Вибрационная усталость
Вибрационная усталость — это машиностроительный термин, описывающий усталость материала , вызванную вынужденной вибрацией характера случайного . Возбужденная конструкция реагирует в соответствии со своими режимами естественной динамики , что приводит к возникновению динамической напряженной нагрузки в материальных точках. [1] Таким образом, процесс усталости материала во многом определяется формой профиля возбуждения и вызываемой им реакцией. Поскольку профили возбуждения и реакции предпочтительно анализируются в частотной области, практично использовать методы оценки усталостной долговечности , которые могут работать с данными в частотной области со спектральной плотностью мощности (PSD) .
Важнейшей частью анализа вибрационной усталости является модальный анализ , который выявляет собственные режимы и частоты вибрирующей конструкции и позволяет точно прогнозировать локальные реакции напряжения для данного возбуждения. Только тогда, когда на стресс известны реакции , можно будет успешно охарактеризовать вибрационную усталость.
Более классический подход к оценке усталости состоит из подсчета циклов с использованием алгоритма дождевого потока и суммирования с помощью гипотезы линейного повреждения Палмгрена-Майнера , которая соответствующим образом суммирует повреждения соответствующих циклов. Когда временная динамика неизвестна из-за случайной нагрузки ( например, на автомобиль неровной дороге или ветряная турбина ), эти циклы не могут быть подсчитаны. можно смоделировать несколько временных историй Для данного случайного процесса , но такая процедура является громоздкой и дорогостоящей в вычислительном отношении . [2]
Методы виброусталости предлагают более эффективный подход, который оценивает усталостную долговечность на основе моментов PSD . Таким образом оценивается значение, которое в противном случае было бы рассчитано с использованием подхода во временной области . При работе со многими материальными узлами, испытывающими разные реакции ( например, модель в пакете FEM ), не требуется моделировать временные истории. Тогда становится возможным, с использованием методов виброусталости, рассчитать усталостную долговечность во многих точках конструкции и успешно спрогнозировать, где наиболее вероятно произойдет разрушение.
Оценка срока службы вибрационной усталости
[ редактировать ]Описание случайной загрузки
[ редактировать ]В случайном процессе амплитуду нельзя описать как функцию времени из-за ее вероятностного характера. Однако некоторые статистические свойства можно извлечь из выборки сигнала, представляющей собой реализацию случайного процесса, при условии, что последний эргодичен . Важной характеристикой области вибрационной усталости является функция плотности вероятности амплитуды , описывающая статистическое распределение пиковых амплитуд. В идеале вероятность циклических амплитуд, описывающих тяжесть нагрузки, можно было бы затем вывести напрямую. Однако, поскольку это не всегда возможно, искомую вероятность часто оценивают эмпирически.
Эффекты структурной динамики
[ редактировать ]
Случайное возбуждение структуры вызывает разные реакции в зависимости от естественной динамики рассматриваемой структуры. Возбуждаются различные собственные моды, каждая из которых сильно влияет на распределение напряжений в материале. Стандартная процедура заключается в расчете частотной характеристики анализируемой конструкции и последующем получении реакции на напряжение в зависимости от заданной нагрузки или возбуждения. [3] Возбуждая разные моды, распространение энергии вибрации по диапазону частот напрямую влияет на долговечность конструкции. Таким образом, анализ динамики конструкции является ключевой частью оценки вибрационной усталости.
Виброусталостные методы
[ редактировать ]Расчет интенсивности повреждения не составляет труда, если известно распределение амплитуды цикла. Это распределение можно получить из временной истории, просто подсчитав циклы. Чтобы получить его из PSD, необходимо использовать другой подход.
Различные методы виброусталости оценивают интенсивность повреждений на основе моментов СПМ , характеризующих статистические свойства случайного процесса. Формулы расчета такой оценки являются эмпирическими (за очень немногими исключениями) и основаны на многочисленном моделировании случайных процессов с известной PSD . Как следствие, точность этих методов варьируется в зависимости от анализируемых спектров отклика, параметров материала и самого метода — некоторые из них более точны, чем другие. [4]
Наиболее часто используется метод, разработанный Т. Дирликом в 1985 году. [5] Недавние исследования методов оценки усталостного ресурса в частотной области [4] сравнил хорошо зарекомендовавшие себя методы, а также новейшие; вывод показал, что методы Чжао и Бейкера, разработанные в 1992 г. [6] и Бенашутти и Тово, разработанный в 2004 году. [7] также очень подходят для анализа виброусталости. Для узкополосной аппроксимации случайного процесса аналитическое выражение интенсивности повреждений дает Майлз. [8] Существует несколько подходов с адаптацией узкополосного приближения; Виршинг и Лайт предложили эмпирический поправочный коэффициент в 1980 г. [9] и Бенашутти представили α 0,75 в 2004 году. [10] В 2008 году Гао и Моан опубликовали спектральный метод, сочетающий три узкополосных процесса. [11] Реализация этого метода приведена в Python . FLife с открытым исходным кодом [12] упаковка.
