CN115950613A - 一种机械结构的频域载荷谱确定方法 - Google Patents

一种机械结构的频域载荷谱确定方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115950613A
CN115950613A CN202310229098.7A CN202310229098A CN115950613A CN 115950613 A CN115950613 A CN 115950613A CN 202310229098 A CN202310229098 A CN 202310229098A CN 115950613 A CN115950613 A CN 115950613A
Authority
CN
China
Prior art keywords
spectrum
damage
mechanical structure
fatigue
frequency
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310229098.7A
Other languages
English (en)
Inventor
李斌潮
时寒阳
赵瑞国
宋少伟
王婷
刘子俊
刘钰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Aerospace Propulsion Institute
Original Assignee
Xian Aerospace Propulsion Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Aerospace Propulsion Institute filed Critical Xian Aerospace Propulsion Institute
Priority to CN202310229098.7A priority Critical patent/CN115950613A/zh
Publication of CN115950613A publication Critical patent/CN115950613A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation

Landscapes

  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

本发明公开一种机械结构的频域载荷谱确定方法，涉及结构疲劳分析技术领域，以提供一种能更准确地反映出载荷对机械结构造成的损伤大小的技术方案。机械结构的频域载荷谱确定方法，应用于非平稳非高斯载荷下的机械结构中，包括以下步骤：分别计算单自由度系统在不同固有频率下的应力响应；基于每个所述应力响应对应的循环谱，得到相应所述固有频率对应的累积损伤；利用多个所述固有频率以及相应固有频率下的所述累积损伤，得到疲劳损伤谱；基于所述疲劳损伤谱，确定频域载荷谱。

Description

一种机械结构的频域载荷谱确定方法
技术领域
本发明涉及结构疲劳分析技术领域，尤其涉及一种机械结构的频域载荷谱确定方法。
背景技术
机械结构在服役期间常受到随机载荷的作用而产生随机振动，从而引起结构的疲劳破坏问题，其中疲劳寿命往往是衡量结构能否正常工作的依据。鉴于此，需要通过得到合适的疲劳载荷谱，并以此作为输入条件进行机械结构疲劳寿命试验对其完成寿命评估分析或做出寿命预测，从而保证结构在实际运行中的可靠性。
目前，振动疲劳计算方法有时域法和频域法两种。时域法常基于有限元软件展开，具有计算精度高的优点，但存在计算效率低的问题且依赖于模型建立的准确性。频域法具有计算效率高的优点，但也存在一定的局限性，要求用于分析的载荷必须满足平稳性及非高斯性。对于非平稳非高斯载荷，传统的频域法往往无法准确预测结构实际达到的损伤。另外，已有的研究结果表明非平稳非高斯载荷会明显降低结构的疲劳寿命，不能简单将实测载荷的功率谱密度作为输入加载到振动台对结构进行疲劳试验和寿命评估。为此，对于实测信号具有非平稳性非高斯性特点时，如何生成用于疲劳寿命试验的频域载荷谱成为亟需解决的问题。
发明内容
基于此，本发明的目的在于提供一种机械结构的频域载荷谱确定方法，以提供一种能更准确地反映出载荷对机械结构造成的损伤大小的技术方案。
本发明提供一种机械结构的频域载荷谱确定方法，应用于非平稳非高斯载荷下的机械结构中，所述频域载荷谱确定方法包括以下步骤：
分别计算单自由度系统在不同固有频率下的应力响应；
基于每个所述应力响应对应的循环谱，得到相应所述固有频率对应的累积损伤；
利用多个所述固有频率以及相应固有频率下的所述累积损伤，得到疲劳损伤谱；
基于所述疲劳损伤谱，确定频域载荷谱。
