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文檔簡介
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。針對長期承受交變循環(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)測和評估機(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。論文主要研究內(nèi)容和成果如下:
?。?)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)測方法。針對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)測模型,該模型能綜合考慮載荷順序及載荷間交互作用對損傷發(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)測方法。針對傳統(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。
(3)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,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法則形式上的簡易性,便于疲勞損傷定量分析和壽命估算。通過對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
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