CN113591272B - 基于预应力修正的复杂管路结构疲劳损伤评估方法和系统 - Google Patents

基于预应力修正的复杂管路结构疲劳损伤评估方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于预应力修正的复杂管路结构疲劳损伤评估方法和系统，该方法包括：对复杂管路结构的动强度危险点进行识别；确定动强度危险点的应力谱密度曲线G(f)；解算得到随机响应信号的峰值穿越率E(p)和应力幅值S的概率密度函数p(S)；考虑材料性质和振动环境，对复杂管路结构的预应力进行修正；计算得到修正后的复杂管路结构的随机振动疲劳损伤；根据得到的修正后的复杂管路结构的随机振动疲劳损伤，判断动强度危险点是否发生随机振动疲劳破坏。本发明可根据随机振动应力幅值和材料屈服强度对结构预应力进行合理等效，从而充分考虑到其对振动疲劳寿命的影响，并对结构预应力进行合理修正，给出结构危险点是否发生振动疲劳破坏的量化判据。

Description

基于预应力修正的复杂管路结构疲劳损伤评估方法和系统
技术领域
本发明属于运载火箭技术领域，尤其涉及一种基于预应力修正的复杂管路结构疲劳损伤评估方法和系统。
背景技术
运载火箭领域使用的管路在工作过程中要承受内压、高低温、位移、振动等载荷，力学环境和边界条件复杂，结构振动疲劳破坏是其主要失效形式之一。结构的振动疲劳涉及结构振动、结构动力学、随机振动以及结构疲劳等多个学科，疲劳寿命评估需要结合材料疲劳寿命曲线选择合适的疲劳损伤度模型。
对于非对称循环载荷的情况，如何衡量材料性质和振动环境对结构等效预应力的影响是解决结构疲劳寿命评估问题的关键所在。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于预应力修正的复杂管路结构疲劳损伤评估方法和系统，可根据随机振动应力幅值和材料屈服强度对结构预应力进行合理等效，从而充分考虑到其对振动疲劳寿命的影响，并对结构预应力进行合理修正，给出结构危险点是否发生振动疲劳破坏的量化判据。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于预应力修正的复杂管路结构疲劳损伤评估方法，包括：
对复杂管路结构的动强度危险点进行识别；
通过随机响应分析，确定动强度危险点的应力谱密度曲线G(f)；
根据动强度危险点的应力谱密度曲线G(f)，解算得到随机响应信号的峰值穿越率E(p)和应力幅值S的概率密度函数p(S)；
考虑材料性质和振动环境，对复杂管路结构的预应力进行修正，得到修正后的预应力σz；
根据随机响应信号的峰值穿越率E(p)、应力幅值S的概率密度函数p(S)和修正后的预应力σz，计算得到修正后的复杂管路结构的随机振动疲劳损伤；
根据得到的修正后的复杂管路结构的随机振动疲劳损伤，判断动强度危险点是否发生随机振动疲劳破坏。
在上述基于预应力修正的复杂管路结构疲劳损伤评估方法中，对复杂管路结构的动强度危险点进行识别，包括：
对复杂管路结构建立有限元模型并进行模态分析，得到结构的模态向量；
利用模态向量计算结构在单位载荷激励下的振动响应，进而得到系统的传递函数；
根据系统传递函数，结合随机振动激励计算管路结构的应力响应，对管路结构的动强度危险点进行识别。
在上述基于预应力修正的复杂管路结构疲劳损伤评估方法中，根据动强度危险点的应力谱密度曲线G(f)，解算得到随机响应信号的峰值穿越率E(p)和应力幅值S的概率密度函数p(S)，包括：
根据动强度危险点的应力谱密度曲线G(f)，计算得到结构应力谱密度响应的n阶谱矩Mn：
其中，f表示振动频率，n的取值为0，1，2，4；
则，随机响应信号的峰值穿越率E(p)和应力幅值S的概率密度函数p(S)分别为：
其中，D1、D2、D3、Z、Q、R均为中间过程量；M0、M2和M4分别表示结构应力谱密度响应的0、2和4谱矩。
在上述基于预应力修正的复杂管路结构疲劳损伤评估方法中，