与现有技术相比，本发明提供的机械结构的频域载荷谱确定方法，首先基于不同固有频率下的应力响应，得到每个所述应力响应对应的循环谱，进而得到相应所述固有频率对应的累积损伤，最后基于多个所述固有频率以及相应固有频率下的所述累积损伤，得到疲劳损伤谱，再基于所述疲劳损伤谱，确定频域载荷谱。应理解，疲劳损伤谱是一个良好的损伤预测工具，可以代表载荷对不同固有频率的机械结构所造成的损伤大小，因此将前后的疲劳损伤谱相等作为构建频域载荷谱曲线的约束条件。由于非平稳非高斯载荷经过单自由度系统会产生非高斯性的响应，计算疲劳损伤谱的过程不可以直接使用窄带法得到。但得到疲劳损伤谱后，通过窄带法求逆运算便可得到非平稳非高斯载荷下重构的频域载荷谱。在本发明中，通过先计算疲劳损伤谱，再在疲劳损伤谱的基础上计算频域载荷谱，在非平稳非高斯载荷条件下，相比传统方法直接计算频域载荷谱用于疲劳试验，使用本发明的方法生成的频域载荷谱进行振动疲劳试验，能更准确地反映出原载荷对结构造成的损伤大小，在保证计算效率的同时提高了求解精度，解决了因载荷具有非平稳及非高斯特性时直接使用实测载荷频域载荷谱进行疲劳试验无法反映原载荷对结构造成疲劳损伤真实大小的问题。
进一步的，在分别计算单自由度系统在不同固有频率下的应力响应之前，所述频域载荷谱确定方法还包括：
分别计算所述单自由度系统在所述多个固有频率下的脉冲响应。
进一步的，所述分别计算所述单自由度系统在所述不同固有频率下的脉冲响应包括：
Figure SMS_1
；
上式中， t为所述脉冲响应中脉冲输入对应的时间，
Figure SMS_2
为所述单自由度系统的阻尼比， c为所述单自由度系统的阻尼，m为所述单自由度系统的集中质量，
Figure SMS_3
为所述单自由度系统的固有频率。
进一步的，所述分别计算单自由度系统在不同频率下的应力响应包括：
Figure SMS_4
；
上式中，
Figure SMS_5
为所述单自由度系统在不同固有频率下的脉冲响应， k为所述单自由度系统的系统刚度，
Figure SMS_6
为加速度基础激励，
Figure SMS_7
为所述集中质量与所述加速度基础激励之间的位移。
进一步的，所述基于每个所述应力响应对应的循环谱，得到相应所述固有频率对应的累积损伤之前，所述机械结构的频域载荷谱确定方法还包括：
基于雨流计数法，确定每个所述频率下的应力响应对应的循环谱。
进一步的，所述基于每个所述应力响应对应的循环谱，得到相应所述固有频率对应的累积损伤包括：
基于S-N曲线、线性疲劳累积损伤理论以及每个所述应力响应对应的循环谱，确定相应所述固有频率对应的累计损伤。
进一步的，所述固有频率对应的累计损伤的表达式为：
Figure SMS_8
式中， D为单个所述固有频率下的累计损伤，
Figure SMS_9
为应力响应的幅值；
Figure SMS_10
为所述固有频率对应应力响应的幅值
Figure SMS_11
的循环次数；
Figure SMS_12
为在所述应力响应的幅值
Figure SMS_13
的作用下导致失效的循环次数；c为比例常数；b为所述机械结构的材料的疲劳指数。
进一步的，所述单自由度系统的多个固有频率由低到高依次分布。
进一步的，所述利用多个所述固有频率以及相应固有频率下的所述累积损伤，得到疲劳损伤谱包括：
将每个所述固有频率下的累计损伤与响应的所述固有频率描绘在坐标系中，得到所述疲劳损伤谱。
进一步的，所述基于所述疲劳损伤谱，确定频域载荷谱包括：
Figure SMS_14
式中， K为所述单自由度系统的弹簧刚度；Г为函数定义为
Figure SMS_15
，g为加速度， T为加速度基础激励的总时间；b为所述机械结构件材料的S-N曲线斜率； C为所述机械结构材料的S-N曲线中的疲劳参数；
Figure SMS_16
为品质因子，
Figure SMS_17
，
Figure SMS_18
为结构阻尼比；
Figure SMS_19
为所述单自由度系统固有频率；
Figure SMS_20
为所述疲劳损伤谱；
Figure SMS_21
为加速度功率谱密度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了本发明实施例提供的一种机械结构的频域载荷谱确定方法的步骤流程图；
图2（a）示出了本发明实施例提供的一个单自由度系统的示意图；
图2（b）示出了本发明实施例提供的由低到高改变单自由度系统固有频率的大小，系统频响函数随之变化的示意图；
图3示出了本发明实施例提供的某火箭发动机管路结构的具体尺寸示意图；
图4（a）示出了本发明实施例提供的一种非平稳非高斯信号的时域示意图；
图4（b）示出了本发明实施例提供的一种非平稳非高斯信号与高斯信号的概率密度函数（PDF）对比示意图；
图5（a)示出了将图4（a)中的非平稳非高斯信号作为基础激励输入到有限元软件中进行瞬态分析，输出危险点的应力时间历程示意图；
图5（b)示出了本发明实施例中图5（a)中应力信号与同方差高斯信号的概率密度函数（PDF）的对比示意图；
图6（a)示出了本发明实施例提供的方法得到的PSDRF与现有技术中频域法中的加速度PSD的对比示意图；
