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热声环境下燃烧室结构高频疲劳寿命评估方法

工程力学 2024年

作者：丁勇军陈强王佳良董萼良张大海费庆国北京动力机械研究所高超声速冲压发动机技术重点实验室东南大学机械工程学院东南大学土木工程学院工程力学系高速飞行器结构与热防护教育部重点实验室

针对热声环境下发动机燃烧室结构高频疲劳寿命评估问题开展研究，基于有限元-统计能量混合方法和零阶矩应力谱法、考虑平均应力效应的Dirlik方法，提出了一种综合考虑多重热效应的结构高频疲劳寿命评估方法，进而评估了材料弹性模量、材... 详细信息

针对热声环境下发动机燃烧室结构高频疲劳寿命评估问题开展研究，基于有限元-统计能量混合方法和零阶矩应力谱法、考虑平均应力效应的Dirlik方法，提出了一种综合考虑多重热效应的结构高频疲劳寿命评估方法，进而评估了材料弹性模量、材料S-N曲线、热应力等热效应和噪声载荷对发动机燃烧室结构高频疲劳寿命的影响。研究结果表明：对于本文所研究的发动机燃烧室结构，随着温度升高，材料弹性模量的降低会使结构疲劳寿命升高；材料疲劳性能会变差，使结构疲劳寿命降低；结构热应力会增大，导致结构疲劳寿命降低。材料S-N曲线的变化对结构疲劳寿命影响程度最高，弹性模量的变化次之，热应力变化的影响较小。同时，噪声载荷量级越高，结构疲劳寿命越低。

关键词：疲劳寿命评估热噪声环境发动机燃烧室零阶矩应力谱法统计能量分析

大兆瓦风机主轴法兰螺栓疲劳寿命评估方法研究

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机床与液压 2024年第14期52卷 78-82页

作者：宁文钢王奇姜宏伟王岳峰宁可太原重工股份有限公司技术中心山西太原030024 太原科技大学重型机械教育部工程研究中心山西太原030024

大兆瓦风电机组主轴法兰螺栓连接受到复杂交变载荷的作用,极易产生疲劳破坏。针对此问题,构建法兰螺栓连接有限元数值模型,以法兰界面涂层增摩工艺为背景,分析不同预紧力工况下法兰连接各部件危险部位应力变化规律。通过GH-Bladed结合... 详细信息

大兆瓦风电机组主轴法兰螺栓连接受到复杂交变载荷的作用,极易产生疲劳破坏。针对此问题,构建法兰螺栓连接有限元数值模型,以法兰界面涂层增摩工艺为背景,分析不同预紧力工况下法兰连接各部件危险部位应力变化规律。通过GH-Bladed结合雨流计数法给出螺栓实际载荷数据,根据Eurcode3规范修正材料S-N曲线,使用FE-SAFE得到了不同预紧力下螺栓连接疲劳寿命,明确了法兰界面涂层增摩、预紧力变化对螺栓连接疲劳寿命的影响,提出了基于法兰结构的螺栓疲劳寿命评估方法。结果表明:增大法兰界面的摩擦因数,在850~1100 kN内降低螺栓预紧力有益于改善螺栓连接的疲劳寿命。

关键词：高强度螺栓风电法兰有限元仿真疲劳寿命评估

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基于等效结构应力法的挖掘机工作装置疲劳寿命评估

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华南理工大学学报（自然科学版） 2022年第8期50卷 62-70页

作者：曹蕾蕾王留涛王严郭城臣宋绪丁长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室陕西西安710064

挖掘机工作装置为大型焊接件,因在作业过程中承受各种复杂载荷而易在焊缝处发生疲劳破坏,其疲劳强度直接关系着整机的使用寿命和性能。为了更有效地对焊缝处的疲劳寿命进行评估,文中基于等效结构应力法提出一种挖掘机工作装置焊缝疲劳... 详细信息

