的几何模型，并导出超高音速飞行器加筋板的几何模型的.STP格式，实现超高音速飞行器加筋板的几何模型三维数据的传递，采用ANSYS Workbench模块进行网格划分、添加约束和施加外载荷；
2)采用ANSYS的热应力分析模块，计算不同表面温度载荷下，加筋板的热温度场和热应力分布；
3)基于模态分析模块，得到随机振动分析的模态基础，分析得到温度载荷对前六阶模态的影响规律；
4)基于随机振动分析，设定输入载荷谱，分析加筋板危险点的位置，并提取得到危险点沿Z轴方向的应力PSD变化曲线；
5)将ANSYS分析得到的最大应力时域谱以.txt的形式导入matlab软件中，采用频域变换和PSD分析得到最大应力谱的功率谱密度函数，结合Miner线性损伤累计理论和加筋板材料的S-N曲线计算设定工况下的疲劳损伤继而得到加筋板的寿命参数；
超高音速飞行器加筋板分为底板、过渡板和侧板三大区域，为了提高超高音速飞行器加筋板的结构强度和使用寿命，在底板上等间距焊接四段加筋杆，整个加筋板通过侧板的八对螺栓孔与飞行器栓接，如图2所示。超高音速飞行器的壁板结构尺寸为长863.6mm*宽508mm，加筋厚度为1.65mm，加筋杆间隔距离为254mm，底板厚度为1.65mm。使用三维建模软件Pro/E建立有限元模型输出STP交互文件格式，导入ANSYS Workbench中进行有限元分析，划分网格后得到27497个节点，3660个单元。
基于ANSYS环境的特定温度载荷下热分析结果，在ANSYS仿真分析过程中，模态分析是获得随机振动结果应力谱的基础，而超高音速飞行器加筋板上底板持续受到高温载荷的影响，底板高温载荷的持续作用将使得整个加筋板在不同温度区域产生不同的热应力分布，将对结构的模态特性产生很大影响；
随机振动分析的目的是得到危险点的应力在频域内的变化规律，继而得到功率谱密度曲线，仿真过程中的随机振动分析是以热模态分析的结果为基础，并在约束区域施加输入载荷谱后的耦合结果。加筋板的热模态随机振动分析的热温度场为基础，在螺栓孔上施加沿Z轴方向的加速度载荷谱；
频域疲劳寿命计算模型是Dirlik方法，该方法在大量Monte Carlo模拟基础上，得到一个针对简单循环和雨流循环经验表达式。Dirlik所使用的方法认为雨流法获得的范围分布是三种分布的总和：一个指数函数和两个瑞利(Rayleigh)函数。
本发明一种基于响应面模型的高超音速飞行器加筋板疲劳寿命优化方法的有益之处：本发明通过建立加筋板的Proe的几何模型参数、ANSYS模型的热振耦合参数以及matlab的频域分析和PSD分析过程进行整合，建立了加筋板的结构和环境参数同疲劳寿命之间的映射关系，从而可以优化一定工况、结构参数和材料属性下加筋板的使用寿命。
附图说明
图1是本发明实施的流程说明图；
图2是加筋板几何模型网格划分；
图3是基于ANSYS环境的特定温度载荷下热分析结果；
图4是基于ANSYS环境的PSD危险点的频域应力谱流程；
具体实施方式
一种考虑温度和随机振动载荷的加筋板结构疲劳寿命计算方法，其计算流程如图1所示，包括如下步骤：
1)采用Proe软件建立超高音速飞行器加筋板的几何模型，并导出模型的STP格式，实现模型三维数据的传递，采用ANSYS Workbench模块根据实际工况进行网格划分、添加约束和施加外载荷；
2)采用ANSYS的热应力分析模块，计算不同表面温度载荷下，加筋板的热温度场和热应力分布；
3)基于模态分析模块，得到随机振动分析的模态基础，分析得到温度载荷对前6阶模态的影响规律；
4)基于随机振动分析，设定输入载荷谱，分析加筋板危险点的位置，并提取得到危险点沿Z轴方向的应力PSD变化曲线；
5)将ANSYS分析得到的最大应力时域谱以txt的形式导入matlab软件中，采用频域变换和PSD分析得到最大应力谱的功率谱密度函数，结合Miner线性损伤累计理论和加筋板材料的S-N曲线计算设定工况下的疲劳损伤，采用频域疲劳寿命计算模型，继而得到加筋板的寿命参数；