图6（b)示出了本发明实施例提供的方法的得到的应力PSDRF与现有频域法中的应力PSD的对比示意图；
图7（a）为现有Dirlik频域法与时域法计算的疲劳寿命的对比示意图；
图7（b）为本发明实施例中基于机械结构的频域载荷谱确定方法与时域法计算的疲劳寿命的对比示意图。
实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
机械结构在服役期间常受到随机载荷的作用而产生随机振动，从而引起结构的疲劳破坏问题，其中疲劳寿命往往是衡量结构能否正常工作的依据。鉴于此，需要通过得到合适的疲劳载荷谱，并以此作为输入条件进行机械结构疲劳寿命试验对其完成寿命评估分析或做出寿命预测，从而保证结构在实际运行中的可靠性。
目前，振动疲劳计算方法有时域法和频域法两种。时域法常基于有限元软件展开，具有计算精度高的优点，但存在计算效率低的问题且依赖于模型建立的准确性。频域法具有计算效率高的优点，但也存在一定的局限性，要求用于分析的载荷必须满足平稳性及非高斯性。对于非平稳非高斯载荷，传统的频域法往往无法准确预测结构实际达到的损伤。另外，已有的研究结果表明非平稳非高斯载荷会明显降低结构的疲劳寿命，不能简单将实测载荷的功率谱密度（PSD）作为输入加载到振动台对结构进行疲劳试验和寿命评估。为此，对于实测信号具有非平稳性非高斯性特点时，如何生成用于疲劳寿命试验的频域载荷谱成为亟需解决的问题。
基于此，本发明实施例提供了一种机械结构的频域载荷谱确定方法，在保证计算效率的同时提高求解精度，解决了因载荷具有非平稳及非高斯特性时直接使用实测频域载荷谱进行疲劳试验无法反映原载荷对结构造成疲劳损伤真实大小的问题。
参照图1，本发明实施例提供的机械结构的频域载荷谱确定方法包括以下步骤：
S100、分别计算单自由度系统在不同固有频率下的应力响应。
其中，单自由度系统指在任意时刻只要一个广义坐标即可完全确定其位置的系统。在计算单自由度系统在不同固有频率下的应力响应之前，上述机械结构的频域载荷谱确定方还包括：分别计算所述单自由度系统在所述多个固有频率下的脉冲响应。
具体的，计算所述单自由度系统在不同固有频率下的脉冲响应包括：
Figure SMS_22
；（1）
上式中， t为所述脉冲响应中脉冲输入对应的时间，
Figure SMS_23
为所述单自由度系统的阻尼比， c为所述单自由度系统的阻尼，m为所述单自由度系统的集中质量，
Figure SMS_24
为所述单自由度系统固有频率。
在得到多个固有频率下的脉冲响应之后，计算单自由度系统在多个固有频率下的应力响应包括：
Figure SMS_25
；                                     （2）
上式中，
Figure SMS_26
为所述单自由度系统在不同固有频率下的脉冲响应， k为所述单自由度系统的系统刚度，
Figure SMS_27
为加速度基础激励，
Figure SMS_28
为所述集中质量与所述加速度基础激励之间的位移。
在一个示例中，参照图2（a），一个单自由度系统，输入为加速度基础激励
Figure SMS_29
，响应为集中质量与基础激励之间的位移
Figure SMS_30
，应力响应为
Figure SMS_31
。对于一个时域载荷
Figure SMS_32
，由低到高改变单自由度系统固有频率的大小，系统频响函数随之变化，如图2（b）所示。
S200，基于每个所述应力响应对应的循环谱，得到相应所述固有频率对应的累积损伤。
在基于每个所述应力响应对应的循环谱，得到相应所述固有频率对应的累积损伤之前，本发明实施例提供的机械结构的频域载荷谱确定方法还包括：基于雨流计数法，确定每个所述频率下的应力响应对应的循环谱。
应理解，在实际中疲劳载荷非常复杂，通常，不能将较大的应力循环分成较小的应力循环，因为这会导致疲劳损伤的低估。较小的应力循环应视为较大应力逆转的暂时中断。雨流计数法用于疲劳数据分析，以将变化的应力谱减少为一组简单的应力反转组合。
然后，基于S-N曲线、线性疲劳累积损伤理论以及每个所述应力响应对应的循环谱，确定相应所述固有频率对应的累计损伤。
S-N曲线为材料承受交变应力和断裂循环周次之间的关系曲线。各种材料对变应力的抵抗能力，是以在一定循环作用次数N下，不产生破坏的最大应力σN来表示的。σN称为一定循环作用次数N的极限应力，也称为条件疲劳极限。对于一种材料，根据实验，可得出在各种循环作用次数N下的极限应力，以横坐标为作用次数N、纵坐标为极限应力，绘成曲线，称S-N曲线。
线性疲劳累积损伤理论认为在循环载荷作用下，疲劳损伤是可以线性地累加的各个应力之间相互独立而互不相关，当累加的损伤达到某一数值时，试件或构件就发生疲劳破坏。
具体的，所述固有频率对应的累计损伤的表达式为：
Figure SMS_33
                                     （3）
式中， D为单个所述固有频率下的累计损伤，
Figure SMS_34