挖掘机工作装置为大型焊接件,因在作业过程中承受各种复杂载荷而易在焊缝处发生疲劳破坏,其疲劳强度直接关系着整机的使用寿命和性能。为了更有效地对焊缝处的疲劳寿命进行评估,文中基于等效结构应力法提出一种挖掘机工作装置焊缝疲劳寿命评估方法,即基于焊线上的节点力和节点力矩对网格不敏感的结构应力进行计算,通过把不同接头形式、板厚、加载模式的焊接接头统一起来的主S-N曲线,并结合疲劳累计损伤准则进行疲劳寿命评估。通过建立包括焊缝细节的工作装置动臂、斗杆的有限元模型,利用等效结构应力法对动臂、斗杆上的6条关键焊缝进行疲劳寿命评估,并与疲劳台架试验和其他分析方法进行对比分析。结果表明:采用名义应力法得到的动臂和斗杆的疲劳寿命评估结果与疲劳试验值的偏差分别为9.2%和14.2%,采用热点应力法得到的疲劳寿命评估结果与疲劳试验值的偏差分别为24.4%和23.4%,采用等效结构应力法得到的疲劳寿命评估结果与疲劳试验值的偏差分别为6.6%和9.5%,因此与名义应力法和热点应力法相比,等效结构应力法的评估结果与疲劳试验结果最为接近,名义应力法的评估结果偏于危险,热点应力法的评估结果偏于保守,说明等效结构应力法对于挖掘机工作装置的疲劳寿命评估是十分有效和可靠的。文中方法可为其他焊接结构的疲劳寿命评估提供思路。

关键词：挖掘机工作装置等效结构应力法焊接结构疲劳寿命评估

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CFETR外真空杜瓦结构分析与疲劳寿命评估

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真空科学与技术学报 2023年

作者：李宁杨庆喜宋云涛周才品徐皓陈建陶腊宝陆坤中国科学技术大学等离子体物理研究所核工业西南物理所

外真空杜瓦是中国磁约束核聚变工程实验堆（CFETR）装置主机的外侧大型（直径D=38m，高度H=39.6m）真空容器，旨在为CFETR装置主机内部超导磁体提供稳定运行的高真空环境。外真空杜瓦需要经受100次抽放真空和500次真空室烘烤等运行工况... 详细信息

外真空杜瓦是中国磁约束核聚变工程实验堆（CFETR）装置主机的外侧大型（直径D=38m，高度H=39.6m）真空容器，旨在为CFETR装置主机内部超导磁体提供稳定运行的高真空环境。外真空杜瓦需要经受100次抽放真空和500次真空室烘烤等运行工况。然而，在这些工况下，外真空杜瓦的薄弱部位可能因为热周期性交变载荷（1个大气压和200℃烘烤）而产生疲劳裂纹，导致容器发生裂缝泄漏或损坏而失效。因此，本文利用有限元方法重点分析了在抽放真空循环和真空室烘烤循环运行工况下，外真空杜瓦结构的最大受力位置和危险部位的疲劳仿真。通过分析结果，获得了外真空杜瓦在1个大气压和200℃烘烤带来的热周期性交变载荷下的整体受力分布情况，并评估了外真空杜瓦在疲劳失效后的使用寿命。这些分析结果为核查外真空杜瓦是否满足使用要求以及进行优化提供了理论依据。采用的分析方法也可以起到有益的参考作用，用于分析评价其它同类设备。

关键词： CFETR 外真空杜瓦可控核聚变疲劳寿命评估有限元方法

随机车流荷载作用下桥梁多车道疲劳车辆荷载模型及结构疲劳寿命评估

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随机车流荷载作用下桥梁多车道疲劳车辆荷载模型及结构疲劳寿命评...

