多轴随机振动环境的疲劳损伤机理浅析

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1、第27卷第6期航天器环境工程2010年l2月Sf’ACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING723多轴随机振动环境的疲劳损伤机理浅析髓兴产(北京强度环境研究所，北京100076)摘要：多轴随机振动试验能够同时激发结构在不同方向的模态，使动力响应表现出比单轴振动更为丰富的共振峰，因此对经受多轴振动环境的产品开展疲劳损伤机理分析很有必要。文章围绕多轴随机振动环境疲劳损伤机理的技术现状和发展趋势进行初步分析，调研多轴随机振动环境疲劳损伤机理的研究现状，为多轴振动试验及可靠性试验方法研究提供了理论依据；

2、并为多轴振动系统的原理研究和相关试验设备的优化设计奠定了理论基础。关键词：多轴振动；疲劳损伤分析：高斯分布；随机振动中图分类号：V416．2文献标识码：A文章编号：1673-1379(2010)06-0723-04DoI：10．3969／j．issn．1673-1379．2010．06．012O前言在振动环境模拟试验领域，多轴振动试验在产品故障模式复现和模拟精度方面具有显著的优势，它能够真实地模拟实际的动力学环境，暴露产品在单轴激励振动方式F不易被发现的缺陷和隐患。一些已按规范通过单轴振动的产品，在多轴振动中会暴

3、露出新的故障，而这些故障模式在实际使用过程中也会出现，从而表明多轴振动环境试验可以更逼真地模拟使用环境【l。2】。随机振动试验是考核产品结构动强度及环境适应性的重要手段，是暴露结构缺陷和鉴定设备承受使用环境能力的一种有效方法。通过对试验现场振动测试数据的分析，发现产品在使用过程中的振动环境绝大多数为多轴随机环境，因此随机载荷作用下结构和部件的动强度分析和疲劳寿命的预测尤为霞要。据统计，工程构件多是因承受随机载荷作用而失效，疲劳损伤破坏约占到80％以上。所谓疲劳损伤，是指产品及构件在应力或应变的反复作用下所发生的性

4、能变化。随机载荷下疲劳损伤和可靠性的评价足一个关键的问题13J。1多轴随机振动环境下的循环计数方法多轴随机振动指的是同时使用多个振动台激励一个试验件的高斯分布宽带随机振动。文中主要针对高斯宽带随机振动激励的损伤机理进行初步探讨，分析多轴振动损伤机理的计算方法及振动特征与激发产品缺陷、加速产品失效的关系。多轴振动台可分为两类：～类是单方向激励，即多个振动台平行激励试件，当各个振动台激励相位相同时形成多台同步振动(图1)；另一类是3个方向激励，即振动方向相互垂直，形成三轴相互垂直振动(图2)，或者形成i轴向六自由度的

5、空间运动(图3)。试验数据表明：在多轴随机振动环境F，试件的应力响应与其受到的速度功率谱是等比例关系，速度功率潜可以通过试件上同定的加速度传感器测得的时域信号转化为加谏度功率普而计算得出。幽1单力I柚多台激振系统Fig．1One-wayandmulti-platformvibrationsystem收稿日期：2010．06．12；修回日期：2010-11．30作者简介：周兴广(1980一)，男，主要从事强度、振动与可靠性技术研究。图2二轴振z力系统Fig．2Triaxialvibrationsystem航天器环境

6、工程第27卷图3三轴FU人自由发振动系统Fig．36-DoFtriaxialvibrationsystem在随机载荷作用下疲劳损伤机理的研究中，累积疲劳损伤分析方法在各种试件的载荷分析中都起着重要的作用。最早I妇Matsuishi和Endo[41提出的主要以雨流计数法(RainflowCounting)为核心的时域疲劳寿命估计方法应用较为广泛，并已成为标准的循环计数方法。雨流计数法对产品所承受的载荷时间历程进行循环计数，根据累积疲劳损伤理论计算出试件的疲劳循环寿命。经典的雨流计数能够处理单轴载荷的历程，对多轴载荷

7、的处理仅限于比例载荷。此后，Wang和Brown提出多轴疲劳计数法作为新的损伤计算方法，该方法采用传统的相对当量应变法，其中循环被定义为从零到最大值的增加【51。Brown等指出了传统的雨流计数方法的局限性，提出多轴非比例雨流计数方法和疲劳损伤计算流程【6】。Socie对多轴非比例随机载荷中的4个问题，即循环应力应变模型、循环计数方法、损伤模型和损伤累积模型进行了分析。指出Barmantine．Socie方法及Wang．Brown方法可应用于比例载荷，但用于定义具有平均应力的循环中仍有困难。Anthes对经典的雨

8、流计数方法进行了修正，对于应力一应变路径的不封闭部分采用了虚拟滞环的概念，能够考虑载荷顺序的影响。Langlais等【7】通过对单轴循环计数方法简单修正后提出了多轴循环计数方法。在单轴情况下，应力和虑变是同相的，应变中的一个往复与应力中的一个往复相一致。而多轴情况下应力和应变过程并不同相，如果仍对数据进行计数，将难以保证不同的数据组间的关系。为了保证重要信息不被略去，必须