为应力响应的幅值；
Figure SMS_35
为所述固有频率对应应力响应的幅值
Figure SMS_36
的循环次数；
Figure SMS_37
为在所述应力响应的幅值
Figure SMS_38
的作用下导致失效的循环次数；c为比例常数；b为所述机械结构的材料的疲劳指数。
S300，利用多个所述固有频率以及相应固有频率下的所述累积损伤，得到疲劳损伤谱。
具体的，将求得的每个固有频率下的累计损伤与相应的固有频率描绘在坐标系中，即为所求的疲劳损伤谱
Figure SMS_39
。
S400，基于所述疲劳损伤谱，确定频域载荷谱。
具体的，在得到疲劳损伤谱
Figure SMS_40
之后，将其作为已知量带入下式，便可求得PSD曲线
Figure SMS_41
，即为该时域载荷的频域载荷谱。
Figure SMS_42
（4）
式中， K为所述单自由度系统的弹簧刚度；Г为函数定义为
Figure SMS_44
，g为加速度， T为加速度基础激励的总时间；
Figure SMS_47
为所述机械结构材料的S-N曲线斜率； C为所述机械结构材料的S-N曲线中的疲劳参数；
Figure SMS_49
为品质因子，
Figure SMS_43
，
Figure SMS_46
为结构阻尼比；
Figure SMS_48
为所述单自由度系统固有频率；
Figure SMS_50
为所述疲劳损伤谱；
Figure SMS_45
为加速度功率谱密度。
在实际中，频域载荷谱通常以PSD形式给出，因此针对非平稳非高斯载荷，需要重新构建其PSD曲线，使之包含非平稳性及非高斯性对结构造成的损伤加剧的影响。FDS是一个良好的损伤预测工具，可以代表载荷对不同固有频率的结构所造成的损伤大小，因此将前后的FDS相等作为构建PSD曲线的约束条件。由于非平稳非高斯载荷经过单自由度系统会产生非高斯性的响应，计算FDS的过程不可以直接使用窄带法而需要由雨流计数法得到。得到FDS后，通过窄带法求逆运算便可得到非平稳非高斯载荷下重构的PSD。
为验证本发明实施例提出的方法，以某火箭发动机管路结构为研究对象，材料为304SS，具体材料参数如表1所示，管路的外径为9mm，内径为6mm，具体尺寸见图3所示。
表1
Figure SMS_51
首先，生成峭度值为5的非平稳非高斯信号，低频信号
Figure SMS_52
的频率范围选为1~2Hz，频率范围为100~300Hz，PSD水平为
Figure SMS_53
，采样率为4096Hz，时长为100s。其时域图形如图4（a）所示，非平稳非高斯信号与高斯信号的概率密度函数（PDF）对比如图4（b）所示。用RunTest（雨流计数法）对信号进行平稳性检验，结果如表2所示。
表2
Figure SMS_54
将该信号作为基础激励输入到有限元软件中进行瞬态分析，输出危险点的应力时间历程，如图5（a）所示，该应力信号的峭度值为5.13，PDF如图5（b）所示，该应力信号有着明显的非高斯性。之后利用雨流计数法进行循环计数，结合材料的S-N曲线，计算得到结构的疲劳寿命
Figure SMS_55
。
接下来用频域法以及等效的FDS方法进行计算。将该信号的PSD作为基础激励输入到有限元软件中，进行随机响应分析，得到危险点处应力响应的PSD。使用Dirlik方法（雨流计数法）计算得到疲劳寿命
Figure SMS_56
。利用本发明实施例提出的方法，根据时域数据计算其FDS，由公式（4）生成PSDRF（重构PSD），PSDRF与原PSD的对比如图6（a）所示，两个应力响应的PSD如图6（b）所示。利用PSDRF得到危险点处的应力响应，从而计算得到疲劳寿命
Figure SMS_57
。
生成不同平稳性的非平稳非高斯信号，记为FR[0.1-1]、FR[1-2]、FR[1-10]，以及同峭度值的平稳非高斯信号记为SNG。重复以上仿真计算过程，计算三种材料参数下的疲劳寿命。表3给出了每种材料下的寿命计算结果，图7（a）和图7（b）显示了以时域法为基准的两种方法的计算疲劳寿命，且画出了误差为40%的边界，用形状区分三种材料，用不同线段代表不同的非平稳非高斯信号。
表3
Figure SMS_58
图7（a）为现有Dirlik频域法与传统频域法的比较，可以看出同种材料下（同一形状），几种非平稳非高斯载荷下的雨流计数法计算结果误差都很大，寿命计算结果是时域法的数倍，这是由于非平稳信号下响应中有着显著的非高斯性，对疲劳损伤的计算产生了很大影响，因此导致了传统频域法错误的寿命估计。图7（b）给出了基于FDS等效的频域计算方法与时域法相比的寿命结果，在多个非平稳非高斯载荷下，其计算结果均与时域法相当，由表3，误差始终控制在20%以内。
