随机载荷下疲劳寿命的估算

复杂随机载荷下疲劳寿命的评估，一直是工程上所关心的问题之一。在设计阶段，通常难以确定详细的应力历程，因而也无从进行循环计数和累计损伤。本文基于传统的疲劳设计思想和概率分析方法，综合考虑平均应力的影响和疲劳寿命固有的分散性，研究了宽带随机载荷作用下疲劳寿命的估算问题     

一种旋转设备疲劳寿命预测的新方法

疲劳损伤累积模型是预测机械零部件疲劳寿命的基础。针对大多数损伤累积模型忽略了多级载荷历史效应及载荷次序效应对损伤累积的影响,提出了一种基于S-N曲线及Miner理论的非线性疲劳损伤累积模型。该模型考虑了载荷历史效应与载荷次序效应对机械零部件疲劳寿命的影响,克服了线性疲劳损伤累积模型的不足。将该模型与线性疲劳损伤累积模型预测结果进行对比,表明该模型对机械零部件疲劳寿命预测结果更加精确和可靠。     

估算承受随机载荷构件疲劳寿命的一种新方法

提出一个以材料的随机载荷“统计特征参量——疲劳寿命”曲线作为材料基本疲劳特性来估算构件在随机载荷作用下的疲劳寿命的方法。以试件在非等幅载荷作用下所产生应力的均方差σ(r·m·s)作为试件所受随机载荷的统计特征参量。首先由实验测得材料的σ(r·m·s)—N曲线,然后以此曲线代替常规的S—N曲线作为材料的基本疲劳特性,用以估算承受随机载荷构件的疲劳寿命。实验结果表明,该方法比通常以S—N曲线为材料的基本疲劳特性的估算方法更接近实际。     

随机疲劳寿命估算中的损伤模型

在实验研究和理论分析基础上对国內外文献中建议的十种典型疲劳损伤计算模型进行了研究,并将其应用于随机载荷下缺口件的疲劳裂纹形成寿命估算。通过估算寿命与试验寿命的比较,依据疲劳断裂理论评述了这些损伤模型的优劣。最后为工程疲劳寿命估算方法推荐了一些较符合实际的损伤计算模型。     

载荷相互作用效应的非线性累积损伤模型

在变幅载荷作用下,载荷的加载顺序及载荷间的相互作用效应将会影响结构的寿命.通过前后两级载荷应力比的平方来表现损伤演化过程中载荷相互作用效应的影响,将其引入叶笃毅模型,改进了后一级载荷的损伤演化方程,建立了剩余疲劳寿命预测的改进模型.通过两种材料的试验数据对比,验证了改进模型在两级载荷加载下的有效性.     

服从正态分布随机载荷作用下齿轮弯曲疲劳试验研究

根据齿轮传动过程中普遍承受的高斯分布载荷谱,编制了试验用随机变幅疲劳载荷谱,在MTS电液伺服疲劳试验机上利用成组试验方法完成了该随机载荷作用下全寿命齿轮弯曲疲劳试验,得到了特定变差系数高斯分布载荷谱下齿轮弯曲强度的R-S-N曲线。试验结果证明,随机变幅疲劳试验得出的轮齿疲劳寿命低于由疲劳载荷上限值取为载荷谱均值的恒载荷疲劳试验得出的疲劳寿命,因此,如果采用后者的试验结果去估算实际服役中的齿轮的弯曲疲劳寿命是非常危险的。对随机载荷下的齿轮设计的疲劳极限的理论值进行了预测,并与试验结果进行了比较。结果表明,理论分析结果与试验结果基本相符。     

基于低载强化特性的疲劳寿命估计方法

准确地估计疲劳寿命对于汽车零部件的可靠性和轻量化设计具有重要的作用。但由于现有疲劳寿命估计方法认为载荷仅对零件造成损伤,导致工作载荷下基于传统疲劳寿命预估方法得到的疲劳寿命较为保守。大量研究结果表明,疲劳极限以下载荷对零件疲劳强度的强化作用。以碳钢低载强化特性为基础,基于Miner准则,提出一种考虑低载强化效果的简化的疲劳寿命预估方法。该方法将疲劳寿命预估分成两个阶段,在不同的阶段分别考虑低幅载荷的强化和损伤。通过对强化效果与强化载荷和强化次数的关系进行线性简化,简化了疲劳寿命的计算过程。以轿车扭杆梁后桥为对象,通过采集试车场道路下的工作载荷,利用该方法和Miner准则对后桥进行疲劳寿命估计,并通过道路载荷模拟技术对后桥进行试验验证。结果表明,该方法具有较高的精度。     

