58基于雨流计数法的随机声疲劳寿命估算方法研究
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58基于雨流计数法的随机声疲劳寿命估算方法研究
2009年6月第26卷第3期沈阳航空工业学院学报；JournalofShenyangInstitu；文章编号:09)03-0；基于雨流计数法的随机声疲劳寿命估算方法研究；郭小鹏??沙云东??张??军；(沈阳航空工业学院动力与能源工程学院,辽宁沈阳?；摘??要:针对飞机结构中的声疲劳破坏问题,以雨流；文献标识码:A；????声疲劳是结构
2009年6月第26卷第3期沈阳航空工业学院学报JournalofShenyangInstituteofAeronauticalEngineeringJun.2009Vo.l26??No.3文章编号:09)03-0010-04基于雨流计数法的随机声疲劳寿命估算方法研究郭小鹏??沙云东??张??军(沈阳航空工业学院动力与能源工程学院,辽宁沈阳??110136)摘??要:针对飞机结构中的声疲劳破坏问题,以雨流计数法的基本原理和计数规则为基础,研究了雨流计数法在Matlab语言中的具体实现方法并得到载荷谱,结合材料性能S-N曲线在Miner线性累积损伤理论准则下估算结构疲劳寿命。并以某航空薄壁柱壳结构为例进行疲劳寿命估算,取得了良好的效果,从而为结构的声疲劳寿命估算提供了一种可行的方法。关键词:声疲劳;疲劳寿命;雨流计数法;薄壁结构中图分类号:V215.5;V232.6文献标识码:A????声疲劳是结构在高频低幅值随机载荷下,因结构中快速交变应力的作用而使结构产生声疲劳破坏的现象,这种快速交变应力是因为噪声激励引起结构振动而产生的。随机载荷计数法有十多种,其中最常用的有雨流法、幅度计数法和峰值计数法[2-3][1](3)当雨流遇到来自上面屋顶流下的雨流时,即行停止,取出所有的全循环,并记录下各自的幅值和均值。。航空发动机噪声及相关声疲劳寿命问题属于航空结构动强度分析和寿命预测中的学科前沿问题。本文通过雨流计数法对某航空薄壁柱壳结构进行疲劳寿命估算,其结果将对我国航空发动机结构完整性设计、提高结构动强度和使用寿命提供重要参考依据。1??雨流计数法基本原理雨流计数法是以双参数法为基础的一种计数法,考虑了动强度(幅值)和静强度(均值)两个变量,符合疲劳载荷固有的特性,其主要功能是把实测载荷历程简化为若干个载荷循环,供疲劳寿命估算和编制疲劳试验载荷谱使用[4]。图1??雨流计数法计数原理常用的雨流计数法的计数规则为:(1)重新安排应力-时间历程,以最高峰值或最低谷值(视两者的绝对值哪一个更大)为起点。(2)雨流依次从每个峰(或谷)的内侧向下流,在下一个峰(或谷)处落下,直到对面有一个比起点更高的峰值(或更低的谷值)停止。收稿日期:基金项目:航空基础科学基金(项目编号02C54007)作者简介:郭小鹏(1982-),男,河北张家口人,在读研究生,主要研究方向:航空发动机强度振动及噪声,E-mai:lguoxiaopeng312@163.(),男,,雨流计数法的基本原理如图1所示,第一个雨流自0点处第一个谷的内侧流下,从1点落至1??后流至5,然后下落。第二个雨流从峰1点内侧流至2点落下,由于1点的峰值低于5点的峰值,故停止。第三个雨流自谷2点的内侧流到3,自3点落下至3??,流到1??处碰上上面屋顶流下的雨流而停止。如此下去,可以得到如下的计数循环块:3-4-3??、1-2-1??、6-7-6??、8-9-8??、11-12-11、13-14-13??和12-15-12??。2??雨流计数法在程序中具体实现过程第2期????????????????????郭小鹏等:基于雨流计数法的随机疲劳寿命估算方法研究??????????????????????11??数据压缩就是把原始的计算数据处理成便于计取循环数的数组。为避免在峰谷值提取时产生影响,应先将相邻的等值数压缩(即把相同数值的保留一个),然后再提取峰谷值。如图2所示,当遇到相等数时,取的是其中的第一个数值,其余的点则不予考虑。在峰谷值检测时,如图3所示,若为真值时就说明该点同时大于(小于)两边的数字,则可知该点就是峰(谷)值。否则,则认为该点不是峰值也不是谷值,可以不予考虑。循环,并记录其特性值,如峰值、谷值、幅值以及均值等。如图4所示,在数组中能提取出循环的形式有两种,若满a大于等于b并且b小于c时就可以认为提取一个循环(图中构成三角形的部分),同时去除e(i)和e(i+1)两点。这样对这个数组反复判断就可以取出所有的循环和记录所剩的各点。