振動(dòng)與疲勞的關(guān)系

美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì) (ASTM) 在“疲勞試驗(yàn)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)之有關(guān)術(shù)語的標(biāo)準(zhǔn)定義”(ASTM  E206-72) 中定義“疲勞是在某點(diǎn)或某些點(diǎn)承受擾動(dòng)應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動(dòng)作用之后形成裂紋或*斷裂的材料中所發(fā)生的局部的、永 JIU 結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程。”很明顯結(jié)構(gòu)疲勞與其受到的振動(dòng)載荷密切相關(guān)。工程實(shí)際中，絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)或設(shè)備都處于不同程度的振動(dòng)環(huán)境之中，它們直接或間接受到各種不同動(dòng)態(tài)載荷的激勵(lì)作用，在長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)損傷累積作用下，終發(fā)生疲勞斷裂。如汽車行駛時(shí)要經(jīng)受發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)以及地面不平、緊急剎車等引起的動(dòng)態(tài)載荷，一些安裝附件的支架結(jié)構(gòu)容易受到振動(dòng)信號(hào)的作用而發(fā)生短期疲勞。

結(jié)構(gòu)的疲勞過程包括裂紋的形成、裂紋擴(kuò)展和快速斷裂三個(gè)階段。由于結(jié)構(gòu)裂紋改變了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，同樣也就改變了結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性對(duì)疲勞的作用。例如，趨向共振的結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展速率加快，結(jié)構(gòu)疲勞破壞加?。慌c此同時(shí)，由于疲勞裂紋的擴(kuò)展，結(jié)構(gòu)的自然頻率發(fā)生變化，振動(dòng)激勵(lì)的頻率偏離結(jié)構(gòu)自然頻率，結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離共振狀態(tài)，因此結(jié)構(gòu)的裂紋擴(kuò)展速率又會(huì)開始下降。

從以上分析，可以發(fā)現(xiàn)振動(dòng)與疲勞密不可分，解決疲勞問題必須同時(shí)兼顧結(jié)構(gòu)對(duì)外界激勵(lì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征。以往簡(jiǎn)單的忽略結(jié)構(gòu)對(duì)外界載荷動(dòng)態(tài)特性的疲勞分析方法是不準(zhǔn)確的，特別是對(duì)于一些受到振動(dòng)信號(hào)作用的支架類零部件，更加需要根據(jù)振動(dòng)激勵(lì)信號(hào)，開展振動(dòng)疲勞壽命分析和研究。

振動(dòng)疲勞壽命計(jì)算理論

如同基于時(shí)域疲勞分析方法一樣，振動(dòng)疲勞壽命分析的關(guān)鍵一步就是在獲取結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)應(yīng)力信號(hào)PSD 以后，根據(jù)應(yīng)力的PSD 信號(hào)，計(jì)算結(jié)構(gòu)的疲勞壽命問題。根據(jù)上面的分析流程，對(duì)獲取的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，得到可以通過程序進(jìn)行疲勞計(jì)算的輸入數(shù)據(jù)，然后利用MSC.nastran 軟件開展結(jié)構(gòu)頻率響應(yīng)分析，獲取結(jié)構(gòu)單位激勵(lì)信號(hào)的響應(yīng)，利用結(jié)構(gòu)響應(yīng)分布以及測(cè)試的激勵(lì)信號(hào)，配合結(jié)構(gòu)疲勞數(shù)據(jù)獲取疲勞壽命數(shù)據(jù)。