基于非线性累积损伤的随机振动疲劳寿命分析

预测承受随机载荷结构件的疲劳寿命是一个复杂的问题,应用Miner线性损伤准则经常会得出偏于冒险的寿命预测。非线性累积损伤理论考虑了加载顺序对疲劳寿命的影响,精度更高,但计算繁琐,且未能用于频域寿命计算。文中给出了一种基于非线性累积损伤的随机振动疲劳寿命分析方法,该方法将频域疲劳寿命的预估结果平分为若干段,考虑顺序效应对每一段结果进行修正并叠加,得到修正的振动疲劳寿命结果,通过简单试验件试验验证了该方法的准确性,对于某加筋板结构在动力学准确建模、多轴应力等效的基础上进行寿命估算,结果证明了方法的有效性和工程可用性。     

一种新的随机多轴疲劳寿命预测方法

提出一种多轴随机载荷下的疲劳寿命预测方法。该法首先基于von Mises等效应变和等效应力概念、符号修正公式以及传统的单轴雨流计数法,提出一种多轴随机载荷下的循环计数方法。此法主要针对多轴随机载荷下vonMises等效应变和等效应力历程中的符号丢失问题,建议采用一种符号公式来加以修正,以便于结合单轴雨流计数法对修正后的von Mises等效应变历程进行较为精准地循环计数,从而不仅有利后续疲劳损伤的正确估算,还可使单轴循环计数法能有效地应用于多轴载荷—时间历程。然后分析von Mises等效应变循环内的应变状态,并定义该循环内的临界平面和构造损伤参量的基本参数。最后,将提出的计数方法结合几种常见的临界面多轴疲劳损伤模型以及线性损伤定律,对随机拉—扭加载下的En15R钢薄壁管疲劳试件进行寿命预测验证,预测结果与试验结果吻合较好。     

随机载荷下疲劳寿命估算的简便方法

针对工程实际中复杂随机载荷下疲劳寿命较难估算的情况，将载荷谱近似处理及利用剩余疲劳强度的概念。分别对窄带随机载荷以及缺乏工作载荷谱下的随机载荷的疲劳寿命进行了估算，方法简便，具有较强的工程实用性。     

Mechatronic modeling of a 750 kW fixed-speed wind energy conversion system using the Bond Graph Approach

In this paper, we would like to focus on modeling main parts of the wind turbines (blades, gearbox, tower, generator and pitching system) from a mechatronics viewpoint using the Bond-Graph Approach (BGA). Then, these parts are combined together in order to simulate the complete system. Moreover, the real dynamic behavior of the wind turbine is taken into account and with the new model; final load simulation is more realistic offering benefits and reliable system performance. This model can be used to develop control algorithms to reduce fatigue loads and enhance power production. Different simulations are carried-out in order to validate the proposed wind turbine model, using real data provided in the open literature (blade profile and gearbox parameters for a 750 kW wind turbine).     

动态气动载荷和构件振动对风力机气弹特性的影响分析

通过建立气弹耦合分析模型,研究叶片、塔架等构件的耦合振动对叶根气弹载荷的影响以及在静、动态气动模型下的叶根和塔底气弹载荷的差异。采用"超级单元"模型,将叶片、塔架和主轴离散为通过转动铰和弹簧、阻尼器连接的刚体系统,以反映这类构件较大的弹性变形和非线性振动。在叶素动量理论(Blade element momentum,BEM)基础上,引入Beddoes-Lesihman动态失速模型,以反映气动载荷的动态特性。应用计算多体动力学理论和风力机气动模型,建立受约束的风力机系统气弹耦合方程。算例以某5 MW风力机为研究对象,通过施加不同的约束条件,研究风轮以外其他构件振动对叶根气弹载荷的影响;通过静、动态气动分析模型,考察叶根和塔底气弹载荷的动态耦合效应。分析表明,塔架、主轴等构件的运动会显著影响叶根的气弹载荷;叶片的动态失速特性也对叶根的气弹载荷和疲劳载荷谱有较明显的影响。研究工作对于保证风力机安全稳定运行和疲劳寿命设计有重要的作用。     