D3＝＝1-D1-D2
在上述基于预应力修正的复杂管路结构疲劳损伤评估方法中，考虑材料性质和振动环境，对复杂管路结构的预应力进行修正，得到修正后的预应力σz，包括：
确定复杂管路结构的初始预应力值σz0、材料屈服强度σs；
若σz0+S≤σs，则修正后的预应力为：σz＝σz0；
若σz0+S＞σs、且S≤σs，则修正后的预应力为：σz＝σs-S；
若S＞σs，则修正后的预应力为：σz＝0。
在上述基于预应力修正的复杂管路结构疲劳损伤评估方法中，根据随机响应信号的峰值穿越率E(p)、应力幅值S的概率密度函数p(S)和修正后的预应力σz，计算得到修正后的复杂管路结构的随机振动疲劳损伤，包括：
当σz0<σs时，修正后的复杂管路结构的随机振动疲劳损伤DL为：
其中，T表示随机振动时间，σb表示材料强度极限，m表示疲劳曲线参数，C表示疲劳曲线常数。
在上述基于预应力修正的复杂管路结构疲劳损伤评估方法中，根据随机响应信号的峰值穿越率E(p)、应力幅值S的概率密度函数p(S)和修正后的预应力σz，计算得到修正后的复杂管路结构的随机振动疲劳损伤，包括：
当σz0≥σs时，修正后的复杂管路结构的随机振动疲劳损伤DL为：
其中，T表示随机振动时间，σb表示材料强度极限，m表示疲劳曲线参数，C表示疲劳曲线常数。
在上述基于预应力修正的复杂管路结构疲劳损伤评估方法中，根据得到的修正后的复杂管路结构的随机振动疲劳损伤，判断动强度危险点是否发生随机振动疲劳破坏，包括：当得到的修正后的复杂管路结构的随机振动疲劳损伤DL未超过设定疲劳损伤阈值，则确定动强度危险点不会发生随机振动疲劳破坏。
相应的，本发明还公开了一种基于预应力修正的复杂管路结构疲劳损伤评估系统，包括：
识别模块，用于对复杂管路结构的动强度危险点进行识别；
确定模块，用于通过随机响应分析，确定动强度危险点的应力谱密度曲线G(f)；
解算模块，用于根据动强度危险点的应力谱密度曲线G(f)，解算得到随机响应信号的峰值穿越率E(p)和应力幅值S的概率密度函数p(S)；
修正模块，用于考虑材料性质和振动环境，对复杂管路结构的预应力进行修正，得到修正后的预应力σz；
计算模块，用于根据随机响应信号的峰值穿越率E(p)、应力幅值S的概率密度函数p(S)和修正后的预应力σz，计算得到修正后的复杂管路结构的随机振动疲劳损伤；
判定模块，用于根据得到的修正后的复杂管路结构的随机振动疲劳损伤，判断动强度危险点是否发生随机振动疲劳破坏。
本发明具有以下优点：
(1)本发明公开了一种基于预应力修正的复杂管路结构疲劳损伤评估方案，可根据随机振动应力幅值和材料屈服强度对结构预应力进行合理等效，从而充分考虑到其对振动疲劳寿命的影响，并对结构预应力进行合理修正，给出结构危险点是否发生振动疲劳破坏的量化判据。
(2)本发明公开了一种基于预应力修正的复杂管路结构疲劳损伤评估方案，综合考虑了结构材料性质和振动环境等因素，利用该方法在某液体运载火箭输送管疲劳损伤分析和设计改进过程中取得了良好成效，并可广泛应用于复杂管路结构的随机振动疲劳寿命评估和分析中。
附图说明
图1是本发明实施例中一种基于预应力修正的复杂管路结构疲劳损伤评估方法的步骤流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
如图1，在本实施例中，该基于预应力修正的复杂管路结构疲劳损伤评估方法，包括：
步骤101，对复杂管路结构的动强度危险点进行识别。
在本实施例中，可以对复杂管路结构建立有限元模型并进行模态分析，得到结构的模态向量；利用模态向量计算结构在单位载荷激励下的振动响应，进而得到系统的传递函数；最后，根据系统传递函数，结合随机振动激励计算管路的结构应力响应，对管路结构动的强度危险点进行识别。需要说明的是，该步骤101可以但不仅限于通过采用有限元分析方法来实现。
步骤102，通过随机响应分析，确定动强度危险点的应力谱密度曲线G(f)。
