热声载荷作用下薄壁壳结构非线性响应及疲劳寿命估算
薄壁结构在热声载荷下的疲劳寿命分析与试验验证
薄壁结构在热声载荷下的疲劳寿命分析与试验验证王建;沙云东【摘要】数值研究了热声载荷作用下薄壁结构的动态响应,并开展了薄壁结构的热声激振试验,获取了薄壁结构的热模态频率与不同热声载荷下的动态响应结果.采用热声疲劳寿命预估模型,仿真分析了薄壁结构疲劳寿命随声压级和温度的变化规律.试验与仿真结果对比表明,试验与仿真的模态频率具有一致性,应变响应量级相同.屈曲系数由0增加到1.8,GH188金属薄壁结构疲劳寿命呈先降低后增大趋势.验证了热声试验方法的合理性与可靠性,以及薄壁结构热声响应仿真方法与模型的有效性.薄壁结构在屈曲前/后过程中表现出稳定-失稳-再稳定的过程.【期刊名称】《燃气涡轮试验与研究》【年(卷),期】2017(030)003【总页数】6页(P11-15,5)【关键词】航空航天;薄壁结构;热声载荷;疲劳寿命;试验验证;屈曲;模态频率【作者】王建;沙云东【作者单位】沈阳航空航天大学辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室,沈阳110136;沈阳航空航天大学辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室,沈阳110136【正文语种】中文【中图分类】V241.3experimentalverification；buckling；modal frequency航空航天薄壁结构在高温强噪声载荷作用下会使结构产生复杂的大挠度非线性响应[1-5]和快速交变应力，严重影响结构的疲劳性能，降低疲劳寿命。
这类问题也是航空航天薄壁结构在结构强度设计中的主要内容，故而开展高温强噪声作用下薄壁结构的振动响应仿真与热声疲劳寿命预估十分重要。
针对航空航天薄壁结构热声响应及疲劳问题，国外学者以及研究机构对薄壁板壳，尤其以四边固支矩形薄板为主要试验件做了大量的试验研究。
NASA Langley研究中心和美国空军W right-Patter⁃son飞行动力学实验室(AFFDL)为研究热声载荷下薄壁板结构的响应特征，采用行波管对铝板进行了热声试验[6]。
薄壁结构在热声环境中随机疲劳寿命的估算
（ Ｆ ａ ｃ ｕ ｌ ｔ ｙ ｏ ｆ Ａｅ ｒ ｏ ｓ ｐ ａ ｃ ｅ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ，Ｓ ｈ ｅ ｎ ｙ ａ ｎ ｇ Ａｅ ｒ ｏ ｓ ｐ ａ ｃ ｅ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｓ ｈ ｅ ｎ ｙ ａ ｎ ｇ １ １ ０ １ ３ ６ ）
第３ ０ 卷 第１ 期
２ ０ １ ３年 ２月
沈 阳 航 空 航 天 大 学 学 报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏｆ Ｓ ｈ ｅ ｎ ｙ ａ ｎｇ Ａｅ ｒ ｏ ｓ ｐａ ｃ ｅ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ
Ｖ Ｏ１ ． ３ ０ Ｎ ｏ ．１
Ｆｌ ｅ ｂ． ２ ０ １ ３
摘要 ：高超 飞行 器在热声载荷作用下 结构 的疲 劳破坏 问题 日益严 峻 ， 通过 应用 雨流计 数法 ， 基 于 Ｍｉ ｎ ｅ ｒ 线性 累积损伤理论估算结构 的疲 劳寿命 。以 四边 简支 的薄壁铝 合金结 构为模 型 ， 计算 了在
１ ６ ０ ｄ Ｂ声压 级 、 不 同温度 时结 构的非线性动态 响应 ， 并且估算 了相应 载荷情况 下结 构的疲劳 寿命 。
结果 表明 ， 在压级 载荷不变情 况下 ， 随着 温度 的增 加 ， 结 构 的疲 劳寿命呈 现先 降低 再升高 的趋势 ，
并且 在跳 变时 ， 疲 劳寿命 降至最低 。 关键 词 ： 热声疲 劳 ； 疲劳寿命 ； 跳变响应 ； 薄壁 结构 中图分类号 ： Ｖ ２ １ ４ ． ４ 文献标 志码 ： Ａ
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ：Ｔｈ ｅ ｆ ａ ｉ ｔ ｇ ｕｅ ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ｐ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍ ｏ ｆ ｈｙ ｐ ｅ ｒ ｓ ｏ ｎ ｉ ｃ ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ｕ ｎｄ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅ ｒ ｍａ ｌ — ａ ｃ ｏ ｕｓ ｉｃ ｔ ｌ ｏ ａ ｄ ｉ ｎ ｇ ｓ ｈ ａ ｓ ｂｅ ｃ ｏ ｍｅ ｉ ｎｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｉ ｎｇ ｌ ｙ ｓ ｅ ｉｏ ｒ ｕ ｓ ．Ｔｈ ｉ ｓ ｐａ ｐ ｅ ｒ ｕ ｉｌ ｔ ｉ ｚ ｅ ｓ ｈｅ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｌｏｗ ｆ ｃ ｙ ｃ ｌ ｅ ｃ ｏ ｕｎ ｉ ｔ ｎｇ ｓ ｃ ｈ ｅ ｍｅ ａ ｎ ｄ ｈｅ ｔ Ｍｉ ｎ ｅ ｒ ａ ｃ ｃ ｕ ｍｕ －
热声载荷下薄壁结构非线性振动响应分析及疲劳寿命预测
根 部的应力响应 ， 并基 于 Ｍｉ ｎ ｅ ｒ 线性累积损伤理论采 用 Ｇ ｏ ｏ ｄ ｍ ａ ｎ 、 Ｍｏ ｒ ｒ ｏ ｗ、 Ｗａ ｌ ｋ ｅ ｒ 和修正 Ｗａ ｌ ｋ ｅ ｒ 应力寿命模型预 测了薄板 梁在不同工况下 的热声疲 劳寿命 。研究 结果 表明 ： 薄板粱 的热模 态基频 在其热声疲 劳 问题 中起 主导作用 ； 薄板 梁热屈 曲 后 的非线性 跳变响应将增大应力 幅值 ， 从而严重削弱结构 的预期 寿命 ； 噪声载荷 是影 响屈 曲前薄板梁 热声疲劳 寿命 的主 要 因素 ， 而热载荷是影 响屈 曲后热声疲劳寿命 的主要 因素。因此 在薄 壁结 构抗 热声 疲劳设计 中必须重点考虑热声载荷联
合作用 的影响 。
关键 词 ：薄壁结构 ； 热声载荷 ； 时域分析 ； 非线性跳变响应 ； 雨流法 ； Ｍｉ ｎ ｅ ｒ 损伤理论
中图分类号 ：Ｖ ２ １ ５ ； Ｖ ４ １ ４ 文献标识码 ：Ａ
Ｎｏ ｎ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｖ ｉ ｂｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｐｏ ｎｓ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ａ ｎｄ ｆ ａ ｔ ｉ ｇ ｕｅ ｌ ｉ ｆ ｅ ｐｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ａ ｔ ｈ ｉ ｎ・ － ｗａ ｌ ｌ ｅ ｄ ｓ ｔ ｒ ｕｃ ｔ ｕｒ ｅ ｕｎ ｄｅ ｒ ｔ ｈｅ ｒ ｍａ ｌ － － ａ ｃ ｏ ｕ ｓ ｔ ｉ ｃ ｌ ｏ ａ ｄ ｉ ｎｇ
ＨＥ Ｅｒ — ｍｉ ｎ ｇ，Ｌ Ｉ Ｕ Ｆ ｅ ｎ ｇ，ＨＵ Ｙ ａ — ｑ ｉ ，ＺＨＡＯ Ｚｈｉ — ｂ ｉ ｎ
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ａ ｅ ｒ ｏ ｎ ａ ｕ ｔ ｉ ｃ ｓ ， Ｎ ｏ ｒ ｔ ｈ ｗ ｅ ｓ ｔ ｅ ｒ ｎ Ｐ ｏ ｌ ｙ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｘ ｉ ’ ａ ｎ ７ １ ０ ０ ７ ２ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
冲压发动机板壳结构可靠性的研究现状与展望
多ｆ 。 由于壳 体 与 加强 筋 问 的力 学 行 为相 互 耦 合 ， ６ Ｉ 很 难 得 到准 确 的解 析 解 。 目前 。 于加 强 筋板 壳 结 对
构 的振 动分 析 ， 主要采 用 以下几 种 简化模 型 。
３１ 正交 异性 板 壳模型 ．
极 易 出现 微 幅振 动 ， 至与 流场 发生 流 固耦合 振 动 。 甚
一
要 的信 息ｌ ５ 】 一般 结 构 相 比 ． 。与 由于 加 强筋 等 影 响 ，
使 得 冲压 发 动 机 中板 壳 结 构 的 自 由振 动 要 复 杂 得
旦 出现这 种情况 ． 构会 以一 定 的频 率振 动 ， 维 结 并
３ 板 壳 结 构 的振 动 分 析 方 法
在结 构 设计 中 ， 结构 的振 动 固有 特 性 是 非常 重
由于 冲压 发 动机 中板 壳结 构 的尺寸 大 、 度 薄 ． 厚 使 得其 固有 振动 频 率密 集 。同 时 ， 由于 温度 带 来 的 材料 退 化 ， 致结 构稳 定性 降低 ， 复杂 气 流激励 下 导 在
ｂ ａｉ ｎ ａ ａｙ ｉ， ｏ ｉ ｆｔ ｕ ｎ ｈ ｒ ｌｂ ｃ ｌ ｇ ｏ ｌ ｔｓ ａ ｄ ｓ ｅｌ ． ｔｉ ｆ ｕ ｅ ｈ ｔ ｏ ｒ ｈ ｎ ｉ ｅ ｒ ｔ ｎ ｌ ｓ ｓ ｎ ｃ ａｉ ｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｍａ ｕ ｋ ｉ ｎ ｐ ａ ｅ ｎ ｈ ｌ Ｉ ｓ ｉ ｒ ｄ ｔ ａ ｍｐ ｅ ｅ ｓｖ ｏ ｓ ｇ ｎ ｓ ｇ ｃ
ｅ ｌ ｍｅｔ ｆ ａ ｊｔ． ｃｏｄｎ ｅｒｓａｃ ｅ ｎ ｓｏ ｒｍ ｅ， ｖｅ ｅｆｒ ｅ ｃ ｄｎ ｉ ｍｐｏ ｎ ｍ ｅ Ａ ｃｒｉｇｔ ｔ ｅｅｒｈｄ ｍａ ｄ ｆ ａ ｊｔａｒ ｉｗ ｉ ｐ ｒ ｍ ｄｉ ｌ ｉｇｖ－ ｙ ｏｒ ｓ ｏｈ ｅ ｓ ｏ ｎｕ
金属壁板结构在热声环境下的动态响应(DOC 66页)