与现有技术相比，本发明实施例提供的机械结构的频域载荷谱确定方法，首先基于不同固有频率下的应力响应，得到每个所述应力响应对应的循环谱，进而得到相应所述固有频率对应的累积损伤，最后基于多个所述固有频率以及相应固有频率下的所述累积损伤，得到疲劳损伤谱，再基于所述疲劳损伤谱，确定频域载荷谱。应理解，疲劳损伤谱是一个良好的损伤预测工具，可以代表载荷对不同固有频率的机械结构所造成的损伤大小，因此将前后的疲劳损伤谱相等作为构建频域载荷谱曲线的约束条件。由于非平稳非高斯载荷经过单自由度系统会产生非高斯性的响应，计算疲劳损伤谱的过程不可以直接使用窄带法得到。得到疲劳损伤谱后，通过窄带法求逆运算便可得到非平稳非高斯载荷下重构的频域载荷谱。在本发明中，通过先计算疲劳损伤谱，再在疲劳损伤谱的基础上计算频域载荷谱，在非平稳非高斯载荷条件下，相比传统方法直接计算频域载荷谱用于疲劳试验，使用本发明实施例的方法生成的频域载荷谱进行振动疲劳试验，能更准确地反映出原载荷对结构造成的损伤大小，在保证计算效率的同时提高了求解精度，解决了因载荷具有非平稳及非高斯特性时直接使用实测载荷频域载荷谱进行疲劳试验无法反映原载荷对结构造成疲劳损伤真实大小的问题。
应理解，机械结构的振动疲劳计算方法包含时域法和频域法。时域法是基于时域载荷谱，通过有限元软件进行时域下的瞬态计算，由于瞬态计算求解的迭代及收敛特性，导致时域计算的计算效率低下；频域法是基于平稳的频域载荷谱通过有限元软件进行频域下稳态振动求解，由于频域下的计算，通过模态叠加法进行，具有计算效率高的优势。本发明实施例提供的机械结构的频域载荷谱确定方法是基于频域法计算PSD谱的，因此保证了计算效率，故本实施例提供的方法具有较高的计算效率。
在实际中，基于非平稳非高斯谱的机械结构振动疲劳计算，通常是基于时域法进行计算，但时域法极其依赖模型的准确性，这就直接影响了求解精度，而通过本发明实施例提供的方法是基于频域计算，即通过损伤一致性方法获取了可供使用的频域PSD谱，也可以通过频域有限元计算进行，频域计算的模型多依赖于模型的模态参数，可通过模态试验进行模型校准，具有较高的准确性，故本实施例提供的方法具有较高的求解精度。
尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”（comprising）一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种机械结构的频域载荷谱确定方法，其特征在于，应用于非平稳非高斯载荷下机械结构的疲劳测试中，所述频域载荷谱确定方法包括以下步骤：
分别计算单自由度系统在不同固有频率下的应力响应；
基于每个所述应力响应对应的循环谱，得到相应所述固有频率对应的累积损伤；
利用多个所述固有频率以及相应固有频率下的所述累积损伤，得到疲劳损伤谱；
基于所述疲劳损伤谱，确定频域载荷谱。
2.根据权利要求1所述的机械结构的频域载荷谱确定方法，其特征在于，在分别计算单自由度系统在不同固有频率下的应力响应之前，所述频域载荷谱确定方法还包括：
分别计算所述单自由度系统在所述不同固有频率下的脉冲响应。
3.根据权利要求2所述的机械结构的频域载荷谱确定方法，其特征在于，所述分别计算所述单自由度系统在所述不同固有频率下的脉冲响应包括：
Figure QLYQS_1
；
上式中，t为所述脉冲响应中脉冲输入对应的时间，
Figure QLYQS_2
为所述单自由度系统的阻尼比，c为所述单自由度系统的阻尼，m为所述单自由度系统的集中质量，
Figure QLYQS_3
为所述单自由度系统的固有频率。
4.根据权利要求3所述的机械结构的频域载荷谱确定方法，其特征在于，所述分别计算单自由度系统在不同固有频率下的应力响应包括：
Figure QLYQS_4
；
上式中，
Figure QLYQS_5
为所述单自由度系统在不同固有频率下的脉冲响应，k为所述单自由度系统的系统刚度，
Figure QLYQS_6
为加速度基础激励，
Figure QLYQS_7
为所述集中质量与所述加速度基础激励之间的位移。
5.根据权利要求1所述的机械结构的频域载荷谱确定方法，其特征在于，所述基于每个所述应力响应对应的循环谱，得到相应所述固有频率对应的累积损伤之前，所述机械结构的频域载荷谱确定方法还包括：
基于雨流计数法，确定每个所述频率下的应力响应对应的循环谱。
6.根据权利要求5所述的机械结构的频域载荷谱确定方法，其特征在于，所述基于每个所述应力响应对应的循环谱，得到相应所述固有频率对应的累积损伤包括：
基于S-N曲线、线性疲劳累积损伤理论以及每个所述应力响应对应的循环谱，确定相应所述固有频率对应的累计损伤。
7.根据权利要求6所述的机械结构的频域载荷谱确定方法，其特征在于，所述固有频率对应的累计损伤的表达式为：
Figure QLYQS_8
；
式中，D为单个所述固有频率下的累计损伤，
Figure QLYQS_9
为应力响应的幅值；
Figure QLYQS_10
为所述固有频率对应应力响应的幅值
Figure QLYQS_11
的循环次数；
Figure QLYQS_12
为在所述应力响应的幅值
Figure QLYQS_13
的作用下导致失效的循环次数；
Figure QLYQS_14
为比例常数；
Figure QLYQS_15
为所述机械结构的材料的疲劳指数。
8.根据权利要求1-7任一项所述的机械结构的频域载荷谱确定方法，其特征在于，所述单自由度系统的多个固有频率由低到高依次分布。
9.根据权利要求1-7任一项所述的机械结构的频域载荷谱确定方法，其特征在于，所述利用多个所述固有频率以及相应固有频率下的所述累积损伤，得到疲劳损伤谱包括：
将每个所述固有频率下的累计损伤与相应的所述固有频率描绘在坐标系中，得到所述疲劳损伤谱。
10.根据权利要求1-7任一项所述的机械结构的频域载荷谱确定方法，其特征在于，
所述基于所述疲劳损伤谱，确定频域载荷谱包括：
Figure QLYQS_16
；
式中，K为所述单自由度系统的弹簧刚度；Г为函数定义为：
Figure QLYQS_17
，g为加速度，T为加速度基础激励的总时间；
Figure QLYQS_20
为所述机械结构材料的S-N曲线斜率；C为所述机械结构材料的S-N曲线中的疲劳参数；
Figure QLYQS_22
为品质因子，
Figure QLYQS_19
，
Figure QLYQS_21
为结构阻尼比；
Figure QLYQS_23
为所述单自由度系统固有频率；
Figure QLYQS_24
为所述疲劳损伤谱；
Figure QLYQS_18
为加速度功率谱密度。
CN202310229098.7A 2023-03-10 2023-03-10 一种机械结构的频域载荷谱确定方法 Pending CN115950613A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310229098.7A CN115950613A (zh) 2023-03-10 2023-03-10 一种机械结构的频域载荷谱确定方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310229098.7A CN115950613A (zh) 2023-03-10 2023-03-10 一种机械结构的频域载荷谱确定方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115950613A true CN115950613A (zh) 2023-04-11

Family

ID=87286229

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310229098.7A Pending CN115950613A (zh) 2023-03-10 2023-03-10 一种机械结构的频域载荷谱确定方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115950613A (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1201522A (zh) * 1995-12-01 1998-12-09 福特汽车公司 评价产品持久性的正弦振动试验的方法
JP2018031610A (ja) * 2016-08-23 2018-03-01 株式会社日立製作所 累積疲労損傷度推定システムまたは累積疲労損傷度推定方法
CN111797749A (zh) * 2020-06-29 2020-10-20 江铃汽车股份有限公司 电动卡车控制器支架结构振动激励载荷计算方法及系统
CN112199793A (zh) * 2020-10-09 2021-01-08 盐城工学院 一种非高斯载荷的损伤等效试验谱优化方法
CN113504038A (zh) * 2021-07-05 2021-10-15 吉林大学 一种工程装备臂架结构损伤评估方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1201522A (zh) * 1995-12-01 1998-12-09 福特汽车公司 评价产品持久性的正弦振动试验的方法
JP2018031610A (ja) * 2016-08-23 2018-03-01 株式会社日立製作所 累積疲労損傷度推定システムまたは累積疲労損傷度推定方法
CN111797749A (zh) * 2020-06-29 2020-10-20 江铃汽车股份有限公司 电动卡车控制器支架结构振动激励载荷计算方法及系统
CN112199793A (zh) * 2020-10-09 2021-01-08 盐城工学院 一种非高斯载荷的损伤等效试验谱优化方法
CN113504038A (zh) * 2021-07-05 2021-10-15 吉林大学 一种工程装备臂架结构损伤评估方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
唐利涛 等: "基于疲劳损伤谱的随机振动试验方法在智能电表模拟公路运输中的研究", 《装备环境工程 》 *
陈宽裕: "随机振动激励的加速方法研究与试验验证", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ceravolo et al. Time domain identification of structures: Comparative analysis of output-only methods
CN103049670B (zh) 管道激励源识别及其振动响应预测方法
Broatch et al. A CFD approach to the computation of the acoustic response of exhaust mufflers
CN110441018B (zh) 火工冲击响应数据时频分析方法
Gillich et al. Early structural damage assessment by using an improved frequency evaluation algorithm
CN108225547B (zh) 汽车排气噪声测量方法
JP7468724B2 (ja) 配管診断装置、配管診断方法、及びプログラム
CN110530509A (zh) 基于最大熵谱分析的高速动车组轴箱振动主频预测方法
Barter et al. Interaction effects in a transonic turbine stage
Griffin On predicting the resonant response of bladed disk assemblies
Chelidze Fatigue life estimation of structures under statistically and spectrally similar variable amplitude loading
CN115950613A (zh) 一种机械结构的频域载荷谱确定方法
Verdiere et al. Inverse poroelastic characterization of open-cell porous materials using an impedance tube
Brown et al. Surrogate modeling of manufacturing variation effects on unsteady interactions in a transonic turbine
Brown et al. Probabilistic analysis of geometric uncertainty effects on blade modal response
CN114354112B (zh) 一种叶片多阶耦合振动疲劳分析方法
Ziaeirad Finite element, modal testing and modal analysis of a radial flow impeller
Bause et al. An improved mode-tracing algorithm to compute dispersion curves of acoustic waveguides
Heeg et al. Predicting transonic flutter using nonlinear computational simulations
Gillich et al. Efficient algorithm for frequency estimation used in structural damage detection
Casiano Acoustic Analysis of Sensor Ports
Jang et al. On the selection of loads in the multiload method for measuring the acoustic source parameters of duct systems
Bergamini et al. Computational prediction of vehicle aerodynamic noise by integration of a CFD technique with Lighthill's acoustic analogy
CN116011183B (zh) 在役油气管道检测方法、装置、设备和存储介质
Rad Finite element, modal testing and modal analysis of a radial flow impeller

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20230411

RJ01 Rejection of invention patent application after publication