作者：胡翠敏广州大学

学位级别：硕士

疲劳是桥梁的一种关键损伤机制,车辆荷载是运营桥梁最主要的外部疲劳荷载,规范以及大量研究主要通过疲劳荷载模型来表征运营车流荷载作用下桥梁受到的疲劳损伤,但是车辆分车道行驶引起的车道荷载显著差异这一问题并未受到关注。此外,目... 详细信息

疲劳是桥梁的一种关键损伤机制,车辆荷载是运营桥梁最主要的外部疲劳荷载,规范以及大量研究主要通过疲劳荷载模型来表征运营车流荷载作用下桥梁受到的疲劳损伤,但是车辆分车道行驶引起的车道荷载显著差异这一问题并未受到关注。此外,目前针对实际车辆荷载长期循环作用下的桥梁损伤累积评估主要采用S-N曲线方法,无法回答桥梁构造细节的疲劳损伤随时间演化特点以及需要如何制定管养对策,需要探索采用断裂力学的疲劳损伤分析方法进行研究。因此,本研究考虑随机车流下的多车道荷载的差异车道分布特性,建立多车道疲劳荷载模型,并使用基于断裂力学的疲劳损伤分析方法评估随机车流荷载作用下桥梁构件的疲劳性能。主要研究内容及成果包含:（1）归纳并推导了基于S-N曲线及断裂力学的疲劳评估方法。首先,系统梳理不同国家规范基于S-N曲线的疲劳评估方法,并比较在同一疲劳细节处不同国家规范以及实际WIM数据的疲劳评估结果;其后,基于断裂力学理论的不同思路分为循环周期方法和时间尺度方法,根据两种方法的理论推导思路开发数值程序,将数值程序预测结果与既有文献算例结果进行比对,以证明数值程序的有效性与准确性。结果表明,不同国家规范对不同细节类别的疲劳强度规定数值不同,对同一疲劳细节处的评估结果存在显著差异性,然而与实际车流的疲劳评估结果比较得出基于规范的结果偏于保守,并且没有考虑车道差异带来的影响。此外,基于断裂力学两种方法预测不同材料下的裂纹增长变化与文献数据进行对比表明,通过自编程序预测结果与文献结果具有非常好的一致性。（2）建立了考虑车道荷载差异性的桥梁多车道疲劳荷载模型。以多组动态称重数据为基础,分析了WIM数据加载下的多车道荷载差异性;并根据多车道荷载差异化分布特征建立由多车道系数和标准疲劳车组成的多车道疲劳荷载模型;最后分别将推荐疲劳荷载模型、中国规范的疲劳荷载模型Ⅱ以及实际车流荷载数据分别加载于同一桥梁工程案例中对比分析模型在多车道不均匀荷载下的桥梁评估结果。结果表明,基于推荐疲劳荷载模型更能显示出车道的荷载差异性,并与实际车流数据的计算结果保持一致,而规范模型偏于保守。（3）基于断裂力学理论分别建立循环周期和时间尺度方法在随机车流荷载作用下的桥梁疲劳评估体系,建立的疲劳评估体系依据参数是否明确包括疲劳寿命评估框架和疲劳可靠性评估框架,并与S-N曲线方法的评估结果比较。以裂纹长度变化的预测结果表明,基于循环周期方法的和时间尺度方法对疲劳裂纹尺寸的预测差距显著,时间尺度方法的裂纹扩展速率和可靠度水平均低于循环周期方法结果,但裂纹沿着时间的变化趋势均相同,即裂纹长度变化曲线呈非线性增加的趋势,同时不同梁构件的裂纹尺寸存在显著的分布差异性。此外,基于S-N曲线方法以及断裂力学方法计算随机车流荷载作用下桥梁各梁构件的疲劳寿命得到外侧慢车道下的梁构件使用100年后已超过临界裂纹尺寸10mm,此时结构已受到破坏,需要对其进行及时的维修加固。

关键词：车道荷载差异疲劳荷载模型 S-N曲线断裂力学理论疲劳寿命评估

斗轮堆取料机臂架金属结构疲劳寿命评估及其可靠性分析

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斗轮堆取料机臂架金属结构疲劳寿命评估及其可靠性分析

作者：封守义吉林大学

学位级别：硕士

近年来,我国国民经济由高速发展阶段迈入高质量发展阶段。这一转变为我国工程机械行业带来更多发展契机的同时,也对我国工程机械行业提出了更高的要求。斗轮堆取料机臂架内部的金属结构是焊接而成的,其内部微小损伤不断累积至危险临界值... 详细信息