金属壁板结构在热声环境下的动态响应(DOC 66页)部门： xxx时间： xxx制作人：xxx整理范文，仅供参考，勿作商业用途壁板结构在热声环境下的动态响应计算与分析学院动力与能源工程学院专业飞行器动力工程班级7404101学号200704041035姓名赵宇指导教师沙云东负责教师沙云东沈阳航空航天大学2011年6月摘要针对薄壁结构在热声载荷作用下的动态响应问题，本文利用理论分析及数值模拟相结合的方法研究了薄壁结构在热声载荷作用下的非线性动态响应。
首先建立了热声载荷作用下薄板振动的非线性大挠度方程，基于该方程建立Miles单自由度杜芬型模态方程，讨论非线性恢复力项对结构自由振动的影响，计算屈曲温度、热屈曲幅值，并分析了热屈曲前后刚度变化及应力应变响应统计特性。
建立薄壁结构有限元模型，考虑几何非线性，结合有限元软件，对高温结构施加模拟的声载荷进行动响应计算，根据屈曲前后薄壁中点应力及横向位移概率分布，分析热及噪声载荷造成的结构几何非线性对结构刚度的影响。
最后计算了三种典型壁板结构，平板，开孔板，加肋板在热噪声载荷作用下的动态响应，预测到了三种类型的跳变运动，计算了均方应力、均方应变、应力及应变功率谱密度。
分析了温度和噪声对薄板刚度及热应力和应变分布的影响，不同结构对相应的影响。
本文所研究的航空薄壁结构在热声载荷作用下非线性动态响应的计算和分析方法，以及所计算的结构应力/应变，对认识高速飞行器表面结构非线性动态响应及进行抗疲劳设计有着重要的参考价值。
关键词：壁板结构；热声疲劳；动态响应；热屈曲；跳变响应CALCULATION AND ANALYSIS OF DYNAMIC RESPONSE OF THIN-WALLED STRUCTURE UNDER THERMAL-ACOUSTIC LOADINGSAbstractAiming at the dynamic responses of thin-walled structures under complex loadings, with theoretical analysis and numerical simulation employed, nonlinear response of thin-walled structure under thermo-acoustic loading is investigated.The nonlinear large deflection governing equation of motion for thin plate under thermo-acoustic loading is established firstly. The simplest case, a single DOF equation is then obtained. The influence of the nonlinear term of restoring force on free vibration is discussed. The critical temperature and static deflection of thermal buckling are calculated.A flat plate, a stiffened plate and a plate with a circular hole in its center with clamped edge condition are selected. Finite element models are built in commercial code ANSYS. With geometric nonlinearity and pre-stress effect considered, the dynamic response of plates under different temperatures and sound pressure levels are computed, assuming that the acoustic load is truncated Gaussian white noise and the thermal load is uniformly distributed. Based on the time histories of displacement and stress, the power spectral density, probability density function and statistics are obtained.The method and results presented have certain value to the research of the nonlinear response of thin-walled structure under thermo-acoustic loading and anti-fatigue design.Keywords: thin-walled structure; thermal-acoustic fatigue; dynamic response; thermal-buckling;snap-through response符号表a,b,h 板的长度，宽度和高度m 临界载荷E 泊松比S 屈曲系数线膨胀系数a与b的比值四边简支板临界屈曲温度四边固支板临界屈曲温度R 横向载荷。
加筋板在热声载荷作用下随机疲劳寿命估算
2 014 年2 月
沈阳航空航天大学学报 Journal of Shenyang Aerospace University
Vo l. 31 No. 1
Feb . 2 0 1 4
文章编号: 2095 - 1248(2014)01 - 0006 - 06
加筋板在热声载荷作用下随机疲劳寿命估算
E I xi ∂4 w Eeh 2 δ yi + ∑ j 2j j ∂ w + i 3 4 Eh ∂x h j =1 ∂y 2
]
n
[
( )
2
+
E j I yi ∂4 w δ xy = Eh3 ∂y4
]
(4)
h
式中第一项为惯性力,第二项为粘性阻尼力,第三 比,D 为弯曲刚度,E 为板的弹性模量, E i 、E j 分别 项为表面随机压力,w 为挠度,ρ 为密度, μ 为泊松
f i i
累计损伤理论中典型的是 Miner 理论。 确定性载 (5)
1 1 筋的高度,e i = ( h i + h ) ,e j = ( h j + h ) , α 为热 2 2 ⎺为中面温度, θ 为温度梯度,▽2 为拉 膨胀系数, T ⎛ x∈ x - 1 t ,x + 1 t ⎞ ⎧1 ⎪ ⎜ j 2 j j 2 j ⎟ ⎪ ⎝ ⎠ δxj (x - xj ) = ⎨ ⎪ 1 ⎞ ⎛ 1 ⎛ tj ⎟ or ⎜ xj + tj ,a ⎪0 ⎜ x∈ 0,xj ⎩ 2 2 ⎝ ⎠ ⎝ ⎛ y∈ y - 1 t ,y + 1 t ⎞ ⎧ ⎪1 ⎜ i 2 i j 2 i ⎟ ⎪ ⎝ ⎠ δji (y - yi ) = ⎨ ⎪ 1 1 ⎛ t ⎞ or ⎛ ⎪0 ⎜ y∈ 0,yi ⎜ yi + ti ,b ⎩ 2 i⎟ 2 ⎝ ⎠ ⎝ 其中 a 、b 为板的长和宽,t j 、t i 为加筋的宽度。 普拉斯微分算子,δ xj 、δ yi 为阶跃函数:
基于Ｓｅｈｉｔｏｇｌｕ 模型的发动机气缸盖热机疲劳寿命预测
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｔｒｅｎｇｔｈ２０２１ꎬ４３(５):１１８４￣１１９０ＤＯＩ:１０ １６５７９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００１ ９６６９ ２０２１ ０５ ０２３∗２０２００９０７收到初稿ꎬ２０２０１１０７收到修改稿ꎮ国防科技重点实验室基金项目(６１４２２１２１９０３０７)资助ꎮ∗∗邹萍萍ꎬ女ꎬ１９８７年８月ꎬ江西抚州人ꎬ汉族ꎬ江铃汽车股份有限公司工程师ꎬ硕士ꎬ主要研究方向为发动机缸盖疲劳强度与寿命研究ꎮ∗∗∗景国玺(通信作者)ꎬ男ꎬ１９８４年１月ꎬ甘肃会宁人ꎬ河北工业大学机械工程学院教授ꎬ博士ꎬ主要从事发动机结构疲劳强度研究工作ꎮ基于Ｓｅｈｉｔｏｇｌｕ模型的发动机气缸盖热机疲劳寿命预测∗ＴＨＥＲＭＡＬ￣ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＦＡＴＩＧＵＥＰＲＥＤＩＣＴＩＯＮＯＦＥＮＧＩＮＥＣＹＬＩＮＤＥＲＨＥＡＤＢＡＳＥＤＯＮＴＨＥＳＥＨＩＴＯＧＬＵＭＯＤＥＬ邹萍萍∗∗１㊀景国玺∗∗∗２ꎬ３㊀曾小春１㊀骆旭薇１㊀袁晓军１㊀魏㊀涛１㊀林宇星１(１.江铃汽车股份有限公司动力总成开发部ꎬ南昌３３０００１)(２.河北工业大学机械工程学院ꎬ天津３００４００)(３.天津市新能源汽车动力传动与安全技术重点实验室ꎬ天津３００４００)ＺＯＵＰｉｎｇＰｉｎｇ１㊀ＪＩＮＧＧｕｏＸｉ２ꎬ３㊀ＺＥＮＧＸｉａｏＣｈｕｎ１㊀ＬＵＯＸｕＷｅｉ１㊀ＹＵＡＮＸｉａｏＪｕｎ１㊀ＷＥＩＴａｏ１㊀ＬＩＮＹｕＸｉｎｇ１(１.ＰｏｗｅｒｔｒａｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔꎬＪｉａｎｇｌｉｎｇＭｏｔｏｒｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎꎬＬｉｍｉｔｅｄꎬＮａｎｃｈａｎｇ３３０００１ꎬＣｈｉｎａ)(２.ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＴｉａｎｊｉｎ３００４００ꎬＣｈｉｎａ)(３.ＴｉａｎｊｉｎＫｅｙｌａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＰｏｗｅｒＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｎｄＳａｆｅｔｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＮｅｗＥｎｅｒｇｙＶｅｈｉｃｌｅｓꎬＴｉａｎｊｉｎ３００４００ꎬＣｈｉｎａ)摘要㊀以某发动机气缸盖为研究对象ꎬ开展了气缸盖本体材料力学性能测试与表征㊁气缸盖热机疲劳寿命预测研究工作ꎮ采用流固耦合方法ꎬ获得了准确的气缸盖热边界和温度场结果ꎬ温度场计算值与实测结果相符合ꎮ依照整机热冲击试验规范ꎬ采用Ｓｅｈｉｔｏｇｌｕ模型对缸盖的热机疲劳寿命进行了预测ꎬ仿真结果显示ꎬ缸盖最低寿命出现在第二缸火力面排气侧鼻梁区ꎬ主要由环境损伤引起ꎬ最低寿命为６８６０次ꎬ满足设计要求ꎬ该气缸盖顺利通过整机热机疲劳台架试验考核ꎮ关键词㊀发动机㊀气缸盖㊀热机疲劳㊀寿命预测中图分类号㊀ＴＫ４２２Ａｂｓｔｒａｃｔ㊀Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｗｏｒｋｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔｅｓｔｉｎｇａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆａｎｅｎｇｉｎｅｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄｍａｔｅｒｉａｌꎬａｎｄｔｈｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄｔｈｅｒｍａｌｅｎｇｉｎｅｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅ.Ｔｈｅｆｌｕｉｄ￣ｓｏｌｉｄｃｏｕｐｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏｏｂｔａｉｎａｃｃｕｒａｔｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｂｏｕｎｄａｒｙａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄ.Ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｉｓｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｒｅｓｕｌｔｓ.ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｓｈｏｃｋｔｅｓｔｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｍａｃｈｉｎｅꎬｔｈｅＳｅｈｉｔｏｇｌｕｍｏｄｅｌｗａｓｕｓｅｄｔｏｐｒｅｄｉｃｔｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅｏｆｔｈｅｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄ.Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｉｎｉｍｕｍｌｉｆｅｏｆｔｈｅｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄｏｃｃｕｒｓｉｎｔｈｅｎｏｓｅｂｒｉｄｇｅａｒｅａｏｎｔｈｅｅｘｈａｕｓｔｓｉｄｅｏｆｔｈｅｓｅｃｏｎｄｃｙｌｉｎｄｅｒｆｉｒｅｓｕｒｆａｃｅꎬｗｈｉｃｈｉｓｍａｉｎｌｙｃａｕｓｅｄｂｙｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｄａｍａｇｅ.Ｔｈｅｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅｉｓ６８６０ꎬｗｈｉｃｈｍｅｅｔｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ.Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅꎬｔｈｅｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄｈａｓｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｐａｓｓｅｄｔｈｅｈｅａｔｅｎｇｉｎｅｆａｔｉｇｕｅｂｅｎｃｈｔｅｓｔｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｍａｃｈｉｎｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ㊀ＩｎｔｅｒｎａｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｅｎｇｉｎｅꎻＣｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄꎻＴｈｅｒｍａｌｍｅｃｈａｎｉｃａｌｆａｔｉｇｕｅꎻＬｉｆｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ:ＪＩＮＧＧｕｏＸｉꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｏｋｊｇｘ＠１６３.ｃｏｍꎬＴｅｌ:＋８６￣２２￣６０４３５１２５ꎬＦａｘ:＋８６￣２２￣６０４３５１２５ＴｈｅｐｒｏｊｅｃｔｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＦｕｎｄｏｆＮａｔｉｏｎａｌＤｅｆｅｎｓｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙ(Ｎｏ.６１４２２１２１９０３０７).Ｍａｎｕｓｃｒｉｐｔｒｅｃｅｉｖｅｄ２０２００９０７ꎬｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ２０２０１１０７.㊀㊀引言近年来ꎬ随着排放法规日益严格和对轻量化设计的需求ꎬ发动机强化程度越来越高ꎮ随着发动机功率密度增加ꎬ气缸盖等结构件热机械负荷突出ꎬ疲劳寿命问题已成为研究的热点[１]１￣１２[２￣３]和发动机产品研制过程中的拦路虎[４]ꎮ发动机气缸盖设计开发必须满足高周机械疲劳和低周热机械疲劳(ＴｈｅｒｍａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＦａｔｉｇｕｅꎬＴＭＦꎬ简称热机疲劳)设计要求[５]ꎮ针对气缸盖高周疲劳评估㊀第４３卷第５期邹萍萍等:基于Ｓｅｈｉｔｏｇｌｕ模型的发动机气缸盖热机疲劳寿命预测１１８５㊀㊀问题ꎬ国内外已开展较为广泛的研究[６￣８]ꎬ为缸盖疲劳强度评估提供了重要依据ꎮ由于低周热机疲劳损伤机理复杂ꎬ热机疲劳寿命预测问题是当前研究的难点和焦点[１]１￣１２[９]ꎮ国内采用总应变法㊁修正的能量法等方法对气缸盖低周疲劳寿命进行了预测ꎬ获得了热冲击载荷下气缸盖火力面损伤结果ꎮ由于气缸盖鼻梁区呈现典型的反相位热机疲劳载荷特性ꎬ常规低周疲劳寿命预测模型精度较低ꎬ目前ꎬＳｅｈｉｔｏｇｌｕ模型[１０]１７６９￣１７８３被行业认为精度高最权威的ＴＭＦ模型ꎬ本论文将以该理论模型为依据进行气缸盖材料热机疲劳性能测试与表征及热机疲劳寿命预测研究ꎮ１㊀热机疲劳分析流程气缸盖热机疲劳寿命预测流程见图１所示ꎬ主要包括材料力学性能测试与表征㊁低周循环载荷条件下温度和应力应变行为分析和热机疲劳寿命评估等方面ꎮ测试气缸盖铸铝材料不同温度下导热率ꎬ为温度场预测提供材料边界ꎻ开展材料低周疲劳试验ꎬ获取材料弹塑性本构模型参数ꎬ为气缸盖热机耦合应力有限元分析提供边界ꎻ开展不同温度和相位条件下材料热机疲劳试验和蠕变试验等ꎬ获得材料应力应变行为与热机疲劳寿命之间的关系ꎬ进而构建Ｓｅｈｉｔｏｇｌｕ热机疲劳寿命预测模型和完成模型参数识别ꎮ采用ＡＶＬ￣Ｂｏｏｓｔ软件建立整机一维热力学仿真模型ꎬ得到发动机在怠速㊁额定功率负荷下进排气道气体温度㊁质量流量等参数ꎬ为三维缸内燃烧分析提供计算边界ꎮ然后ꎬ通过ＡＶＬ￣Ｆｉｒｅ软件进行缸内燃烧分析和缸体缸盖水套分析计算ꎬ并将燃烧和水侧换热边界映射至有限元模型ꎬ采用Ａｂａｑｕｓ软件对气缸盖进行温度场分析ꎬ通过多轮次耦合计算使得温度结果趋于稳定ꎬ并与实测结果相符合ꎮ依照整机热冲击试验规范ꎬ建立基于材料弹塑性非线性的有限元分析模型ꎬ获得怠速￣额定转速交变工况条件下气缸盖应力应变行为ꎬ进而基于Ｓｅｈｉｔｏｇｌｕ模型实现气缸盖热机疲劳损伤和寿命预测ꎮ图１㊀气缸盖热机疲劳寿命评估流程Ｆｉｇ.