所述飞行器加筋板的几何模型参数如图2所示，飞行器加筋板分为底板、过渡板和侧板三大区域，为了提高加筋板的结构强度和使用寿命，在底板上等间距焊接4段加筋杆，整个加筋板通过侧板的8对螺栓孔与飞行器栓接，如图2所示。飞行器壁板结构尺寸为863.6mm 508mm,加筋厚度为1.65mm，筋条间隔距离为254mm，底板厚度为1.65mm。使用三维建模软件Pro/E建立有限元模型输出STP交互文件格式，导入ANSYS Workbench中进行有限元分析，划分网格后得到27497个节点，3660个单元。
所述热应力分析如图3所示，基于ANSYS环境的特定温度载荷下热分析结果，在ANSYS仿真分析过程中，模态分析是获得随机振动结果应力谱的基础，而飞行器加筋板上底板持续受到高温载荷的影响，底板高温载荷的持续作用将使得整个加筋板在不同温度区域产生不同的热应力分布，将对结构的模态特性产生很大的影响；
所述随机振动分析如图4所示，随机振动分析的目的是得到危险点的应力在频域内的变化规律，继而得到功率谱密度曲线，仿真过程中的随机振动分析是以热模态分析的结果为基础，并在约束区域施加输入载荷谱后的耦合结果。加筋板的热模态随机振动分析的热温度场为基础，在螺栓孔上施加沿Z轴方向的加速度载荷谱；
所述频域疲劳寿命计算模型是Dirlik方法，该方法在大量Monte Carlo模拟基础上，得到一个针对简单循环和雨流循环经验表达式。Dirlik所使用的方法认为雨流法获得的范围分布是三种分布的总和：一个指数函数和两个瑞利(Rayleigh)函数。假设雨流法得到的循环范围的概率密度分布可由以下得到：
其中：
D3＝1-D1-D2 (6)
在时间段T内，Dirlik疲劳损伤模型如下：

Claims (2)

1.考虑温度和随机振动载荷的加筋板结构疲劳寿命计算方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
1)采用Pro/E三维建模软件建立超高音速飞行器加筋板的几何模型，并导出超高音速飞行器加筋板的几何模型的.STP格式，实现超高音速飞行器加筋板的几何模型三维数据的传递，采用ANSYS Workbench模块进行网格划分、添加约束和施加外载荷；
2)采用ANSYS的热应力分析模块，计算不同表面温度载荷下，加筋板的热温度场和热应力分布；
3)基于模态分析模块，得到随机振动分析的模态基础，分析得到温度载荷对前六阶模态的影响规律；
4)基于随机振动分析，设定输入载荷谱，分析加筋板危险点的位置，并提取得到危险点沿Z轴方向的应力PSD变化曲线；
5)将ANSYS分析得到的最大应力时域谱以.txt的形式导入matlab软件中，采用频域变换和PSD分析得到最大应力谱的功率谱密度函数，结合Miner线性损伤累计理论和加筋板材料的S-N曲线计算设定工况下的疲劳损伤继而得到加筋板的寿命参数。
2.根据权利要求1所述的考虑温度和随机振动载荷的加筋板结构疲劳寿命计算方法，其特征在于：超高音速飞行器加筋板分为底板、过渡板和侧板三大区域，为了提高超高音速飞行器加筋板的结构强度和使用寿命，在底板上等间距焊接四段加筋杆，整个加筋板通过侧板的八对螺栓孔与飞行器栓接；超高音速飞行器的壁板结构尺寸为长863.6mm*宽508mm，加筋厚度为1.65mm，加筋杆间隔距离为254mm，底板厚度为1.65mm；使用三维建模软件Pro/E建立有限元模型输出STP交互文件格式，导入ANSYS Workbench中进行有限元分析，划分网格后得到27497个节点，3660个单元；
基于ANSYS环境的特定温度载荷下热分析结果，在ANSYS仿真分析过程中，模态分析是获得随机振动结果应力谱的基础，而超高音速飞行器加筋板上底板持续受到高温载荷的影响，底板高温载荷的持续作用将使得整个加筋板在不同温度区域产生不同的热应力分布，将对结构的模态特性产生很大影响；
随机振动分析的目的是得到危险点的应力在频域内的变化规律，继而得到功率谱密度曲线，仿真过程中的随机振动分析是以热模态分析的结果为基础，并在约束区域施加输入载荷谱后的耦合结果；加筋板的热模态随机振动分析的热温度场为基础，在螺栓孔上施加沿Z轴方向的加速度载荷谱；
频域疲劳寿命计算模型是Dirlik方法，该方法在大量Monte Carlo模拟基础上，得到一个针对简单循环和雨流循环经验表达式；Dirlik所使用的方法认为雨流法获得的范围分布是三种分布的总和：一个指数函数和两个瑞利函数。
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