[发明专利]含残余应力支架随机振动疲劳寿命的预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及船舶构件领域，具体涉及一种含残余应力支架随机振动疲劳寿命的预测方法。

背景技术

现有技术中，凡在振动环境中运行的工程结构都把抗疲劳作为结构设计的重要准则。但是关于船舶构件的疲劳问题，振动疲劳分析仍属于较少涉及的领域，尤其是对于专用的船舶减振支架进行含残余应力的随机载荷振动疲劳寿命预测基本上空白，不能对提高和改进减振支架的运行安全性和寿命延长提供有力依据。现有文献中在考虑残余应力对振动疲劳寿命的影响时，只是单一的将残余应力影响考虑为对结构增加初始应力，均未将残余应力对结构材料性能产生的影响考虑在内，这样分析计算的寿命结果偏高，结构可能在未达到预期寿命时就会发生破坏。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种含残余应力支架随机振动疲劳寿命的预测方法。本发明分析方法解决了目前现有技术中未涉及到对船舶专用减振支架进行随机振动疲劳寿命计算及预测的问题，克服了对结构在随机载荷作用下振动疲劳寿命的现有分析结果不准的问题。

技术方案：含残余应力支架随机振动疲劳寿命的预测方法，包括以下步骤：

(a)建立支架结构整体隔振系统有限元模型，并为各个结构模块赋予各自的材料属性；

(b)利用有限元法对支架结构进行振动特性分析，确定支架结构的固有频率和振型，且分析整体隔振系统在随机振动载荷作用下的动态应力响应谱，确定支架结构最大应力S_max和功率谱密度函数曲线f～G(f)；

(c)根据步骤(b)中的支架结构的振型和结构应力等于或接近于最大应力的区域确定支架结构的危险区域；

(d)对所述步骤(c)确定的危险区域的支架结构取样，并采用疲劳试验机对取样材料进行拉-压疲劳试验，对试验数据进行统计分析，确定材料常数C和m，得到支架结构材料在有限寿命范围内的S-N曲线方程如下：

S^mN_s＝C (1)

其中S为应力幅值，N_s为应力幅值为S时的破坏循环数。

(e)根据Goodman公式引入焊接残余应力得到等效应力，计算方程如下：

其中S_a为应力幅，S_e为等效应，S_m为焊接残余应力，S_u为材料的极限抗拉强度；

(f)将所述步骤(e)得出的等效应力S_e代入公式(1)得到等效应力S_e下的破坏循环数，进而得出修正的材料常数C^*、m^*值，从而得到含残余应力的S-N曲线；

(g)根据Dirlik宽带信号疲劳分析公式，结合步骤(f)的推导结果C^*、m^*值，得到含残余应力支架随机振动疲劳寿命T如下：

其中E[P]与P(S)定义如下：

式中各参量定义如下：

本发明将焊接残余应力对支架随机振动疲劳寿命产生的影响考虑在内，在计算支架随机振动疲劳寿命时引入焊接残余应力，克服了现有随机载荷作用下结构振动疲劳寿命分析偏于不安全的缺点，使结构的振动疲劳寿命分析结果更准确，更复合实际。

进一步地，所述步骤(a)中减振支架结构整体隔振系统有限元模型包括减振支架、上下层隔振器设备和基座，其中，减振支架和基座采用板壳单元模型，上下层隔振器采用线弹性单元模型，基座采用全约束的边界条件，材料属性包括密度、弹性模量和泊松比。

进一步地，所述步骤(d)中拉-压试验是在对称循环应力比R＝-1的条件下进行。

有益效果：本发明分析方法解决了目前现有技术中未涉及到对船舶专用减振支架进行随机振动疲劳寿命计算及预测的问题，为支架的设计、改进与实验提供了理论依据和指导验证；同时适用于其他结构含残余应力的振动疲劳寿命计算，克服了现有随机载荷作用下结构振动疲劳寿命分析偏于不安全的缺点，使结构的振动疲劳寿命分析更加符合实际；基于商用有限元软件平台，体现了参数化建模方法的便捷性和有效性，适用于较为复杂的结构工程。

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2是不同残余应力下S-N曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。