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工程机械金属结构系统疲劳可靠性分析研究

靳慧  
【摘要】: 对于那些长期经受交变载荷作用的机械零件和工程构件,疲劳破坏是一种主要的破坏模式。疲劳学无论从工程上还是从理论意义上都是一门重要学科。用确定性的方法进行疲劳分析时,所得的疲劳寿命都是一个确定的值。但是,结构的疲劳又是一个受到大量不确定因素影响的极其复杂的现象,因此,根据结构可靠性理论,从概率和统计的角度对结构进行疲劳可靠性分析是十分必要的。这是结构在疲劳方面安全性评估的一种科学合理的新方法。 本文以工程机械金属结构为对象,探讨了疲劳载荷下的随机结构分析、随机有限元计算构件疲劳可靠度的方法、随机疲劳累积损伤理论、系统疲劳可靠性分析。主要工作有: 1.探讨了应变疲劳的局部应力应变的随机性分析,提出了近似的多项式拟合法。近似的多项式拟合法在诺伯法的基础上,将循环应力应变曲线和诺伯双曲线视为概率曲线,通过建立近似多项式的方法,求得局部应力应变的统计特性,快速简便,适合工程应用。 2.推导了交变载荷下弹塑性随机有限元法迭代格式。交变载荷下Taylor展开弹塑性随机有限元可精确计算局部多轴应力应变的随机响应。在迭代格式中,针对复杂的交变载荷,采用运动强化模型,反映了塑性变形引起的各向异性和包辛格效应,运用Jhansale模型描述材料的瞬态应力应变关系。弹塑性随机有限元分析,克服了以往近似方法只能计算单轴局部应力应变响应的缺陷,为多轴疲劳分析建立了基础。 3.探讨了随机有限元可靠度法在分析构件疲劳可靠性时的应用,推导和处理了构件疲劳可靠性分析时功能函数的建立和求偏导问题,提出了直接SFEM可靠度法,偏导SFEM可靠度法。直接SFEM可靠度法求解构件疲劳可靠度,可直接利用SFEM分析的结果,原理简单,计算简便,可运用各种SFEM方法。但要求已知名义应力的概率密度分布形式,否则只是一种粗略估计。偏导SFEM可靠度法求解构件疲劳可靠度,可靠度计算精度得到改善,通过有限元求偏导,结合数值微分技术,推导出了功能函数的偏导迭代格式,只需一次形成和分解总纲,计算较简便,适合工程应用。 4.对三种改进的Miner准则从模型的建立原理和适用性方面进行的分析,并用一级等幅疲劳载荷对其进行了验证,论证了改进的Miner准则中随机Miner准则的合理性。建立了疲劳寿命计算的近似方法,通过建立疲劳寿 第n页西南交通大学博士研究生学位论文 命的一阶近似多项式,获得了疲劳寿命的均值和方差,如果已知疲劳寿命的 概率分布形式,可进行任意寿命下的疲劳可靠性分析。 5.将焊接结构视为一个系统,识别了系统的主要疲劳失效模式,并计算 了系统综合疲劳失效概率。识别主要失效模式首先是要正确地实现结构失效 状态的转移,也就是结构在失效前后力学模型的变化。本文根据焊接结构的 特点,建立了实现焊缝裂纹起裂后结构状态转移的间隙元法。运用全局疲劳 寿命分枝一约界法识别随机结构的失效模式。分析了100t一22m龙门起重机主 梁焊接结构,找到最可能发生的8条焊缝裂纹,并计算了系统综合疲劳失效 概率。


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