这种判断适用于四个点组成的各种情形,提取循环的流程图参见图5所示。(2)对接一次雨流计数剩下的点构成的波形是一个标准的发散收敛型波形,如图6所示。这时按雨流计数法则无法再形成整循环,只能将其在绝对值最大的点处截开再进行首尾对接。(3)二次雨流计数二次雨流计数是将完成对接的波形继续提取循环直到剩下三个点(即是数组中最值构成的整循环)为止,程序中实现也很简单,只需将对接完成的数组放入一次雨流计数中就行了。(4)应力谱雨流计数的结果可以用一张均、幅值矩阵来2.2??循环块的提取(1)一次雨流计数12??????????????????????????????????????沈阳航空工业学院学报????????????????????????????????第26卷4??应用实例4.1??声激励载荷有限带宽高斯白噪声在其频带宽度范围内,各频率分量是均匀分布的。薄壁柱壳结构在有限带宽高斯白噪声载荷作用下的响应更能反映出结构声疲劳问题的本质,同时还可以比较同一结构相同频带宽度范围内不同声压级噪声作用下的响应问题。图6??发散-收敛波????????Gp(f)=4/??f#1010(4)式中:Gp(f)表示有限带宽高斯白噪声功率谱密度;SPL表示带宽声压级;??f表示频带宽度。取频带宽度为0-1024Hz,频率分辨率为8Hz,根据公式4计算带宽声压级分别为120dB、140dB、160dB的有限带宽高斯白噪声功率谱密度,数据如表1所示。表1??有限带宽高斯白噪声率谱密度带宽声压级(dB)功率谱密度(Pa2/Hz)14039.371603937(-10)表示,这就是载荷谱[5]。对薄壁柱壳构件的三个测点测得的应力时间历程结果进行雨流计数,将得到的计数结果填入载荷谱表,就可以得到应力谱。3??Miner线性累计损伤理论Miner线性累积损伤理论是工程上广泛采用的一种疲劳寿命计算方法[5]。如果是单级加载,循环比等于l时即出现破坏。如果是多级加载,总损伤等于各循环比(或损伤比)的总和,且当循环比总和等于1时发生破坏。在多个应力水平及随机载荷作用下的损伤计算公式????????D=4.2??算例分析以开孔圆柱壳为算例模型,如图7所示。通过Ansys有限元软件的计算,获得薄壁柱壳上三个测点的应力-时间历程。节点A(自由边上)、B(周向中点)和C(固定端)三点分别在噪声载荷120dB、140dB、160dB下应力均方值分别如表2、表3和表4所示。对比三张表可知在开孔边处的应力值是所有应力之中最大的,这说明孔边容易出现应力集中;同样说明了声压级每增加20dB,结构的均方应力值相应增加约两个数量级。 Mni=1j=1nijNij(1)式中:nij表示构件在第i级应力幅值和j应力均值载荷下的工作循环次数由前面提取出的均值、幅值载荷谱得到;Nij表示在存活率为p第i级应力幅值和j应力均值载荷下构件的疲劳寿命值,数据来源于S-N曲线。根据Miner线性疲劳累积损伤理论的破坏准则:????????NTD=1式中:NT!!!所测得的载荷谱作用的次数。根据式(2),可求得薄壳的寿命????T=NT???t=???tD(3)(2)式中:??t!!!所测得的载荷谱作用的时间。根据式3,再加上所需的材料性能S-N曲线,就可以进行疲劳寿命的估算了[7]图7??开孔圆柱壳节位置示意图。应用线性节点B在120dB、140dB、160dB下的应力响应功率谱密度如图8所示。结合模态频率值,从应力频谱图中发现,在中低频带内有多个模态被激起了响应峰值,声压级每增加20dB,应力功率谱密度就增加的两个数量级,这与前面均方应力累积损伤理论来计算疲劳寿命时,主要是将载荷谱中各级载荷循环作用的顺序和次数用雨流计数法筛选出来,各级载荷之间的迟滞效应则不予考????通过开孔圆柱壳疲劳寿命估算值可知在同一应力水平下,节点A、B和C的寿命估算值排列顺序从大到小依次是:C、A、B。即自由端的疲劳寿命最长,固定端次之,周向中点的疲劳寿命最短。并且声压级每增大10dB寿命值就降低约一个数量级。5??结论(1)本文论述了雨流计数法基本原理和计数规则,雨流法可有效地进行数据压缩,加快疲劳寿图8??节点B处的VonMises应力相应增加的数量级是一致的。在获得应力-时间历程的前提下,应用雨流计数法计数,结合S-N曲线和疲劳累积损伤理论分别在噪声载荷120dB、140dB、160dB下对点A、点B和点C进行疲劳寿命寿命估算,其结果如表5所示。表2??