Приложения
[ редактировать ]Методы виброусталости находят применение везде, где конструкция испытывает нагрузку, вызванную случайным процессом . Это могут быть силы, которые выдавливают неровности дороги на автомобиля шасси , ветер, дующий на ветряную турбину , волны, обрушивающиеся на морское сооружение или морское судно . Такие нагрузки сначала характеризуются статистически, путем измерения и анализа. Затем данные используются в процессе проектирования продукта . [13]
Вычислительная эффективность методов виброусталости в отличие от классического подхода позволяет использовать их в сочетании с пакетами программ МКЭ для оценки усталости после того, как известно нагружение и проведен динамический анализ. Использование методов виброусталости хорошо подходит, поскольку структурный анализ изучается в частотной области .
Распространенной практикой в автомобильной промышленности является использование ускоренных вибрационных испытаний . Во время испытания деталь или изделие подвергается воздействию вибрации , которая соответствует ожидаемой в течение срока службы изделия. Чтобы сократить время тестирования, амплитуды усиливаются. Использованные спектры возбуждения являются широкополосными и наиболее эффективно могут быть оценены методами виброусталости.
См. также
[ редактировать ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Нуно Мануэль Мендес, Майя (1998). Теоретический и экспериментальный модальный анализ (Перепечатано под ред.). Бэлдок: Research Studies Press. ISBN 0863802087 .
- ^ Саркани, Лорен Д. Лютес, Шахрам (2004). Анализ случайных вибраций структурных и механических систем (под ред. [Online-Ausg.]). Амстердам: Эльзевир. ISBN 9780750677653 .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Славич, Янко; Болтежар, Миха; Мршник, Матяж; Чесник, Мартин; Джавх, Джака (2020). Вибрационная усталость спектральными методами: от структурной динамики к усталостным повреждениям - теория и эксперименты (1-е изд.). Амстердам, Нидерланды: Elsevier. дои : 10.1016/C2019-0-04580-3 . ISBN 9780128221907 . S2CID 243156155 .
- ^ Перейти обратно: а б Мршник, Матяж; Славич, Янко; Болтежар, Миха (31 июля 2012 г.). «Частотные методы оценки виброусталостного ресурса - применение к реальным данным» . Международный журнал усталости . 47 : 8–17. doi : 10.1016/j.ijfatigue.2012.07.005 .
- ^ Дирлик, Туран (1985). Применение компьютеров в анализе усталости (доктор философии). Университет Уорика.
- ^ Чжао, Вт; Бейкер, М. (1 марта 1992 г.). «О функции плотности вероятности диапазона напряжений дождевых потоков для стационарных гауссовских процессов». Международный журнал усталости . 14 (2): 121–135. дои : 10.1016/0142-1123(92)90088-T .
- ^ Бенашутти, Д; Тово, Р. (1 августа 2005 г.). «Спектральные методы прогнозирования времени жизни при широкополосных стационарных случайных процессах». Международный журнал усталости . 27 (8): 867–877. дои : 10.1016/j.ijfatigue.2004.10.007 .
- ^ Майлз, Джон В. (1954). «О структурной усталости при случайном нагружении». Журнал авиационных наук . 21 (11): 753–762. дои : 10.2514/8.3199 .
- ^ Виршинг, Пол Х.; Лайт, Марк К. (1980). «Усталость при широкополосных случайных напряжениях». Журнал структурного отдела . 106 (7): 1593–1607. дои : 10.1061/JSDEAG.0005477 .
- ^ Бенашутти, Денис; Тово, Роберто (2004). Распределение циклов дождевых потоков и усталостные повреждения при гауссовских случайных нагрузках (Отчет). Инженерный факультет Феррарского университета.
- ^ Гао, Чжэнь; Стон, Торгейр (2008). «Частотный анализ усталости широкополосных стационарных гауссовских процессов с использованием тримодальной спектральной формулировки». Международный журнал усталости . 30 (10–11): 1944–1955. doi : 10.1016/j.ijfatigue.2008.01.008 .
- ^ «ФЛайф» . Гитхаб . Проверено 30 сентября 2020 г.
- ^ Варото, Кеннет Г. МакКоннелл, Пауло С. (2008). Вибрационные испытания: теория и практика (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-66651-6 .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )