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加筋板连接件的振动疲劳研究

作　者: 顾超林
导　师: 王轲
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 工程力学
关键词: 振动疲劳疲劳仿真分析加筋板裂纹扩展应力强度因子
分类号: O346.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 157次
引　用: 1次
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内容摘要

工程实际中,特别是在航空、航天、船舶、石油化工等领域,结构需要长期承受交变载荷作用,由此引起的疲劳破坏是结构失效的主要形式之一。由于工程结构的疲劳现象往往是由于结构振动引起的,因此,正确评估结构在振动环境中的疲劳寿命已成为工程界的热门研究课题。本文以现代飞机的常用结构铝合金加筋板为研究对象,立足于加筋板结构的疲劳寿命试验,依据疲劳断裂力学、模态分析理论,应用有限元建模、响应、寿命仿真分析等CAE技术,对共振状态下加筋板结构的振动疲劳寿命问题进行了较为系统的分析。本文主要工作包括:1.采用有限元分析软件MSC.Patran和Nastran建立三种不同连接形式的加筋板的有限元模型,并通过对比加筋板自由状态下的模态试验结果对所建模型进行验证修正,在此基础上进行有限元响应分析,为后期的振动疲劳分析做准备。2.为了揭示影响结构振动疲劳寿命的因素,采用激振器直接对结构施加激振力,进行疲劳寿命试验。试验证明在同一载荷作用下的滚焊连接加筋板的疲劳寿命最长。3.采用疲劳分析软件MSC.Fatigue针对结构的不同载荷形式对结构进行寿命分析,通过试验和仿真分析结果对比总结出不同连接形式以及激励方式影响结构疲劳寿命一般规律。4.为了提高寿命预测的精度,从裂纹扩展的角度,采用有限元方法模拟加筋板的裂纹扩展,计算裂纹扩展过程中应力强度因子变化,并据此提出一种新的振动疲劳寿命计算方法,对比试验结果初步证明精度较高。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
图表清单  9-12
注释表  12-13
第一章绪论  13-22
  1.1 课题背景及意义  13-17
    1.1.1 工程中的振动疲劳与研究意义  13-15
    1.1.2 振动疲劳的分类及研究方法  15-17
  1.2 振动疲劳研究的发展和研究现状  17-20
    1.2.1 振动疲劳研究的发展  17-18
    1.2.2 振动疲劳研究现状  18-20
  1.3 振动疲劳研究中的科学问题  20-21
  1.4 本文研究的主要工作  21-22
第二章结构振动疲劳强度研究分析的基本理论和方法  22-31
  2.1 材料的疲劳特性  22-24
    2.1.1 材料的S-N 曲线  22-23
    2.1.2 平均应力以及其他修正  23
    2.1.3 疲劳累积损伤理论  23-24
  2.2 基于时域的应力疲劳寿命估算方法  24-28
    2.2.1 名义应力法  24-25
    2.2.2 局部应力应变法  25-28
  2.3 基于频域的随机应力疲劳寿命分析方法  28-30
    2.3.1 窄带随机疲劳寿命分析  28-29
    2.3.2 宽带随机疲劳寿命分析  29-30
  2.4 本章小结  30-31
第三章结构的动力响应分析有限元建模  31-41
  3.1 分析对象概述  31-32
    3.1.1 试验件介绍  31-32
    3.1.2 加筋板的材料属性  32
  3.2 有限元建模  32-34
    3.2.1 选择分析软件  32-33
    3.2.2 网格划分  33
    3.2.3 加筋板有限元模型  33-34
  3.3 加筋板结构自由模态计算分析  34-36
    3.3.1 自由模态分析概述  34-35
    3.3.2 自由模态分析结果  35-36
  3.4 有限元模型的试验验证  36-38
    3.4.1 试验方案以及测试系统示意图  36
    3.4.2 试验结果  36-38
    3.4.3 试验结论  38
  3.5 动力学分析  38-40
    3.5.1 约束的处理  38-39
    3.5.2 载荷的施加  39
    3.5.3 加筋板模型的频率响应  39-40
  3.6 本章小结  40-41
第四章基于 FATIGUE 的加筋板振动疲劳寿命估算  41-52
  4.1 采用FATIGUE 进行疲劳分析的基本步骤  41-44
    4.1.1 载荷谱的获取与确定  41
    4.1.2 FATIGUE 中的疲劳特性参数  41-42
    4.1.3 MSC.FATIGUE 的疲劳分析方法  42-43
    4.1.4 参数设置  43-44
  4.2 铆接加筋板共振疲劳寿命估算  44-48
    4.2.1 频率响应的应力分布  44-45
    4.2.2 载荷谱的输入  45-46
    4.2.3 材料的S-N 曲线  46-47
    4.2.4 疲劳分析结果  47-48
  4.3 非共振状态下铆接加筋板疲劳仿真  48-50
    4.3.1 频率响应的应力分布  48-49
    4.3.2 载荷谱的输入  49-50
    4.3.3 疲劳分析结果  50
  4.4 本章小结  50-52
第五章铆接加筋板裂纹扩展寿命分析  52-64
  5.1 理论基础  52-56
    5.1.1 裂纹问题基本模型  52
    5.1.2 疲劳裂纹主要控制参量  52-54
    5.1.3 疲劳裂纹扩展门槛值与断裂韧性  54-55
    5.1.4 求解应力强度因子的有限元法  55
    5.1.5 疲劳裂纹扩展模拟  55-56
  5.2 基本假设  56-57
  5.3 网格生成  57
  5.4 加筋板裂纹长度与固有频率关系  57-59
  5.5 采用有限元法求解动态应力强度因子  59-61
    5.5.1 加筋板应力强度因子求解方法  59
    5.5.2 加筋板应力强度因子的计算  59-60
    5.5.3 裂纹扩展过程中动应力强度因子的变化  60-61
  5.6 裂纹扩展寿命估算以及与振动疲劳实验寿命对比  61-63
  5.7 小结  63-64
第六章采用激振器加载的共振疲劳试验  64-80
  6.1 引言  64
  6.2 试验系统与控制机理  64-67
    6.2.1 系统组成  64-66
    6.2.2 试验系统控制机理  66-67
  6.3 试验件及夹持方案  67-68
  6.4 试验方法及应变测点布置  68-69
    6.4.1 测试方案  68-69
    6.4.2 应变片的布置  69
  6.5 试验结果分析  69-79
    6.5.1 试验工况以及测点应力时间历程  69-73
    6.5.2 结构固有频率的变化  73-75
    6.5.3 断裂特征  75-76
    6.5.4 疲劳仿真分析与试验分析对比  76-79
  6.6 本章小结  79-80
第七章总结与展望  80-82
参考目录  82-85
致谢  85-86
在学期间的研究成果及发表的学术论文  86

加筋板连接件的振动疲劳研究

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