声压级120dB时圆柱壳结构应力均方值(Pa2)节点节点号位置AB自由边孔边~2??x~2??y~2??xy~2??von命估算速度,从而更好地实现构件的疲劳寿命预测的实时性,它的计数结果具有较高的准确性,由此进行的疲劳寿命计数比较接近实际;(2)通过开孔圆柱壳算例可知雨流计数法估算疲劳寿命方法是可行的,其结果对于航空航天飞行器疲劳寿命估算具有重要的理论价值和工程应用价值;(3)该方法对航空发动机燃烧室火焰筒结构完整性设计、提高结构使用寿命具有一定的工程应用价值。参考文献:[1]金奕山,李琳.关于航空发动机结构声疲劳寿命估算方法的探讨[J].航空动力学报,):374-377??[2]姚卫星.结构振动疲劳寿命估算方法研究[D].南京:南京航空航天大学,2005??[3]阎楚良,王公权.峰值计数法疲劳载荷谱的编制与统计处理程序[J].农业机械学报,):51-57??[4]王宏伟,刑波,骆红云.雨流计数法及其在疲劳寿命估算中的应用[J].矿山机械,):95-97??[5]刘惟信.机械可靠性设计[M].北京:清华大学出版社,2006??[6]A.Fatern,iL.Yang.Cumulativefatiguedamageandlifepredic??tiontheories:asurveyofthestateoftheartforhomogeneousma??terials[J].Internationaljournaloffatigue,-34??[7]王东锋,汪定江,王新坤.构件安全疲劳寿命估算中的p-S-N曲线修正[A].第二届中国航空学会青年科技论坛文集[C],2006??[8]张军,沙云东,倪绍华??基于功率谱密度的结构声疲劳寿命估算方法研究[J]??沈阳航空工业学院学报,):11-14??105.597#104.628#101.962#104.174#C固支边3.235#6.234#2表3??声压级140dB时圆柱壳结构应力均方值(Pa)节点节点号位置AB~2??x~2??y~2??xy~2??von自由边5.598#1011孔边1.376#10124.628#124.949#10111.962#126.234#10104.174#125.886#10112C固支边3.235#1010表4??声压级160dB时圆柱壳结构应力均方值(Pa)节点节点号位置AB~2??x~2??y~2??xy~2??von自由边5.598#1013孔边1.376#10144.628#144.949#10131.962#146.234#10124.174#145.886#1013C固支边3.235#1012表5??开孔圆柱壳疲劳寿命估算值声压级dB120dB140dB160dBA点处寿命/cycle7.81#.25#1086B点处寿命/cycle4.43#.45#1075C点处寿命/cycle4.21#8(下转第9页)7.47#106能低估了接触刚度的值,如果总体的收敛困难是由于不平衡力和位移增量达到收敛值需要过多的迭代次数,而不是由于过大的渗透量,那么接触刚度的值可能被高估;(3)按需要调查接触刚度值,重新分析,直至结果达到要求的收敛精度。参考文献:[1]G.M.L.Gladwel,l经典弹性问题理论中的接触问题[M].北京:北京理工大学出版社.:118-155.[2]曹磊,高德平,江和甫.弹性环式挤压油膜阻尼器设计因素研究[J].燃气涡轮试验与研究,):1-5.[3]周明,李其汉,晏砺堂.弹性环式挤压油膜阻尼器减振机理研究[J].北京航空航天大学学报,):1-5.[4]白润波,曹平周,曹茂森,陈建锋.基于优化-反分析法的接触刚度因子的确定[J].建筑科学,):46-47.[5]F.J.Liu,Analysisfailureonattenuatingvibrationofsqueezefilmdamper[J],JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics.):259-300[6]T.B.Yu,Z.Jiang,Y.D.Gong,eta,lExperimentofsqueezefilmdamperfordeepholemachining[J]??JournalofNortheasternuniversity(NaturalScience),):577-580.[7]娄小宝,沙云东,苏春峰??航空发动机燃烧室噪声产生机理及其主要影响因素[J]??沈阳航空工业学院学报,):28-31??[8]王英,沙云东??航空发动机故障诊断技术综述[J]??