《疲劳强度教学课件》工程结构的振动疲劳问题

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1、工程结构的振动疲劳问题1引言1」振动疲劳的定义早在十九世纪中叶，随着蒸汽机的发明和铁路建设的发展，人们发现了机车车轮结构可以在远小于英静强度极限载荷时发生交变应力破坏现彖，出此提出并发展了有别于结构静强度破坏的结构疲劳破坏问题，随后就把结构在交变载荷或重复应力作用下发生的破坏称为结构疲劳破坏。由于工业、交通和国防技术的需耍，结构疲劳技术及后來发展的断裂力学已在航空、航天、能源、交通、建筑、化工等领域得到深入的发展和广泛应用。现在，我们乂注意到在结构疲劳破坏屮包含的一类重耍问题，那就是如杲交变载荷的频率与结构的某一和某几阶共振频率一致或和接近时,结构将会发生共振，这

2、时一定的激励将会产生更人的响应，以致更加易于产生破坏；问题涉及到结构共振响应，显然需要利用结构动力学技术加以研究，从rfu可以揭示一些与结构动态特性有关的规律，下面将这一问题称为振动疲劳或动态疲劳问题。迄今为止，有关文献中关于振动疲劳的研究较少，有的文献即使提到振动疲劳一词，但并没有明确振动疲劳的定义、破坏特点及其与静态疲劳问题的区别，因而国内外一些人士仍然沿用静态疲劳技术处理振动疲劳问题。上一世纪六十年代，S.H.Crandall首先将振动载荷作用下产生的具有不可逆且累积性的结构损伤或破坏称为振动疲劳，这一定义对传统的疲劳方法,并没有带来显著的改变也没有涉及振动

3、疲劳现彖的动力学本质。为了揭示结构振动疲劳问题的动力学特性，我们根据人量的使用和实验中结构振动破坏现象提出以下的定义。振动疲劳是结构所受动态交变载荷（如振动、冲击、噪声载荷等）的频率分布与结构固有频率分布具有交集或相接近，从而使结构产牛共振所导致的疲劳破坏现象，也可以直接说成是结构受到重复载荷作用激起结构共振所导致的疲劳破坏。所以，只有结构在共振带宽内或其附近受到激励导致的共振破坏才属于振动疲劳破坏，否则都属于静态疲劳问题。1.2.振动疲劳问题的特点及其与静态疲劳问题的区别1）由于结构共振是在动态外载作用下，外力与结构惯性力、弹性力及阻尼力的综合平衡现彖，其特点是

4、结构屮发生了模态惯性力和阻尼力，其屮阻尼力分布是决定结构共振响应大小的重要因素，结构共振破坏将直接决定于结构优势共振响应模态的应变模态分布特征，或者说成是取决于起主要贡献作用的应变模态分布特征。这是静态疲劳分析所难以考虑的，因为它既不考虑阻尼，也不考虑模态响应。2）工程中常将结构共振分为整体共振、部件共振和局部共振，共振疲劳更多的与部件共振或局部共振有关，一些动态载荷激励常常引起局部模态与载荷的振动耦合作用，而破坏的部位往往是局部共振中应变大且冇缺陷或应力集中的部位。破坏起因于局部共振与应力集中两种因索的共同作用，这也是只考虑应力集屮一项因素的静态疲劳分析所难以考

5、虑的。3）结构声疲劳（本质上是分布声载荷作用下的随机振动疲劳，所以应当称为声振疲劳）的大量试验数据和我们关于振动疲劳的部分试验数据表明，结构振动疲劳S-N曲线（或gN曲线）与同一结构的静态疲劳S-N曲线是不同的，前者要求在一定应力下跟踪共振频率发生共振破坏來进行试验，后者要求按一定应力，用非共振频率进行试验。显然，两者一般不会给出相同的S・N曲线。仅仅就这一点来看，已不能再完全沿用过去的静态疲劳方法分析振动疲劳问题。4）可以认为，振动疲劳的裂纹扩展特性也会与静态疲劳不同，例如，趋向共振和离开共振的裂纹扩展必然具有不同的速率。再如，如果裂纹扩展使结构共振频率超岀了载

6、荷频率范围，则这一扩展将会是收敛的，否则将是发散的，由此可见述应当开展动态断裂力学和损伤容限技术研究。5）更重耍的是，从工程应用方面考虑，两者的抗疲劳设计和维修方法具有很人差别，防止振动疲劳的着眼点主要是降低结构振动水平特别是局部振动水平，主耍方法是进行结构动力学设计、附加阻尼处理和其它一些振动控制设计技术，当然，同时也要考虑材料、构造形式、工艺以及消除缺陷和降低应力集中等问题，血静态疲劳一般只是考虑后者。2结构振动疲劳分析和试验疲劳分析通常需要具备响应分析，S-N曲线，累积损伤关系和破坏判据等项基础，振动疲劳分析也必须进行结构动力响应分析，找出适用的结构振动疲劳

7、S-N曲线，最后利用Miner线性累积损伤理论和一定的破坏准则来预计破坏寿命。2.1.i般结构件的振动疲劳寿命分析方法以飞机结构件为例，通常应当按照设计规定的典型任务剖面和典型飞行起落来分析其振动疲劳损伤量。下面只以确定性振动载荷为例，对于随机振动载荷可以同样导出分析方法。设飞机每一飞行起落中対振动疲劳损伤有影响的共有m个使用状态，每一使用状态的经历时间为S(k=1,m)o同吋，结构临界部位在每个状态中所受到的周期振动可分解为多个正弦振动，其中有1个会激起共振响应需加考虑,令其屮第i个止弦振动频率为齐，它在结构临界部位处产生的止弦响应应力幅值为S%(i=1,…，1

8、),则在使