步骤103，根据动强度危险点的应力谱密度曲线G(f)，解算得到随机响应信号的峰值穿越率E(p)和应力幅值S的概率密度函数p(S)。
在本实施例中，可根据动强度危险点的应力谱密度曲线G(f)，计算得到结构应力谱密度响应的n阶谱矩Mn：
进而可以得到：随机响应信号的峰值穿越率E(p)和应力幅值S的概率密度函数p(S)：
其中，f表示振动频率，n的取值为0，1，2，4；D1、D2、D3、Z、Q、R均为中间过程量；M0、M2和M4分别表示结构应力谱密度响应的0、2和4谱矩。
优选的，D1、D2、D3、Z、Q、R的解算公式可以如下：
D3＝＝1-D1-D2
步骤104，考虑材料性质和振动环境，对复杂管路结构的预应力进行修正，得到修正后的预应力σz。
在本实施例中，可在确定复杂管路结构的初始预应力值σz0和材料屈服强度σs后，进一步结合Dirlik雨流幅值概率密度函数经验公式、Miner线性累积损伤理论，综合考虑材料性质和振动环境对结构预应力的影响，完成对复杂管路结构的预应力的合理修正，进而给出复杂管路结构的动强度危险点是否发生随机振动疲劳破坏的量化判据。
优选的，一种可行的复杂管路结构的预应力的修正策略如下：
若σz0+S≤σs，则修正后的预应力为：σz＝σz0σz＝0。
若σz0+S＞σs、且S≤σs，则修正后的预应力为：σz＝σs-Sσz＝0。
若S＞σs，则修正后的预应力为：σz＝0。
步骤105，根据随机响应信号的峰值穿越率E(p)、应力幅值S的概率密度函数p(S)和修正后的预应力σz，计算得到修正后的复杂管路结构的随机振动疲劳损伤。
在本实施例中，可以根据随机振动应力幅值和材料屈服强度对结构预应力的影响，按不同情况分别计算修正后的复杂管路结构的随机振动疲劳损伤：
当σz0<σs时，修正后的复杂管路结构的随机振动疲劳损伤DL为：
当σz0≥σs时，修正后的复杂管路结构的随机振动疲劳损伤DL为：
其中，T表示随机振动时间，σb表示材料强度极限，m表示疲劳曲线参数，C表示疲劳曲线常数。
步骤106，根据得到的修正后的复杂管路结构的随机振动疲劳损伤，判断动强度危险点是否发生随机振动疲劳破坏。
在本实施例中，当得到的修正后的复杂管路结构的随机振动疲劳损伤DL未超过设定疲劳损伤阈值，则确定动强度危险点不会发生随机振动疲劳破坏。
综上所述，本发明公开了一种基于预应力修正的复杂管路结构疲劳损伤评估方法，采用有限元分析方法，对复杂管路结构在振动载荷作用下的动力学响应进行分析，并对结构的动强度危险点进行识别。基于识别结果，计算动强度危险点的应力功率谱密度曲线，结合Dirlik雨流幅值概率密度函数经验公式、Miner线性累积损伤理论对复杂管路结构的预应力进行合理修正，给出复杂管路结构的动强度危险点是否发生随机振动疲劳破坏的量化判据。
在上述实施例的基础上，本发明还公开了一种基于预应力修正的复杂管路结构疲劳损伤评估系统，包括：识别模块，用于对复杂管路结构的动强度危险点进行识别；确定模块，用于通过随机响应分析，确定动强度危险点的应力谱密度曲线G(f)；解算模块，用于根据动强度危险点的应力谱密度曲线G(f)，解算得到随机响应信号的峰值穿越率E(p)和应力幅值S的概率密度函数p(S)；修正模块，用于考虑材料性质和振动环境，对复杂管路结构的预应力进行修正，得到修正后的预应力σz；计算模块，用于根据随机响应信号的峰值穿越率E(p)、应力幅值S的概率密度函数p(S)和修正后的预应力σz，计算得到修正后的复杂管路结构的随机振动疲劳损伤；判定模块，用于根据得到的修正后的复杂管路结构的随机振动疲劳损伤，判断动强度危险点是否发生随机振动疲劳破坏。
对于系统实施例而言，由于其与方法实施例相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例部分的说明即可。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种基于预应力修正的复杂管路结构疲劳损伤评估方法，其特征在于，包括：
对复杂管路结构的动强度危险点进行识别；
通过随机响应分析，确定动强度危险点的应力谱密度曲线G(f)；
根据动强度危险点的应力谱密度曲线G(f)，解算得到随机响应信号的峰值穿越率E(p)和应力幅值S的概率密度函数p(S)；
考虑材料性质和振动环境，对复杂管路结构的预应力进行修正，得到修正后的预应力σz；
根据随机响应信号的峰值穿越率E(p)、应力幅值S的概率密度函数p(S)和修正后的预应力σz，计算得到修正后的复杂管路结构的随机振动疲劳损伤；
根据得到的修正后的复杂管路结构的随机振动疲劳损伤，判断动强度危险点是否发生随机振动疲劳破坏；
其中：
根据动强度危险点的应力谱密度曲线G(f)，解算得到随机响应信号的峰值穿越率E(p)和应力幅值S的概率密度函数p(S)，包括：
根据动强度危险点的应力谱密度曲线G(f)，计算得到结构应力谱密度响应的n阶谱矩Mn：
其中，f表示振动频率，n的取值为0，1，2，4；
则，随机响应信号的峰值穿越率E(p)和应力幅值S的概率密度函数p(S)分别为：
其中，D1、D2、D3、Z、Q、R均为中间过程量；M0、M2和M4分别表示结构应力谱密度响应的0、2和4谱矩；
考虑材料性质和振动环境，对复杂管路结构的预应力进行修正，得到修正后的预应力σz，包括：确定复杂管路结构的初始预应力值σz0、材料屈服强度σs；若σz0+S≤σs，则修正后的预应力为：σz＝σz0；若σz0+S＞σs、且S≤σs，则修正后的预应力为：σz＝σs-S；若S＞σs，则修正后的预应力为：σz＝0；
根据随机响应信号的峰值穿越率E(p)、应力幅值S的概率密度函数p(S)和修正后的预应力σz，计算得到修正后的复杂管路结构的随机振动疲劳损伤，包括：
当σz0＜σs时，修正后的复杂管路结构的随机振动疲劳损伤DL为：
其中，T表示随机振动时间，σb表示材料强度极限，m表示疲劳曲线参数，C表示疲劳曲线常数；
当σz0≥σs时，修正后的复杂管路结构的随机振动疲劳损伤DL为：
其中，T表示随机振动时间，σb表示材料强度极限，m表示疲劳曲线参数，C表示疲劳曲线常数。
2.根据权利要求1所述的基于预应力修正的复杂管路结构疲劳损伤评估方法，其特征在于，对复杂管路结构的动强度危险点进行识别，包括：
对复杂管路结构建立有限元模型并进行模态分析，得到结构的模态向量；
利用模态向量计算结构在单位载荷激励下的振动响应，进而得到系统的传递函数；
根据系统传递函数，结合随机振动激励计算管路结构的应力响应，对管路结构的动强度危险点进行识别。
3.根据权利要求1所述的基于预应力修正的复杂管路结构疲劳损伤评估方法，其特征在于，
D3＝＝1-D1-D
4.根据权利要求1所述的基于预应力修正的复杂管路结构疲劳损伤评估方法，其特征在于，根据得到的修正后的复杂管路结构的随机振动疲劳损伤，判断动强度危险点是否发生随机振动疲劳破坏，包括：当得到的修正后的复杂管路结构的随机振动疲劳损伤DL未超过设定疲劳损伤阈值，则确定动强度危险点不会发生随机振动疲劳破坏。
5.一种用于实现如权利要求1所述的基于预应力修正的复杂管路结构疲劳损伤评估方法的基于预应力修正的复杂管路结构疲劳损伤评估系统，其特征在于，包括：
识别模块，用于对复杂管路结构的动强度危险点进行识别；
确定模块，用于通过随机响应分析，确定动强度危险点的应力谱密度曲线G(f)；
解算模块，用于根据动强度危险点的应力谱密度曲线G(f)，解算得到随机响应信号的峰值穿越率E(p)和应力幅值S的概率密度函数p(S)；
修正模块，用于考虑材料性质和振动环境，对复杂管路结构的预应力进行修正，得到修正后的预应力σz；
计算模块，用于根据随机响应信号的峰值穿越率E(p)、应力幅值S的概率密度函数p(S)和修正后的预应力σz，计算得到修正后的复杂管路结构的随机振动疲劳损伤；
判定模块，用于根据得到的修正后的复杂管路结构的随机振动疲劳损伤，判断动强度危险点是否发生随机振动疲劳破坏。
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