近年来,我国国民经济由高速发展阶段迈入高质量发展阶段。这一转变为我国工程机械行业带来更多发展契机的同时,也对我国工程机械行业提出了更高的要求。斗轮堆取料机臂架内部的金属结构是焊接而成的,其内部微小损伤不断累积至危险临界值时,结构会突然断裂,造成严重的安全事故。因此,如何有效地预测评估斗轮堆取料机臂架的寿命,避免由于设备退役年限不合理造成不必要的经济损失,成为研究的重中之重。对斗轮堆取料机臂架的金属结构进行疲劳寿命评估与可靠性分析时,首先需要进行结构危险点的载荷谱编制。本文针对DQL1500/1500·35的整体变幅悬臂式斗轮堆取料机开展研究,根据前人的经验总结确定臂架金属结构的危险点位置,进而通过现场实测获得特定工况时间段内的载荷-时间历程数据。利用自编的雨流计数程序对试验数据完成数据压缩处理,可以得到试验时间内的任意级别二维载荷谱,并完成二维载荷谱的扩展,为疲劳寿命评估及其可靠性分析提供基础数据。针对臂架金属结构为焊接结构这一特点,提出对斗轮堆取料机臂架金属结构进行疲劳寿命评估的步骤及方法。由于金属结构危险点是否存在初始裂纹有不同的寿命评估方法,故而本文重点研究有裂纹金属结构疲劳寿命估算方法。基于断裂力学方法,利用累计损伤理论对斗轮堆取料机臂架金属结构有限疲劳寿命进行计算评估,建立疲劳寿命估算的数学模型,并获取数学模型中的关键参数取值。由于所建立的寿命估算数学模型不能直接应用雨流计数程序得到的数据求得结果,故而采用Miner理论实现对已获取载荷谱的处理,进而完成寿命估算。基于断裂力学和可靠性相关理论,根据臂架金属结构疲劳寿命数学模型,建立其可靠性的安全余量方程,并确定关键参数的取值。由于斗轮堆取料机臂架金属结构疲劳寿命可靠性分析中存在较多未知分布信息的参数和基本变量,且极限状态函数具有高度非线性的特点,本文采用一次二阶矩法得到设计验算点,并以蒙特卡罗法为基础提出重要抽样法进而完成疲劳可靠性分析。

关键词：斗轮堆取料机雨流计数法载荷谱获取疲劳寿命评估疲劳可靠性分析

重载货车-轨道-预应力砼T梁桥耦合振动分析及疲劳寿命评估

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重载货车-轨道-预应力砼T梁桥耦合振动分析及疲劳寿命评估

作者：余炳兴中南大学

学位级别：硕士

重载铁路运输因其运能大、效率高、运输成本低而受到世界各国铁路的广泛重视。预应力混凝土简支T梁桥广泛应用于重载铁路桥梁。此外,随着线路年运量、货车轴重、货车车速的不断提高,货车对桥梁的动力效应日益加剧,桥梁因此而产生的疲劳... 详细信息

