[发明专利]一种考虑带宽影响的多轴随机振动寿命预测方法

说明书

本发明公开了一种考虑带宽影响的多轴随机振动寿命预测方法，涉及到宽带随机振动试验的数据采集、处理及寿命计算，属于材料在随机振动载荷下的疲劳性能领域。本发明修正了频域等效von Mises应力法在宽带情况下的误差，通过添加带宽影响因子提出了改进的von Mises等效准则，来更好地估算在宽带情况下的损伤，使铝合金在宽带多轴振动下疲劳寿命预测更加准确。

技术领域

本发明应用于频域下宽带多轴随机振动疲劳寿命预测领域，特指一种考虑带宽影响的多轴随机振动疲劳寿命预测方法。

背景技术

伴随着材料领域的快速发展以及工程应用上提出的严苛要求，对机械强度耐久性设计也提出了更高的要求。一方面，无论是船舶、重型机械或是近来备受关注的高超音速飞行器，都要求很多构件的疲劳寿命在10⁷以上，使用传统的时域方法，将带来超长的设计、试验、测试时间投入，显然过于耗费时间成本；另一方面，时域方法是在得知整个载荷谱的基础上，对整个载荷历程进行循环雨流计数，进而进行损伤计算，工作量较大。因此，频域方法应运而生。频域法是通过结构危险点响应的应力功率谱密度(PSD)，用统计原理获得相应功率谱的相关统计参数，结合应力幅值的概率密度函数，选取适用的损伤累计准则及破坏判据，进行疲劳寿命预估。该方法较时域法需要的数据样本小，数据处理量少，在工程中实用性更广。

同时，许多结构在其工作年限内，承受的不仅仅是单方向的载荷，由于外界环境的随机性和复杂性以及加载历史的多样性，导致其承受的更多的是多轴载荷的作用，所以研究多轴应力状态下的疲劳寿命预测方法更加具有意义。

发明内容

本发明目的在于基于符合真实多轴随机振动工况下，提出频域下的考虑带宽影响的多轴随机振动疲劳寿命的预测方法，提高频域方法预测疲劳寿命的准确性。频域等效vonMises应力法将多个方向的功率谱密度等效为等效功率谱密度函数，这种方法对窄带情况下的预测结果较好，但是对宽带情况下的预测结果偏小。因此通过添加带宽影响因子m修正von Mises等效准则，来更好地估算宽带情况下的损伤，使等效von Mises应力法对铝合金的宽带多轴随机振动疲劳寿命预测更加准确。

本发明提供的考虑带宽影响的多轴随机振动疲劳寿命预测方法，其步骤为：

(1)对试件进行多轴随机振动试验，多轴试件为对称设计，在危险点粘贴应变花，得到三个方向的应变数据；

(2)利用应变花测得的3个方向的线应变ε_a1，ε_a2，ε_a3求出实际应变ε_x，ε_y，γ_xy，具体公式为：

式中a1，a2，a3为测量角度；

(3)应力响应信号功率谱的获取，取其中一段时间的应变时域数据，将其转化为应力时域数据x(t)，对其取自相关函数，然后对自相关函数进行连续傅里叶变换即可得到双边功率谱密度，由于考虑频率无负数，将负频率功率谱密度折合到正频率，即可得到应力响应的单边功率谱密度，其中自相关函数R_x(τ)，双边功率谱密度S_x(ω)和单边功率谱密度函数G_x(ω)表达式分别为：

式中，ω表示频率，t表示时间，τ表示间隔时间；

(4)应力响应信号互功率谱的获取：取两方向响应应力的互相关函数，然后对互相关函数进行连续傅里叶变换即可得到双边功率谱密度，然后再转化成单边功率谱密度，互相关函数表达式为：