振動與疲勞的關(guān)系

美國材料試驗(yàn)協(xié)會 (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)承受擾動應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動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環(huán)境之中，它們直接或間接受到各種不同動態(tài)載荷的激勵作用，在長時(shí)間的振動損傷累積作用下，終發(fā)生疲勞斷裂。如汽車行駛時(shí)要經(jīng)受發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的振動以及地面不平、緊急剎車等引起的動態(tài)載荷，一些安裝附件的支架結(jié)構(gòu)容易受到振動信號的作用而發(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)展和快速斷裂三個階段。由于結(jié)構(gòu)裂紋改變了結(jié)構(gòu)的動力特性，同樣也就改變了結(jié)構(gòu)動力特性對疲勞的作用。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??；與此同時(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，振動激勵的頻率偏離結(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)展速率又會開始下降。

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

振動疲勞壽命計(jì)算理論

如同基于時(shí)域疲勞分析方法一樣，振動疲勞壽命分析的關(guān)鍵一步就是在獲取結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)應(yīng)力信號PSD 以后，根據(jù)應(yīng)力的PSD 信號，計(jì)算結(jié)構(gòu)的疲勞壽命問題。根據(jù)上面的分析流程，對獲取的信號進(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)單位激勵信號的響應(yīng)，利用結(jié)構(gòu)響應(yīng)分布以及測試的激勵信號，配合結(jié)構(gòu)疲勞數(shù)據(jù)獲取疲勞壽命數(shù)據(jù)。