重载铁路运输因其运能大、效率高、运输成本低而受到世界各国铁路的广泛重视。预应力混凝土简支T梁桥广泛应用于重载铁路桥梁。此外,随着线路年运量、货车轴重、货车车速的不断提高,货车对桥梁的动力效应日益加剧,桥梁因此而产生的疲劳损伤问题有待深入研究。本文通过多体动力学软件SIMPACK和有限元软件ANSYS建立了车-轨-桥耦合振动分析模型,探究了重载货车下耦合系统的振动响应规律,开展了简支T梁桥的疲劳损伤分析及剩余寿命评估。主要研究内容和结论如下:(1)建立了车-轨-桥耦合系统模型。将货车视为多刚体系统,该系统主要由车体、摇枕、侧架、轮对等刚体以及将上述刚体进行连接的悬挂系统、心盘和旁承装置等连接部件共同组成。将桥梁与轨道视为柔性体结构,分别采用实体单元Solid185、梁单元Beam189来模拟。通过轮轨接触关系和梁轨连接关系实现了货车、轨道、桥梁三者之间的耦合,初步验证了耦合系统模型的正确性;(2)开展了重载货车-轨道-简支T梁桥空间耦合振动分析。以C80重载货车为例,建立了耦合系统动力分析模型,探究了耦合系统振动响应的基本特征,分析了货车编组数量、货车车速、货车载重以及桥梁跨径等因素对耦合系统振动响应的影响规律;(3)探究了不同行车条件下预应力砼T梁桥疲劳性能的变化规律。结果表明,当货车编组数量达到4节及以后时,货车单次过桥引起的桥梁疲劳损伤度基本不再增长,因此在实际线路上应多开行长编组货车;相比于16m、20m、24m跨径的T梁,32m跨径的T梁更有可能发生疲劳失效;桥梁疲劳损伤度与货车车速、货车载重呈正相关;(4)开展了朔黄铁路32m预应力砼简支T梁桥的疲劳寿命评估。统计并预测了朔黄铁路疲劳荷载谱,采用基于S-N曲线和Miner线性累计损伤准则的疲劳寿命评估方法计算了桥梁的剩余使用寿命。结果表明,在列车外荷载单独作用下,桥梁在设计使用年限内不会发生疲劳破坏;图121幅,表39个,参考文献77篇

关键词：重载铁路联合仿真车-轨-桥耦合系统疲劳寿命评估

发射塔架电缆摆杆载荷分析与疲劳寿命评估研究

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发射塔架电缆摆杆载荷分析与疲劳寿命评估研究

作者：王作兵哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

发射塔架电缆摆杆是一个典型的钢结构机械产品,是发射场火箭发射过程中重要的参试地面设备,在临射-1min时打开。为了保证摆杆结构安全,顺利执行每一次发射任务,更准确评估摆杆水平杆疲劳寿命,避免盲目相信摆杆结构安全或频繁更换摆杆造... 详细信息

发射塔架电缆摆杆是一个典型的钢结构机械产品,是发射场火箭发射过程中重要的参试地面设备,在临射-1min时打开。为了保证摆杆结构安全,顺利执行每一次发射任务,更准确评估摆杆水平杆疲劳寿命,避免盲目相信摆杆结构安全或频繁更换摆杆造成资源浪费,给其在发射场的使用、维护乃至报废提供理论依据,本文对此课题进行了研究。本文首先对载荷分析和寿命评估相关理论方法进行了研究,其次对摆杆水平杆承受的载荷进行分类分析,认为摆杆承受的主要载荷为重力、水平风载荷和火箭发射燃气流冲击载荷,然后分别对摆杆水平杆承受的三种载荷进行力学分析与计算,最后分别用传统局部应变法和临界面法评估了摆杆的全局寿命。本文主要开展了以下工作:(1)分析了摆杆分布载荷的类型和特点,使用Auto CAD软件对摆杆水平杆进行建模,提出了静态时摆杆的变形及受力近似为载荷单独作用时的线性叠加,使用Ansys软件对摆杆水平杆进行了均布载荷作用下的仿真计算。使用Ansys软件采用Block Lanczos法对摆杆水平杆进行了模态分析,计算得到模态频率值(前10阶),在实际使用中应避免该频率的载荷激发。(2)对摆杆进行动力学分析,提出了采用高Reynolds数大涡模拟计算摆杆圆柱绕流问题,得到摆杆受水平风载荷冲击的响应;针对普通单机上无法直接完成三维模型的射流仿真计算,提出了采用等效计算模型,对一个火箭发动机喷管建立二维轴对称模型,应用Fluent流体力学软件对火箭起飞时摆杆周围的动态流场分布进行仿真,计算了摆杆水平杆受火箭气流冲击的响应;运用Ansys软件分析摆杆在静态载荷和动态载荷综合作用下的受力情况,找出最大应力应变部位,在多次发射后,最大应力应变附近区域可能最先发生疲劳损伤导致的结构失效。(3)研究疲劳相关理论和寿命分析方法,综合分析摆杆的载荷情况,摆杆的寿命由于火箭燃气流冲击造成摆杆发生的应力和应变都很大,摆杆局部已经进入塑性变形区,研判摆杆的载荷疲劳为低周疲劳,摆杆结构每次承受火箭尾焰冲击的最大载荷是等幅载荷,先是采用局部应力-应变法针对电缆摆杆水平杆在重力、风载荷和燃气流冲击载荷等循环载荷作用下的全局寿命进行预测,然后针对缺乏摆杆结构的剪切材料常数的情况,提出分别采用完全的弹塑性分析和弹性缺口假设对摆杆结构进行疲劳寿命分析,使用Comsol Multiphysics软件按照20#钢材质的相关参数计算得到摆杆的寿命为60次。与局部应力-应变法相比,临界面法的计算结果更接近摆杆真实使用寿命,更适合用于此类摆杆结构低周疲劳寿命的分析。