１㊀ＴｈｅｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄＴＭＦｌｉｆｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ２㊀热机疲劳损伤模型本文采用Ｓｅｈｉｔｏｇｌｕ模型[１０]１７６９￣１７８３ꎬ该模型考虑机械疲劳㊁环境效应和蠕变三种不同的损伤机制ꎮ疲劳(机械)损伤主要指由室温条件下应变幅主导的疲劳损伤ꎬ高温条件下的损伤主要包括环境损伤和蠕变损伤ꎮ总损伤与机械损伤㊁环境损伤和蠕变损伤之间的关系见公式(１)ꎬ寿命关系式描述见公式(２)ꎮＤＴＭＦ＝Ｄｆａｔ＋Ｄｅｎｖ＋Ｄｃｒｅｅｐ(１)式中ꎬＤＴＭＦ为总损伤ꎬＤｆａｔ为机械疲劳损伤ꎬＤｅｎｖ为环境损伤ꎬＤｃｒｅｅｐ为蠕变损伤ꎮ１/Ｎｔｏｔａｌｆ＝１/Ｎｆａｔｆ＋１/Ｎｅｎｖｆ＋１/Ｎｃｒｅｅｐｆ(２)式中ꎬＮｔｏｔａｌｆ为总寿命ꎬＮｆａｔｆ为机械寿命ꎬＮｅｎｖｆ为环境寿命ꎬＮｃｒｅｅｐｆ为蠕变寿命ꎮ在热机疲劳循环中ꎬ采用应变￣寿命方法来描述疲劳行为ꎬ疲劳寿命采用Ｍａｎｓｏｎ￣Ｃｏｆｆｉｎ方程来描述㊀１１８６㊀机㊀㊀械㊀㊀强㊀㊀度２０２１年㊀εｍｅｃｈ２＝εｅｍｅｃｈ２＋εｐｌｍｅｃｈ２＝σᶄｆＥ(２Ｎｆａｔｆ)ｂ＋εᶄｆ(２Ｎｆａｔｆ)ｃ(３)式中ꎬΔεｍｅｃｈ的机械应变幅ꎬσᶄｆ为疲劳强度系数ꎬＥ为弹性模量ꎬｂ为疲劳强度指数ꎬεᶄｆ为疲劳延展性系数ꎬｃ为疲劳延展性指数ꎮ这些参数通过室温条件下应变寿命试验来确定ꎮ环境损伤主要认为在环境温度影响下氧化等现象诱导裂纹扩展ꎬ不断将新鲜的金属材料暴露在环境中ꎬ环境损伤寿命可描述为１Ｎｅｎｖｆ＝ｈｃｒδｏＢΦｏｘＫｅｆｆｐéëêêùûúú－１/β２Δεｍｅｃｈ()２/β()＋１ε ｍｅｃｈ１－α/β()(４)式中ꎬｈｃｒ为临界氧化层厚度ꎬδ０㊁α㊁β和Ｂ均为材料常数ꎬε ｍｅｃｈ为机械应变速率ꎬＫｅｆｆｐ为有效氧化系数ꎬΦｏｘ为环境损伤相位调整系数ꎮ考虑载荷作用历程ꎬ蠕变寿命描述如下１Ｎｃｒｅｅｐｆ＝ΦｃｒｅｅｐʏＡｅ－ΔＨ/ＲＴ()α１σ＋α２σＨＫæèçöø÷ｍｄｔ(５)式中ꎬσ－是有效应力ꎬσＨ是流体静力学应力ꎬＫ是拖拉压力ꎬα１和α２是应力作用系数ꎬ表示在拉伸和压缩过程中发生损伤的相对量ꎬΦｃｒｅｅｐ是蠕变损伤相位调整系数ꎬＡ和ｍ是材料常数ꎬｔ是时间ꎮ３㊀气缸盖材料力学性能测试与表征为获得热机疲劳模型材料参数ꎬ设计了一系列低周应变寿命曲线试验和热机疲劳试验ꎬ试验过程分别见图２和图３ꎬ典型试验载荷见图４所示ꎮ低周疲劳试验基于Ｉｎｓｔｒｏｎ８８０１疲劳试验机开展ꎬ应变比为－１ꎬ测试温度包括室温㊁１５０ħ㊁２００ħ㊁２５０ħ和３００ħꎬ测试应变速率为１％/ｓꎮ另外ꎬ在２５０ħ和３００ħ下设计低应变速率０ １％/ｓ下应变寿命试验ꎬ以考虑蠕变对疲劳寿命的影响ꎮ通过低周应变疲劳寿命试验得到的塑性应变与应力关系见图５ꎬ低周疲劳试验结果见图６ꎮ材料ＴＭＦ测试基于ＭＴＳ８１０热机疲劳试验机进行ꎬ测试最高上限温度包括２００ħ㊁２５０ħ和３００ħꎬ每种温度考虑两种不同相位和约束系数ꎬ采用电感器加热方式加热ꎬ加热速率约为８ħ/ｓꎬ冷却使用压缩空气ꎬ最大温度保温６０ｓꎬ截止寿命选定为３０００次ꎮ图７为温度载荷１００ħ~２００ħꎬ约束比为１ꎬ下缸盖材料同相位ＴＭＦ试验结果ꎬ图７ａ为不同循环下总应变㊁机械应变和热应变变化曲线ꎬ图７ｂ为第二个㊁中值寿命和最后一个循环对应的应力应变滞后回环ꎬ图７ｂ和图７ｃ分别为中值寿命对应循环内温度和应变与时间的变化曲线ꎮ图２㊀材料低周疲劳测试装置Ｆｉｇ.２㊀Ｌｏｗｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｄｅｖｉｃｅｔ图３㊀材料ＴＭＦ测试装置Ｆｉｇ.３㊀ＴＭＦｔｅｓｔｄｅｖｉｃｅ基于上述低周疲劳试验和热机疲劳实验结果ꎬ以中值寿命循环应力应变为载荷输入和Ｓｅｈｉｔｏｇｌｕ模型为依托ꎬ以试验寿命为目标ꎬ采用多目标优化算法进行材料参数多目标优化和识别ꎬ模型计算结果和实测对比见图８所示ꎬ在６９个试验结果中ꎬ９０％以上预测结果在３倍误差带范围之内ꎮ４㊀热机疲劳寿命预测４ １㊀缸内燃烧换热边界确定本文缸盖热分析工作中缸内燃烧侧边界采用缸内燃烧数值模拟方法获得ꎮ缸内燃烧分析的湍流模型采用ｋ￣ζ￣ｆ模型ꎬ壁面传热采用ＳｔａｎｄａｒｄＷａｌｌＦｕｎｃｔｉｏｎ模型ꎬＰｏｉｓｓｏｎ方程求解采用Ｓｉｍｐｌｅ数值方法ꎮ对于三维缸内燃烧分析ꎬ喷雾模型中ꎬ破碎模型采用Ｗａｖｅ模型ꎬ蒸发模型采用Ｄｕｋｏｗｉｃｚ模型ꎬ壁面油膜模型采用Ｗａｌｌｊｅｔ１模型ꎬ燃烧模型采用Ｅｃｆｍ￣３Ｚ模型ꎮＣＦＤ￣ＦＥＡ燃气侧耦合交接面包括缸盖火力面㊁进排气门㊁进排气道和缸孔内侧ꎮ通过缸内３Ｄ燃烧分析获得燃气温度和换热系数ꎬ并将内流场温度和换热系数边界映射到缸盖三维ＦＥＡ模型上ꎮ额定工况下ＣＦＤ￣ＦＥＡ耦合单缸的燃气侧在一个发动机循环周期内平均温度和换热系数如图９㊁图１０所示ꎬ其他三缸燃气测的温度和换热系数采用与第一缸相同的ＣＦＤ结果ꎮ从图９可以看出ꎬ缸盖火力面温㊀第４３卷第５期邹萍萍等:基于Ｓｅｈｉｔｏｇｌｕ模型的发动机气缸盖热机疲劳寿命预测１１８７㊀㊀图４㊀材料疲劳试验载荷形式示意图Ｆｉｇ.４㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｍａｔｅｒｉａｌｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｌｏａｄｆｏｒｍ图５㊀塑性应变￣应力关系曲线Ｆｉｇ.５㊀Ｐｌａｓｔｉｃｓｔｒａｉｎ￣ｓｔｒｅｓｓｃｕｒｖｅｓ图６㊀应变￣寿命曲线Ｆｉｇ.６㊀Ｓｔｒａｉｎ￣ｌｉｆｅｃｕｒｖｅｓ度分布很不均匀ꎬ与燃烧过程密切相关ꎮ４ ２㊀水套流动换热边界确定水套的主要作用是吸收气缸盖燃烧产生的热量ꎬ确保气缸盖不会因为温度过高而出现故障ꎮ同时ꎬ气缸盖的热负荷也取决于温度分布的均匀性ꎬ温度梯度越大ꎬ气缸盖热负荷越高ꎮＣＦＤ￣ＦＥＡ耦合水冷边界主要是指缸体和缸盖的水套壁面ꎮ与三维燃烧ＣＦＤ分析相似ꎬ三维水套分析发动机额定工况和怠速工况两个点ꎬ为ＦＥＡ温度场分析的水冷边界提供壁面温度和换热系数ꎮ经三个轮次ＣＦＤ￣ＦＥＡ耦合计算ꎬ缸体缸盖水套近壁面的温度和对流换热系数趋于稳定ꎮ缸体缸盖水套最终速度和对流换热系数分布如图１１㊁图１２所示ꎬ流速越高的区域对应的换热系数也越大ꎬ带走的热量越多ꎮ４ ３㊀温度场分析与试验对标缸盖温度场分析ＣＡＥ模型见图１３ꎬ模型网格总数约４１０万ꎬ缸盖材料导热率结果采用实测值ꎮ缸内燃烧和冷却水腔换热边界由前述ＣＦＤ结果提供ꎮ额定工况下机油温度为１４０ħꎬ怠速工况为１００ħꎬ换热系数为ｌ３０Ｗ/(ｍ２ Ｋ)ꎮ额定工况下缸盖温度分布如图１４所示ꎬ结果显示缸盖火力面温度明显高于其他区域ꎮ受进气和排气温㊀１１８８㊀机㊀㊀械㊀㊀强㊀㊀度２０２１年㊀图７㊀ＴＭＦ试验结果Ｆｉｇ.７㊀ＴＭＦｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ图８㊀实测值和模型预测值对比Ｆｉｇ.８㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｅｓｔａｎｄｐｒｅｄｉｃｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓ图９㊀额定工况燃气侧温度分布Ｆｉｇ.９㊀Ｇａｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｔｒａｔｅｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎ度的影响ꎬ缸盖排气侧结构温度高于进气侧ꎬ整个模型最高温度出现在第二缸排气侧鼻梁区ꎬ最高温度为２０３ħꎮ为验证仿真分析的准确性ꎬ本文采用硬度塞法对发动机额定工况下各缸温度进行了试验测试ꎮ每缸布图１０㊀额定工况燃气侧换热系数分布Ｆｉｇ.１０㊀Ｇａｓｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｔｒａｔｅｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎ图１１㊀额定工况下水套速度分布Ｆｉｇ.１１㊀Ｖｅｌｏｃｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｃｏｏｌａｎｔｗａｔｅｒａｔｒａｔｅｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎ置了１２个测试点ꎬ四缸测点均采用相同的布置形式ꎬ各点分布位置如图１５所示ꎮ四缸各测点温度测试平均值和仿真对比果如图１６所示ꎬ结果表明仿真计算温度与测试温度趋势一致ꎬ相对误差基本在５％范围以内ꎮ４ ４㊀气缸盖热机疲劳寿命预测气缸盖热机疲劳损伤发生部位主要位于火力面气㊀第４３卷第５期邹萍萍等:基于Ｓｅｈｉｔｏｇｌｕ模型的发动机气缸盖热机疲劳寿命预测１１８９㊀㊀图１２㊀额定工况下水套换热系数分布Ｆｉｇ.１２㊀Ｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｃｏｏｌａｎｔｗａｔｅｒａｔｒａｔｅｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎ图１３㊀温度场分析ＣＡＥ模型Ｆｉｇ.１３㊀ＦＥＡｍｏｄｅｌ图１４㊀缸盖的温度场Ｆｉｇ.１４㊀Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄ图１５㊀温度测点布置Ｆｉｇ.１５㊀Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｅｓｔｐｏｉｎｔｓａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ门之间的鼻梁区域ꎬ同时由于整体模型自由度数量巨大ꎬ模型考虑温度和材料弹塑性等非线性特性ꎬ为节约计算成本ꎬ热机疲劳计算过程采用子模型方法ꎬ即整机模型采用线弹性模型计算ꎬ然后用整机模型位移结果作为边界驱动子模型进行详细计算ꎬ缸盖全局模型和子模型网格见图１７所示ꎬ有限元分析工况依照整机耐久试验确定ꎮ图１６㊀额定工况测试温度与仿真值对比Ｆｉｇ.１６㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｅｓｔａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｅｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｔｒａｔｅｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎ图１７㊀缸盖热机疲劳分析子模型Ｆｉｇ.１７㊀ＣｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄｓｕｂｍｏｄｅｌｏｆＴＭＦａｎａｌｙｓｉｓ气缸盖第二缸热机疲劳损伤计算结果见图１８ꎬ结果表明环境损伤在总热机疲劳损伤中占据主导作用ꎬ机械疲劳次之ꎮ由图１９的缸盖热机疲劳寿命结果可知ꎬ缸盖最低疲劳寿命为６８６０次ꎬ出现在第二缸进气和排气门之间的鼻梁区ꎬ各缸火力面疲劳寿命均符合低周疲劳耐久试验规范要求６０００次ꎮ５㊀气缸盖热机疲劳耐久试验验证整机热机疲劳耐久试验主要是考核气缸盖因温度变化引起应变所产生的低周疲劳ꎬ整个试验在某一发动机台架上进行ꎮ循环工况主要由怠速工况点和额定功率点两个工况交替运行组成ꎬ一个循环运行２８０ｓꎬ按试验要求总共运行６０００个循环ꎮ试验完成后拆机ꎬ经观测气缸盖表面没有发现热机疲劳裂纹ꎬ该气缸盖顺利通过试验考核ꎮ６㊀结论本文对某发动机气缸盖热机疲劳特性进行了研究ꎬ主要结论如下:１)从气缸盖本体取样开展了材料低周疲劳性能㊁热机疲劳性能等测试ꎬ并基于Ｓｅｈｉｔｏｇｌｕ热机疲劳模型进行了预测ꎬ相对实验寿命ꎬ９０％以上预测结果在３倍误差带范围内ꎻ２)根据缸盖火力面的测试温度和仿真温度对比㊀１１９０㊀机㊀㊀械㊀㊀强㊀㊀度２０２１年㊀图１８㊀第二缸火力面热机疲劳损伤分布Ｆｉｇ.１８㊀ＴＭＦｄａｍａｇｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｅｃｏｎｄｃｙｌｉｎｄｅｒ图１９㊀缸盖热机疲劳寿命Ｆｉｇ.１９㊀ＣｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄＴＭＦｌｉｆｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ可知ꎬ缸盖仿真分析温度与实测温度分布趋势基本一致ꎬ证明采用该耦合分析方法获得仿真分析结果能够较准确地反映缸盖的实际温度分布情况ꎻ３)通过缸盖热机疲劳分析可知ꎬ环境损伤是引起缸盖热机疲劳的主要因素ꎬ缸盖热机疲劳寿命均满足设计要求ꎬ且顺利通过了整机热机疲劳试验ꎮ参考文献(Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ)[１]㊀ＥｌａｎｇｈｏｖａｎＮꎬＳｔｅｆａｎＥꎬＪｏｈａｎＡＭꎬｅｔａｌ.ＥｆｆｅｃｔｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｆａｔｉｇｕｅｂｅｈａｖｉｏｕｒｏｆＡ３５６￣Ｔ７ｃａｓｔａｌｕｍｉｎｉｕｍａｌｌｏｙｓｕｓｅｄｉｎｈｉｇｈｓｐｅｃｉｆｉｃｐｏｗｅｒｉｃｅｎｇｉｎｅｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄｓ[Ｊ].Ｍａｔｅｒｉａｌｓꎬ２０２０ꎬ１３(５):１￣１２.[２]㊀ＭａｒｔｉｎＷꎬＡｎｄｒｅａｓＭＳꎬＭａｒｉｏｎＥꎬｅｔａｌ.ＴｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｆａｔｉｇｕｅｏｆｌｏｓｔｆｏａｍｃａｓｔＡｌ￣Ｓｉｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄｓ￣ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆｃｒａｃｋｏｒｉｇｉｎｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｐｏｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ[Ｊ].Ｍｅｔａｌｓꎬ２０１９ꎬ９(８２１):１￣１４.[３]㊀张全中ꎬ魏志明ꎬ刘长振ꎬ等.高承载铝质气缸盖优化设计研究[Ｊ].机械强度ꎬ２０１５(３):４９３￣４９７.ＺＨＡＮＧＱｕａｎＺｈｏｎｇꎬＷＥＩＺｈｉＭｉｎｇꎬＬＩＵＣｈａｎｇＺｈｅｎꎬｅｔａｌ.Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｈｉｇｈｌｏａｄａｌｕｍｉｎｕｍｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｔｒｅｎｇｔｈꎬ２０１５(３):４９３￣４９７(ＩｎＣｈｉｎｅｓｅ).[４]㊀ＧｕｏＸＪꎬＭｅｎｇＸＺꎬＳｈｅｎＱꎬｅｔａｌ.Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｉｎｔｏｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄｆａｉｌｕｒｅ[Ｊ].ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＦａｉｌｕｒｅＡｎａｌｙｓｉｓꎬ２０１８:９０.[５]㊀景国玺ꎬ张树勇ꎬ付文清ꎬ等.高强化柴油机铸铁缸盖承载特性研究[Ｊ].车用发动机ꎬ２０１７(１):４２￣４８.ＪＩＮＧＧｕｏＸｉꎬＺＨＡＮＧＳｈｕＹｏｎｇꎬＦＵＷｅｎＱｉｎｇꎬｅｔａｌ.Ｌｏａｄｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｃａｓｔｉｒｏｎｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄｆｏｒｈｉｇｈ￣ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅ[Ｊ].ＶｅｈｉｃｌｅＥｎｇｉｎｅꎬ２０１７(１):４２￣４８(ＩｎＣｈｉｎｅｓｅ).[６]㊀罗㊀通ꎬ冯文荣ꎬ黄㊀波ꎬ等.反求重构的气缸盖冷却水腔的ＣＦＤ分析与优化[Ｊ].机械强度ꎬ２０１５(３):１９９￣２０４.ＬＵＯＴｏｎｇꎬＦＥＮＧＷｅｎＲｏｎｇꎬＨＵＡＮＧＢｏꎬｅｔａｌ.ＣＦＤａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄｃｏｏｌｉｎｇｗａｔｅｒｃａｖｉｔｙｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｂｙｒｅｖｅｒｓｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｔｒｅｎｇｔｈꎬ２０１５(３):１９９￣２０４(ＩｎＣｈｉｎｅｓｅ).[７]㊀丛㊀林ꎬ于㊀群ꎬ何敬宇ꎬ等.６Ｓ５０ＭＣ￣Ｃ柴油机气缸盖的疲劳仿真[Ｊ].大连海事大学学报ꎬ２０１３ꎬ３９(４):８２￣８５.ＣＯＮＧＬｉｎꎬＹＵＱｕｎꎬＨＥＪｉｎｇＹＵꎬｅｔａｌ.Ｆａｔｉｇｕｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆ６Ｓ５０ＭＣ￣Ｃｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＤａｌｉａｎＭａｒｉｔｉｍｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ２０１３ꎬ３９(４):８２￣８５(ＩｎＣｈｉｎｅｓｅ).[８]㊀ＣｈｅｎＸꎬＢｒｅｗｅｒＴꎬＳｅｖｅｒＣꎬｅｔａｌ.Ｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄｄｅｓｉｇｎｐｒｏｃｅｓｓｔｏｉｍｐｒｏｖｅｈｉｇｈｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ[Ｚ].ＳＡＥＴｅｃｈｎｉｃａｌＰａｐｅｒꎬ２０１７:２０１７￣０１￣１０８５.[９]㊀ＳｅｖｅｒＣꎬＢｒｅｗｅｒＴꎬＥｅｌｅｙＳꎬｅｔａｌ.Ｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄｔｈｅｒｍｏ￣ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｆａｔｉｇｕｅｒｉｓｋａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｕｎｄｅｒｃｕｓｔｏｍｅｒｕｓａｇｅ[Ｚ].ＳＡＥＴｅｃｈｎｉｃａｌＰａｐｅｒꎬ２０１７:２０１７￣０１￣１０８６.[１０]㊀ＮｅｕＲＷꎬＳｅｈｉｔｏｇｌｕＨ.Ｔｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｆａｔｉｇｕｅꎬｏｘｉｄａｔｉｏｎａｎｄｃｒｅｅｐ:ＰａｒｔＩＩ.Ｌｉｆｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ[Ｊ].ＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓＡꎬ１９８９ꎬ２０(９):１７６９￣１７８３.。
航空薄壁结构在噪声载荷作用下振动响应研究
２ １ 确定噪声载荷的方法 ． 噪声载荷的确定是研究声激励下薄壁结构动
态响应的前提。然而 ， 实际过程中的噪声是 随空 间和时间随机变化 的， 因此实验坝量 成为确定噪 ４ 声的主要方法。关于噪声 载荷 的研究 ， 北京航空
肚金项 日： 航夺科学 金 资助 （２ ５ ０７ ０ Ｃ ４０ ）
不断深入 ， 发动机 中薄壁结 构的响应问题 引起了 越来越多的注意。 国内在声疲劳领域 内的研究工作起步较 晚， 虽然近几年发展较快 ， 涉足此方面研究的专家 但 学者不多 ， 而且大多数是 有关飞机结构声疲劳实
家学者应用有限元方法（ 参考文献［７ ［ ８ ） １ ］ １ ］ 来 分析结构声疲劳问题 。尽管许多学者十分关注薄
线性振动理论 。 研究薄壁板结构在声激励载荷作
用下动力响应问题 。 出了一种估算薄壁板结构 提 在声激励下 的响应方法。 在此种方法的基础上 ， 通
实际过程 中由于某些结构的复杂性和工作环
境的特殊性 ， 仅仅通过实验测量 的数据不足以代 表结构件本身的噪声载荷。因此必须与理论分析
过 推导计算可以得到某四边固支薄板的位移和应 力功率谱密度响应公式 ， 现给 出其位移响应功率
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２３ 年２ 期 ０ 卷第１ ０ 第２ ６ 月
Ｊｕ ａ ｏＳｅｙ 阳航空工业学院学报 ｌ ｎｉ ｅｎ ｏｒ ｌｆ ｈ 沈 ８ ｎｔ ｔｏ Ａｒ ａｔａ Ｅｇ ｅｒ ｇ ｎ ｎａ ｓｔｅ ｆ ｅ ｎｕｃ ｎ ｉ ｎ Ｉ ｉ ｏ ｉ ｕ
辐射技术 的研究 ， 是现在航空航天领域研究的 两大课题。从结构使用的可靠性角度 出发 ， 声疲 劳问题更加突出。 声疲劳是结构在声激励下 ， 因结构中快速交 变应力的作用丽使结构产生声疲劳破坏 的现象， 这种快速交变应力是因为噪声激励引起结构振动 而产生的。国外对飞机薄壁结构件的声疲劳问题
