一种含不确定性金属结构声振疲劳寿命的估算方法

摘要

本发明公开了一种含不确定性金属结构声振疲劳寿命的估算方法。该方法首先建立金属结构的有限元分析模型，考虑有限样本条件下材料与结构特性参数的不确定性效应，基于频率响分析理论得到系统的传递函数；然后根据随机噪声载荷的特点，针对典型宽带平稳各态历经的随机噪声载荷，用平方和开方(SRSS)方法得到各个关键结点位移、应力的均方根响应与应力功率谱密度函数(PSD)，再结合Dirlik模型与区间不确定传播二阶泰勒级数展开法与频域内振动疲劳的分析方法，建立雨流幅值概率密度函数和功率谱密度函数之间的关系，最后应用Miner线性累计损伤理论得到含不确定性金属结构的声振疲劳寿命区间范围。本发明在计算受典型随机噪声激励的结构寿命时充分考虑了结构与材料参数的分散性，因此得到的疲劳寿命更加合理。

主权项

一种含不确定性金属结构声振疲劳寿命的估算方法，其特征在于实现步骤如下：第一步：依据飞行任务剖面时间数据和状态声载荷测量带宽声压级，采用将其转换为频谱载荷，其中L＝L_b‑10lg(△f)，P₀＝2×10^‑5Pa为参考声压，L_b为带宽声压级，△f为频带宽度，G(f)为转化后的噪声功率谱密度值；第二步：引入区间向量x∈x^I＝[E,a,b]合理定量贫信息、少数据条件下结构的不确定参数，其中E为金属材料弹性模量，a与b分别表示结构的几何参数，含结构参数的不确定性可以表示为：$\bar{x}=[\bar{E},\bar{a},\bar{b}]=[E^c+E^r,a^c+a^r,b^c+b^r],$代表参量的取值上界，x＝[E,a,b]＝[E^c‑E^r,a^c‑a^r,b^c‑b^r]，x代表参量的取值下界，其中上标c代表中心值，上标r代表半径；第三步：建立所关心结构的几何模型，分析构件的连接形式，合理划分网格施加边界条件形成有限元分析模型，在有限元分析软件中加载单位均匀面压力载荷，其中载荷的频率变化范围与第一步所得的噪声载荷的频率范围相同，对模型进行频率响应分析后提取结构各个结点的应力传递函数；第四步：应用平方和开方(SRSS)方法，在MSC.Patran随机振动模块中读取第四步得到的系统传递函数，并施加第一步所得的频谱噪声载荷得到结点的应力功率谱密度(PSD)曲线，其中随机振动分析输出文件还包括频率响应的自相关函数、每单位时间的正斜率方向的零交点个数及应力响应的均方值(RMS值)；第五步：随机噪声的典型特点是压力时间历程幅值是随机变化的，也就是无规律非衰减不能用解析函数表达的形式，这类噪声频率的变化范围宽，其谱值直到很高频率都是连续的，结合模拟此类典型宽带随机过程的Dirlik模型与区间传播分析方法，以上一步得到的应力PSD曲线为输入，引入非概率区间过程理论中泰勒展开分析法得到不确定变量扩张后各个关键结点的应力雨流幅值概率密度函数(PDF)变化范围；第六步：对于连续分布应力状态，将时间T内在应力范围(S_i,S_i+△S_i)内的应力循环次数表示为n_i＝vTp(S_i)△S_i，式中的v表示单位时间内的应力循环次数，由每秒的峰点数E[P]决定，即v＝E[P]，p(S_i)表示应力级水平为S_i时的幅值概率密度函数值，△S_i为微小应力级变化范围；第七步：在MSC.Fatigue中选择对应金属材料的S‑N曲线，其曲线的特征表达式为N(Si)＝K/S^m，应用Miner线性累计损伤理论D＝∑D_i＝∑n_i/N_i，当总体损伤度D＝1时得到构件发声疲劳破坏的时间疲劳寿命为：$T=\frac{K}{E\left[P\right]\int S^{m}P\left(S\right)dS}$其中，K与m为材料常数，N为金属材料循环次数，D为损伤度，最终计算得到构件疲劳破坏时的时间寿命分布云图与关键结点最小寿命时间范围。