关键词：电缆摆杆射流冲击载荷疲劳寿命评估局部应力-应变法临界面法

镁铝合金疲劳寿命评估方法研究及其在轨道车辆车体的应用

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镁铝合金疲劳寿命评估方法研究及其在轨道车辆车体的应用

作者：温珈毅大连交通大学

学位级别：硕士

镁铝合金是现今最轻的金属材料之一,已经在众多领域中作为轻量化材料参与到产品的设计之中。在轨道车辆轻量化设计中采用镁铝合金可以显著减少车体质量、提高列车运行速度、减轻运营能源消耗。在镁铝合金应用于轨道车辆后,因镁铝合金焊... 详细信息

镁铝合金是现今最轻的金属材料之一,已经在众多领域中作为轻量化材料参与到产品的设计之中。在轨道车辆轻量化设计中采用镁铝合金可以显著减少车体质量、提高列车运行速度、减轻运营能源消耗。在镁铝合金应用于轨道车辆后,因镁铝合金焊接结构的抗疲劳性能与现阶段常用金属材料不同,而当前针对镁铝合金疲劳强度评估方法研究,以及将镁铝合金应用于轨道车辆车体主体结构的研究较少,无法对镁铝合金广泛应用到轨道车辆起到指导作用。本文以某轨道车辆车体为研究对象,采用理论计算、弹性力学解析、数值模拟相结合的方式,研究镁铝合金焊接结构疲劳寿命评估方法,分析镁铝合金应用于轨道车辆车体后结构的静强度、刚度和疲劳强度,主要研究成果如下:考虑焊缝与母材疲劳强度的差异,对比分析焊缝处的各种类型工作应力的应用范围、计算难度和计算准确性等方面,得出名义应力和等效结构应力是适用于镁铝合金焊接结构疲劳寿命评估的工作应力。在名义应力和等效结构应力评估焊接结构疲劳强度方法的基础上,结合相应的IIW标准和ASME标准中对接头试件疲劳试验数据的拟合规范,对镁铝合金典型焊接接头的疲劳试验数据进行抗疲劳S-N曲线拟合,得出镁铝合金焊接接头的FAT值和镁铝合金焊接接头的主S-N曲线参数,提出基于名义应力和等效结构应力的镁铝合金疲劳强度评估方法。根据弹性力学理论,计算镁铝合金应用于轨道车辆车体轻量化设计后的车体各项参数指标。基于有限元仿真理论,建立以镁铝合金为主体的车体有限元模型。并根据车体强度设计标准,选取具有代表性的静强度、刚度和疲劳强度评估工况,对车体进行强度数值模拟。分析车体静强度、刚度和疲劳强度,其中疲劳强度分别采用名义应力和等效结构应力对车体焊接结构进行疲劳强度评估。将车体计算结果与采用铝合金的车体计算结果进行比较,分析应用镁铝合金后车体各项强度的变化,得出现阶段镁铝合金应用于车体的优劣势。

关键词：强度评估疲劳寿命评估镁铝合金焊接接头车体轻量化设计