A new fatigue life prediction method based on nonlinear fatigue cumulative damage generalized expression

Ye’s nonlinear cumulative damage model has been widely used in engineering because of its simple mathematical form and clear physical meaning. However, it does not consider the interaction between two different loads, so its prediction accuracy has large room for improvement. In this paper, the k-th power of load ratio is introduced into Ye’s model to reflect the influence of the interaction between two different loads on fatigue damage during the damage evolution process, and a generalized expression of the model is obtained. Based on this generalized expression, a new fatigue life prediction method is proposed. The proposed method is validated by comparison with existing versions based on the experimental data of typical engineering materials under two-level and multilevel loads. The results show that the prediction method proposed here can well reflect the load interaction effect, and compared with other models, this method has a more accurate prediction effect on the fatigue life of four materials.

     

水平轴风电机组轮毂疲劳损伤计算方法

结合有限单元法和雨流计数法,利用名义应力法开发了一种用于水平轴风电机组轮毂疲劳损伤计算的方法.以某2.0MW水平轴风电机组轮毂为算例,分析了轮毂疲劳载荷产生的原因,在计算风电机组轮毂时序疲劳载荷的基础上,通过使用有限元分析选取轮毂疲劳热点,对轮毂疲劳应力进行雨流计数统计,结合轮毂结构S-N曲线计算了轮毂在20年运行寿命...     

兆瓦级风机偏航系统仿真分析与优化

偏航控制系统的作用就是保持机舱与风向一致,使风力发电机尽可能多地获取风能。针对风向的频繁变化,编写了一种自动偏航控制程序。在此基础上,对兆瓦级玻璃钢风力机叶片在风力、重力和离心力的耦合作用下的静力学进行仿真分析。通过对叶片额定风况下的静力学分析,不仅检验了叶片正常运行时的安全性,而且为后续的疲劳寿命分析提供疲劳载荷依据。根据Miner线性累积损伤法则的玻璃钢叶片疲劳寿命估计方法,实现对风机叶片疲劳寿命的计算。以仿真结果为依据,进行铺层优化设计,降低了叶片应力,提高了使用寿命。     

风力发电机叶片损伤演化预测方法研究

根据风力发电机叶片的实际铺层和使用状况,以刚度退化模型为基础,发展了一个适合于风力发电机叶片的损伤演化模型,模型的基本思路是以单层板的刚度退化规律来预测整个叶片的损伤演化过程.对损伤过程进行了分析,给出了复合材料层合板刚度退化、内部损伤和损伤累积规律.     

某雷达风载下抗倾覆疲劳研究

风载荷是车载微波情报雷达承受的主要载荷,在雷达系统设计时必须考虑风载的影响。雷达工作时会不停地转动,同时承受着随时间变化的动态风载荷,内部会产生动应力,引起疲劳损伤。抗倾覆腿作为主要承力部件,是雷达高应力区域,设计时需考虑抗倾覆腿在风载作用下的疲劳强度。文中通过有限元仿真确定了抗倾覆腿在风载作用下的应力响应,按等比例设计加工了抗倾覆腿试验模型,通过疲劳试验确定了抗倾覆腿的疲劳寿命,为雷达系统设计提供了依据。     

直升机复合材料桨叶的疲劳寿命计算

着重说明直升机复合材料桨叶安全寿命的计算方法。首先分析某型直升机的飞行任务剖面、桨叶载荷谱及材料的疲劳特性,然后利用迈勒线性累积损伤理论计算桨叶的安全疲劳寿命,并分析不同飞行状态及载荷变化对疲劳寿命的影响。计算结果证实直升机复合材料桨叶在正常飞行状态下的无限寿命设计理念。该方法可用于在直升机设计阶段对复合材料构件的疲劳寿命进行评估校核。     

具有自动控制功能的风机叶片疲劳加载基座设计

为了消除MW级风机叶片疲劳加载基座的机械化弊端,设计了一套具有自动控制功能的疲劳加载试验基座。整个基座可分为旋转结构、锁紧结构和动力结构;采用液压马达驱动齿轮传动,实现叶片转动,并通过楔块实现叶片的定位和锁紧,提高了系统自动化程度。最后,采用Solid Works软件对关键部件进行了有限元分析,证明其完全具有疲劳加载试验的能力。