基于应力概率密度和功率谱密度法的随机声疲劳寿命预估方法研究
某些频 率上 将 产生 足 够 大 的应 力 ， 而 导致 结 构 的 高 从
周疲 劳失 效 。在航空 发动 机结 构 设计 过 程 中进 行 随机
均 值高斯 过程 ， 文献 ［ ］ Ｖ ｎＭｉ ｓ 力 过程 概 率 分 ２ 对 ｏ ｓ 应 ｅ 布进行 了研 究 ， 且 给 出 了求解 其 概 率 分 布 的近 似 方 并
中图 分 类 号 ：Ｖ １． ； ２ ２６ ２５ ５ Ｖ ３ 文 献 标 识 码 ：Ａ
声 疲劳 是 结构 在 高 频 低 幅值 随机 载荷 作 用 下 ， 因
如 Ｆ：
结构 中快速交 变应力 的作 用 而使 结 构产 生 疲 劳破 坏 的
现象 ， 这种快 速 交 变应 力 是 因为 噪声 激励 引起 结 构 振 动而 产生 的。航空发 动机 某些 薄壁 结构 在 随机 噪声 载 荷作用 下会 产 生多 数 模 态 参 与 的宽 频 带 随机 振 动 ， 在
振
动
与
冲
击
第２ ９卷第 １期
Ｊ ＯＵＲＮ Ｂ ＡＬ ＯＦ ＶＩ ＲＡＴＩ ＡＮＤ Ｓ ＯＮ ＨＯＣＫ
基 于应 力概 率密 度和 功 率谱 密度 法 的 随机声 疲 劳寿 命预 估 方法 研 究
沙 云东 ，郭小鹏 ，张 军
１０ ３ ） １１６
（ 阳航 空 工 业学 院 辽 宁 省 数 字 化 工 艺 仿真 与试 验 技 术 重 点 实 验 室 ， 阳 沈 沈
数 。基于 Ｍｉ ｒ 性理论 ， 出了基 于应力 概率 密度 和 ｎ 线 ｅ 提
Ｅ５ （ ）＝７ ｆ ＋１ ／ ～ ） Ｆ１
（） ３
。ｖ＝。（＋ 一２ ＋ 】 （ （ 叩ｒ ）Ｆ ） ４ Ｓ ［１ ） （ ）
式 中 ，ｒ为伽玛 函数 。
热声联合作用下金属薄壁结构动态响应分析
成 果 。文 献 [3]研 究 了 热 声 载 荷 作 用 下 薄 壁 结 构 的 跳 变 响 应 ,Lee[4]基 于 Galerkin法 得 到 了 表 征 结 构 热 声 响 应 的 统 计 参 数 。NASA Dryden飞 行 研 究 中 心 开 展 了 招 合金、 钛合金和复合材料壁板结构试验件的热模态和 热 屈 曲 试 验 研 究 。近 年 来 ， 国内学者在该领域的研究 工 作 也 取 得 了 一 定 进 展 。沈 阳 航空航天大学的 沙 云 东 等 [5<在 随 机 压 力 载 荷 作 用 下 高 温 薄 壁 结 构 动 态 响 应 计 算 方 法 方 面 进 行 了 较 为 系 统 的 研 究 。西安交 通 大 学 的耿谦等[7]利 用 其 所 建 立 的 考 虑 热 应 力 因 素 的 声 -振 耦含动力学方程研究了热应力对飞行器结构及 其 内 声
摘 要 ： 未来飞行器在服役过程中会遇到气动热、 力、 振动、 噪声等多种载荷联合作用的严酷环境， 其结构设计、 分 析 与 试 验 验 证 面 临 巨 大 的 技 术 挑 战 。针 对 受 热 结 构 在 随 机 噪 声 载 荷 作 用 下 的 动 态 响 应 问 题 ， 采用基于顺序耦合策 略 的 谱 分 析 法 分 析 热 声 搞 合 动 态 响 应 。通 过 对 典 型 结 构 的 仿 真 分 析 ， 给出了响应均方根应变和功率谱密度响应等 计算结果， 并 与 试 验 结 果 从 数 值 和 形 态 上 进 行 了 比 较 。结 果 表 明 ， 结构受热后各阶局部模态频率降低明显， 功率谱 密度响应曲线峰值对应的频率发生明显的前移， 随机噪声载荷引起的响应均方根应变很小， 并且仅能激起结构的 局部模态， 分析与试验结果在趋势与数值上均吻合较好， 具有较好的工程实用性。 关键词： 随 机 ;谱 分 析 法 ;模 态 ； 均 方 根 ;功 率 谱 密 度 中 图 分 类 号 :V 2 1 4 . 4 ， V 215 文 献标识码 :A 文 章 编 号 :1671 - 654 X ( 2 0 1 7 ) 0 4 - 0 0 8 5 - 04
薄壁板在随机声载荷作用下的振动响应谱估算
中图分类号 ：Ｏ ２ ３２ 文献标 识码 ：Ａ
飞行器结构设计 中为减轻重量 ， 大量使 用薄壁 板 壳结构 。在发动机喷流噪声 、 超音 速或高超音 速飞行 时机 身 空气 动 力 性 噪声 的 作 用 下 ， 些 结 构 承 受 着 高 这 声级 噪声 载荷 （５ １０—１０ ｄ ８ Ｂ以 上 ） 。声 载 荷 与 热 载 荷 和机械力载荷联合作用下 ， 将会 引起高频振动应力 ， 从 而造 成疲 劳失 效 。飞行 器 结 构设 计 准 则 中规 定 必 须 对 可能 受 强噪声 作 用 的薄 壁 结 构 进 行 声 疲 劳 分 析 ， 进 并 行抗声疲劳 的强度 寿命设 计 。声疲 劳问题 的研究 中， 结构对声载荷 的响应估算是 进行声疲 劳分析 的关 键 。 由于问题的复杂性 ， 对飞行器蒙皮、 航天器 隔热 防护板 等结构 ， 在计算分析 和实验研究 中经 常选用薄壁 板结 构作 为简 化模 型 － Ｊ １ 。考虑 到 飞机 设 计 中采 用 基 于 薄 壁 板 基频模 态 响 应 的经 验 公 式 。 于 某 些 具 有 多 模 态 对 的薄壁板结构实际上存在较 大误差 Ｊ 。为进一步揭 示声激励 、 结构模态参数和响应之间的关系 ， 本文研究 了具有 多模 态 的薄 壁板 结 构 在 声 载 荷 作 用 下 振 动 响 应 谱 的估算方法 。采用结合受纳 函数描述结构模态和声 场空间压力分 布的耦 合关系 ， 建立 了基 于正交模态 法 的动态响应计算模型。选取具有 固支边界 的金属薄壁 板 单元 作 为研 究 对 象 ， 现 了 结 构 的振 动 位 移 和 应 力 实 响应 谱 的计 算。算 例 中采 用 薄 壁 板 声 激 励 响 应 试 验 中的试验件作为计算对象 ， 以试验测得 的噪声 载 荷作输入 ， 将计算结果 与试验结果进行 比较和讨论 。
复合材料薄壁结构在热声载荷作用下的非线性动态响应特性分析
（ Ｆ ａ ｃ ｕ ｌ ｔ ｙ ｏ ｆ Ａｅ ｒ ｏ ｓ ｐ ａ ｃ ｅ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ，Ｓ ｈ ｅ ｎ ｙ ａ ｎ ｇ Ａ ｅ ｒ ｏ ｓ ｐ ａ ｃ ｅ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｓ ｈ ｅ ｎ ｙ ａ ｎ ｇ １ １ ０ １ ３ ６ ）
ｒ ｅ ｓ ｐ ｏ ｎｓ ｅ． Ｔｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｓ ａ ｎ ｏｎ ｌ ｉ ｎｅ ｒ ａ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎｔ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｔ ｏ ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｒ ｅ ｓ ｐｏ ｎ ｓ ｅ ｃ ａ ｌ ｃ ｕｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｃ ｈ ｒａ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ 。 ｔ ｉ ｃ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈｉ ｎ ． Ｗａ ｉ ｌ ｅ ｄ ｓ ｔ ｒ ｕｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ｕ ｎｄ ｅ ｒ ｈｅ ｔ ｃ ｏ ｍｂ ｉ ｎ ｅ ｄ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｍ ａ ｒ ｌ ｎｄ ａ ａ ｃ ｏ ｕ ｓ ｔ ｉ ｃ ｌ ｏ ａ ｄｓ ． Ｔｈ ｅ ｎ ｏ ｎｌ ｉ ｎｅ ａ ｒ ｌ ｒｇ ａ ｅ ｄ ｅ ｌｅ ｆ ｃ ｉｏ ｔ ｎ ｅ ｑ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｓ ｏｆ ｃ ｏ ｍ ｐｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｐ ａ ｎ ｅ ｌ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅ ｍ ａ ｒ ｌ ａ ｃ ｏ ｕｓ ｔ ｉ ｃ ｌ ｏ ａ ｄ ｉ ｎ ｇ ｓ ａ ｒ ｅ ｅ ｓ ｔ ａ ｂｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｌｕ ｆ — ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｎ ｏ ｎ ｌ ｉ ｎ ｅ ｒ ａ ｒ ｅ ｃ ｏｖ ｅ ｒ ｙ ． ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｔ ｏ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕｒ ｅ ｖ ｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｓ ｄ ｉ ｓ ｃ ｕｓ ｓ ｅ ｄ． Ｔｈ ｅ ｎ ｈｅ ｔ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｏ ｆ ｇ ｅ ｏｍ ｅ ｔ ｒ ｙ ｎ ｏ ｎ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｉ ｔ ｙ ｃ ａ ｕｓ ｅ ｄ ｂ ｙ ｔ ｈ ｅ ｍ ａ ｒ ｌ ｎｄ ａ ａ ｃ ｏ ｕｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｌ ｏａ ｄ ｉ ｎ ｇｓ ｏ ｎ ｄ ｙｎ ａ ｍｉ ｃ ｒ ｅ ｓ ｐｏ ｎ ｓ ｅ ｏ ｆ ｐ ｎｅ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ａ ｎ ｌｙ ａ ｚ ｅ ｄ． Ｔｈｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ
估算谱载荷下疲劳寿命的累积破坏率法
第21卷第3期机 械 强 度V o l.21N o.3 1999年9月JOU RNAL O F M ECHAN I CAL STR EN GTH Sep tem ber1999估算谱载荷下疲劳寿命的累积破坏率法ΞPROBAB I L IT Y FA I L URE ACCU M ULAT IVE M ETHOD FORPRED I CT ING FAT IGUE L IFE UND ER SPECTRU M LOAD ING郑晓阳ΞΞ 谢基龙(北方交通大学机械和电气工程学院,北京100044)Zhe ng X ia oya ng X ie J ilong(Institu te of M echanical&E lectrical E ng ineering,N orthern J iaotong U niversity,B eij ing100044,Ch ina) 摘要 提出一种新的估算谱载下疲劳寿命的方法,即累积破坏率法。
该方法在对等幅疲劳寿命统计分析的基础上,推导出任意应力下对数疲劳寿命的概率密度函数,从而利用累积破坏概率估算谱载下构件的疲劳寿命。
本文利用16M n 与车轮铸钢对该方法进行了验证,结果表明累积破坏概率法能较为准确地进行变幅疲劳寿命的可靠性预测,有较好的工程应用价值。
关键词 破坏率 概率密度函数 对数疲劳寿命 平均秩中图分类号 T G11118 TH114 TB11413Abstract T h is article offers a new m ethod fo r esti m ating the fatigue life.O n the basis of the statistic analysis of the constant amp litude fatigue life,the logarithm ic fatigue life p robability density functi on is deduced under arbitrary stress level and then the p robability failure accum ulative m ethod is used to p redict the fatigue life.In th is paper,the 16M n speci m en w ith w elded j o int and w heel steel are used as examp les to verify the m ethod.T he result show s that the fatigue life under spectrum loading can be p redicted mo re accurately and reliability by the p robability failure accum ulative m ethod,and the result also show s that the m ethod is useful in engineering app licati on.Key words probability fa ilure accu m ulation,probability den sity function,logar ith m ic fatigue life,m ean rank1 引言在估算变幅载荷作用下构件的疲劳寿命的过程中,M iner法则以等幅试验为依据,计算简便,曾得到广泛应用。
一种考虑非线性跳变响应的高低周复合疲劳寿命预估方法
专利名称：一种考虑非线性跳变响应的高低周复合疲劳寿命预估方法
专利类型：发明专利
发明人：沙云冬,唐晓宁
申请号：CN202111272510.0
申请日：20211029
公开号：CN113971346A
公开日：
20220125
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供一种考虑非线性跳变响应的高低周复合疲劳寿命预估方法，涉及飞行器寿命评估技术领域。
本发明采用理论分析和数值模拟，得到了热声载荷耦合作用下薄壁结构复杂的动态响应，结构进行大挠度运动时，应力循环不对称，即出现平均应力，因此，需要采用平均应力模型对平均应力进行等效化处理，采用改进的雨流计数法和Miner线性损伤累积理论对特定热声载荷作用下的结构进行高低周复合疲劳寿命估算。
本发明的计算方法对理解热声载荷下航空薄壁结构的非线性响应的机制和特性，以及进行薄壁结构的抗声疲劳设计具有重要的参考价值。
申请人：沈阳航空航天大学
地址：110136 辽宁省沈阳市道义经济开发区道义南大街37号
国籍：CN
代理机构：沈阳东大知识产权代理有限公司
代理人：李珉
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核主泵主轴表面的热疲劳分析与寿命预报
核主泵主轴表面的热疲劳分析与寿命预报*胡光举，林鹏，吴承伟**工业装备与结构分析国家重点实验室，大连理工大学运载工程与力学学部，大连，116024摘要：核主泵主轴一般工作在接近300°C的温度环境中，但会频繁受到冷却水的热冲击作用，由此产生的热应力容易导致主轴表面产生疲劳裂纹，所以有效预测核泵主轴的热疲劳寿命意义重大。
本文分析了热冲击过程中的瞬态温度场、热应力场等变化规律，用数值模拟方法研究了热冲击的频率、冲击温度和冲击区域等参数对热疲劳寿命的影响，发现热冲击区域长度和冲击温度对表面热应力影响较大，疲劳裂纹将首先发生在材料表面，然后向内部扩展，到达一定深度后止裂。
关键词：核泵主轴；热冲击；疲劳寿命引言2011年日本大地震引起的核泄漏事件震惊了世界，核安全问题再次成为人们关注的焦点。
核主泵（又称反应堆冷却剂循环泵）是核岛唯一不间断动力源，是核岛内唯一的高速旋转机械，被誉为反应堆的“心脏”，保证其安全运行是必须解决的关键核安全问题[1-3]。
核主泵主轴作为核主泵中的关键部件，在高温高压强辐射的环境中超长时间的高速运动，承受着各种频率的交变载荷，非常容易产生机械疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳、蠕变疲劳等疲劳行为[4]。
其中，由频繁的热冲击引起的热疲劳问题最为突出。
然而目前国内关于核主泵主轴热疲劳方面的研究较少，本文在对核主泵主轴整体模型加以简化的基础上，考察几个主要因素对核主泵主轴热疲劳问题的影响，结果可以为核主泵主轴以及相关的设计提供参考。
1热应力与热疲劳零件由于温度差而产生的应力称为热应力，主要存在两种情况：一方面，零件热胀冷缩的变形受到了外加约束的限制；另一方面，即使不存在外加约束，零件内部温度分布不均所导致的热胀冷缩不一致同样会产生热应力[5]。
工程结构中的破坏绝大部分是在交变载荷作用下发生的疲劳破坏，是非常普遍的机械破坏形式[6-7]，其中热疲劳是指零件在循环热应力反复作用下产生的疲劳破坏[8]。
水轮机叶片的疲劳寿命预测与安全评估研究
水轮机叶片的疲劳寿命预测与安全评估研究水轮机是一种将水的动能转换为机械能的装置，被广泛应用于水力发电站。
作为水轮机的核心部件，叶片的质量和性能直接影响到水轮机的输出效率和寿命。
然而，由于叶片长期受到水流的冲击和磨损，其存在一定的疲劳寿命限制。
因此，对水轮机叶片的疲劳寿命预测与安全评估进行研究具有重要意义。
水轮机叶片的疲劳寿命预测是通过对叶片材料的疲劳性能进行测试和分析得出的。
材料的疲劳性能通常通过疲劳试验来确定，该测试方法是将叶片制成标准试件，在特定载荷下进行循环加载，并根据试件的载荷历程和变形情况来评估其疲劳寿命。
这些试验通常需要大量的时间和资源投入，并且在实际使用中很难完整地重现水流对叶片的作用。
为了减少试验成本和提高预测准确性，研究者们逐渐将数值模拟方法引入到水轮机叶片的疲劳寿命预测中。
数值模拟方法基于叶片的材料力学性质和水流力学特性，通过建立数学模型和求解相应的方程来模拟叶片在不同工况下的应力和变形分布。
通过对这些应力和变形数据进行处理和分析，可以得到叶片的疲劳寿命预测结果。
水轮机叶片的安全评估则是对其在实际工况下的安全性进行评价。
安全评估通常包括两个方面的内容，一个是静态强度评估，即确定叶片在额定工况下是否具备足够的强度来承受水流的冲击和压力；另一个是疲劳强度评估，即确定叶片在长期循环加载下的疲劳寿命是否符合设计要求。
这两个方面都需要建立准确的数学模型和进行复杂的计算分析，以得到可靠的评估结果。
在进行水轮机叶片的疲劳寿命预测与安全评估时，需要考虑多种因素的综合影响。
首先是水流的作用力和流速变化对叶片的载荷影响，这需要通过实验测量或数值模拟来得到准确的数据。
其次是叶片的材料性能和叶片结构的几何形状对疲劳寿命的影响，这需要通过材料试验和结构分析来得到相关参数。
最后是水轮机叶片的使用环境和管理维护对疲劳寿命的影响，这需要通过实际使用和运行记录的分析来获取。
在疲劳寿命预测与安全评估的过程中，需要采用多种方法和技术来提高预测的准确性和可靠性。
热声载荷作用下金属薄壁结构的振动响应与试验验证
热声载荷作用下金属薄壁结构的振动响应与试验验证沙云东;王建;骆丽;赵奉同;贾秋月【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2017(036)020【摘要】针对航空航天薄壁结构在热声载荷作用下的非线性振动响应问题,基于声振耦合理论,采用耦合的有限元/边界元法对四边固支高温合金矩形薄壁结构进行了动力学响应计算.重点研究了薄壁结构在行波加载与扩散场加载条件下的振动应力/应变响应规律,讨论了温升对结构振动响应的影响规律,分析了薄壁结构热屈曲(Thermal-buckling)和跳变(Snap-through)响应特性.通过将薄壁结构在不同温度条件下的振动模态以及动态应变响应的仿真结果与热环境下的声激振试验结果进行对比,表明计算的基频量值及随温度的变化关系与试验结果获得较好的一致性,计算的应变响应与试验测试结果量值相当,验证了热声响应计算方法与模型的有效性.该研究提出的金属薄壁结构在热声载荷作用下的非线性振动响应计算方法及分析结论对进一步开展热声疲劳寿命预测及动强度设计提供依据.【总页数】8页(P218-224,232)【作者】沙云东;王建;骆丽;赵奉同;贾秋月【作者单位】沈阳航空航天大学辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室,沈阳110136;沈阳航空航天大学辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室,沈阳110136;沈阳航空航天大学辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室,沈阳110136;沈阳航空航天大学辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室,沈阳110136;沈阳航空航天大学辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室,沈阳110136【正文语种】中文【中图分类】O322【相关文献】1.热声载荷下薄壁结构非线性振动响应分析及疲劳寿命预测 [J], 贺尔铭;刘峰;胡亚琪;赵志彬2.热声载荷下薄壁开孔结构振动响应与寿命预估 [J], 王建;沙云东;赵奉同;骆丽3.薄壁结构在热声载荷下的疲劳寿命分析与试验验证 [J], 王建;沙云东4.热声环境下薄壁加筋结构的振动响应研究与疲劳寿命分析 [J], 王建;沙云东5.碳/碳复合材料薄壁壳结构在热声载荷作用下非线性响应 [J], 李华山;沙云东;唐晓宁;赵奉同;栾孝驰;蒋金卓;因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
热-噪声载荷作用下薄壁结构非线性动态响应分析
热-噪声载荷作用下薄壁结构非线性动态响应分析
李纪永;李舜酩;沙云东
【期刊名称】《机械科学与技术》
【年(卷),期】2012(031)007
【摘要】研究热噪声载荷作用下薄壁结构非线性动态响应特性,分析了薄壁结构热屈曲前后模态阵型及模态频率变化。
进一步计算了热-噪声载荷联合作用下薄壁结
构的横向位移响应,分析薄板中点位移概率密度,指出热屈曲板在强噪声载荷作用下,可围绕着两个平衡位置振动,发生跳变响应,且其响应频率随着声压级增大而增大。
最后计算横向位移功率谱密度,研究结构几何非线性对结构刚度的影响,得出由于热
及噪声对结构动态响应贡献不同,其共振频率及相应的功率谱密度发生规律性变化。
【总页数】4页(P1128-1131)
【作者】李纪永;李舜酩;沙云东
【作者单位】南京航空航天大学,南京210016;南京航空航天大学,南京210016;沈阳航空航天大学,沈阳110136
【正文语种】中文
【中图分类】V215.5;V232.6
【相关文献】
1.变温度载荷下薄壁结构非线性动态响应分析 [J], 李纪永;李舜酩;马赛;方立成
2.复合材料薄壁结构在热声载荷作用下的非线性动态响应特性分析 [J], 鲍冬冬;沙云东;蒋娜娜
3.复合材料薄壁结构在热声载荷作用下的非线性动态响应特性分析 [J], 鲍冬冬;沙云东;蒋娜娜;
4.加筋板在热声载荷作用下的非线性动态响应分析 [J], 钟皓杰;沙云东;魏静
5.加筋板在热声载荷作用下的非线性动态响应分析 [J], 钟皓杰;沙云东;魏静;
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带有温度梯度的热载荷与声载荷作用下薄板动态响应
带有温度梯度的热载荷与声载荷作用下薄板动态响应沙云东;朱林;栾孝驰;张国治;冯飞飞【摘要】With the improvement of the advanced aircraft performance,they are facing increasingly severe aerodynamic heating,noise,mechanical load and so on,under the action of those complex loads,the aircrafts reveal nonlinear vibration characteristics.The aerodynamic heating from supersonic flight induces elevated temperatures that affect material selection and significantly alter structural design practices. Thermal gradients and internal thermal expansion also introduce thermal buckling phenomenon.Here,considering the influence of thermo-acoustic loadings, vibration characteristics of a simply supported plate under thermal loadings with temperature gradient and random acoustic loadings were investigated.According to nonlinear large deflection governing equations for isotropic thin-walled structures undergoing thermo-acoustic loadings,the modal frequencies of the simply supported plate,and its thermal buckling temperature difference with temperature gradient were derived.The dynamic stress response of the simply supported plate under thermo-acoustic loadings were calculated before and after thermal buckling using the FE numerical calculation method,Probabilitydensity,power spectral density,and root mean square of the stress were statistically analyzed in details.%随着先进飞行器性能的提高，它们面临着日益严峻的热、噪声、机械载荷等，在这些复杂载荷的作用下，会引发非线性振动特性。
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Ｎｏ ｎ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｒ ｅ ｓ ｐｏ ｎｓ ｅ ａ ｎ ｄ ｆ ａ ｔ ｉ ｇ ｕ ｅ ｌ ｉ ｆ ｅ ｅ ｓ ｔ ｉ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｉ ｎ— ｓ ｈｅ ｌ ｌ ： ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ｕｎ ｄｅ ｒ ｔ ｈｅ ｒ ｍ ｏ． ａ ｃ ｏ ｕｓ ｔ ｉ ｃ ｌ ｏ ａ ｄ ｓ
损伤理论和雨流循环计算 法对 薄壁壳结构疲 劳寿命进行 了估算 。结 果表 明， 薄壁壳在热声 载荷下 的非线性响应呈现明显的稳定 一 失稳 一稳定 过程 ， 结构 寿命 在失稳状 态下受 到严重影 响 ； 非 线性 响应 的应力幅值和均值共同表 征结构 的疲 劳损伤特性 。 关键词 ： 薄壁壳 ； 热声载荷 ； 热屈曲 ； 跳变响应 ； 疲劳寿命
第３ ２ 卷 第３ 期
２ ０ １ ５年 ６ 月
沈 阳 航 空 航 天 大 学 学 报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｓｈ ｅ ｎｙ ａ ｎｇ Ａｅ ｒ ｏ ｓ ｐ ａ ｃ ｅ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ
Ｖｏ１ ． ３２ ＮＯ． ３ Ｊ ｕｎ． ２ ０ １ ５
摘要 ： 高超飞行器表面薄壁结构在热声载荷下发生复杂非线性 响应 ， 结 构内部快速变化 的应力 对 结构疲劳寿命 有显著影 响。在原有平板结构计算结果基础上 ， 利用 有限元法对 薄壳结构在热声 载 荷下的大挠度非线性 随机 响应进行 了分析 ， 得到 了薄壁壳在 均匀温度下 的非线性 响应 ， 结合线 性
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文章编号 ： ２ ０ ９ ５—１ ２ ４ ８ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ３—０ ０ １ ８— ０ ７
热 声 载 荷作 用 下 薄 壁 壳结 构 非 线 性 响应及 疲 劳寿命 估 算
张 国治 ， 沙云 东， 朱 林， 冯飞飞
（ 沈 阳航空航天大学 辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室 ， 沈阳 １ １ ０ １ ３ ６ ）
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