沈阳航空工业学院学报,):11-14??Studyoncontactstiffnessfactorselectionmethodincontactnon-linearsimulationSUChun-feng??AIYan-ting??LOUXiao-bao(ShenyangInstituteofAeronauticalEngineering,LiaoningKeyLaboratoryofDigitalProcessandTesting,Lia??oningShenyang110136)Abstract:Itisdifficultandcrucialtogetthecontactstiffnessvalueincontactanalysis.And,thereisnosatis??factoryselectingmethodforcontactstiffnessselectionatpresen.tThefiniteelementsoftwareANSYSisusedtoanalyzetheoreticallyelasticringsqueezeoilfilmdamper(SFD)contactbehavior,includingitscontactdynam??ics、conditionsandparameters,especiallythecontactstiffnessfactorsselection.Thecorrespondingcalcula??tionresultsofdifferentcontactstiffnessvaluesarelistedandtheconvergenceisanalyzed,andthenumericalrecursivemethodofcontactstiffnessfactorisputforward.WhichcanbeappliedtotheFEcalculationofsimi??larcontactcase.Keywords:numericalrecursivemethod(上接第13页)Randomfatiguelifeestimationbasedonrain-flowcountingmethodGUOXiao-peng??SHAYun-dong??ZHANG-jun(AircraftPowerandEnergyCollege,ShenyangInstituteofAeronauticalEngineering,LiaoningShenyang110136)Abstract:Interviewofairplanestructuresoundfatiguefailurequestion,basedontheprincipleandregulationofrain-flowcountingmethod,thispaperestablishesanelaboratedprogrammewithmatlab,takeacertainairofthin-walledcylindricalshellstructureasanexample,estimatingthefatiguelifebyloadingspectrumandS-Ncurveanalysing.Theresultsprovethatthemethodhasasuperiorskillforfatiguelifeestimating.Keywords:rain-flowcountingmethod包含各类专业文献、专业论文、文学作品欣赏、中学教育、生活休闲娱乐、应用写作文书、58基于雨流计数法的随机声疲劳寿命估算方法研究等内容。
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官方公共微信改进的雨流计数法应用于随机载荷下的寿命预测--《鞍钢技术》2000年05期
改进的雨流计数法应用于随机载荷下的寿命预测
【摘要】：在传统的雨流计数法基础上 ,将四峰谷计数原则改为三峰谷计数原则 ,简化了应用计算机的技术条件 ,可用来计算复杂载荷下疲劳裂纹的形成寿命 ,使此类问题的电算化成为可能。
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：TG113.25【正文快照】：
近年来的研究表明,金属构件的疲劳是由于金属内部局部应力集中区域内产生循环塑性应变所造成的,而载荷时间历程是复杂的,是随机变化的,因此要合理地预测构件的疲劳寿命,尤其是应用局部应变法预测构件疲劳裂纹形成寿命,必须对载荷时间历程或局部应力、应变历程进行统计处理—
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