基于MATLAB的疲劳寿命预测研究

Ｍｏｓｔ ｏｆ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｆｏｒ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｂｅｌｏｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｃｏｐｅ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｃｙｃｌｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｎｏｍｉｎａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｍｅｔｈｏｄ，ｂｙ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｔｈｅ ｒａｎｄｏｍ ｌｌｉ曲一ｃｙｃｌｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ，ａ ｍｏｒｅ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｌｉｆｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｐｒｏｇｒａｍ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｆｔｅｒ ｓｕｍｍａｒｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｐｒｅｖｉｏｕｓ ｗｏｒｋ．Ｓｏｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｏｗｎ ｏｐｉｎｉｏｎｓ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ ａｓ ｔｈｅ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｌｏａｄ—ｔｉｍｅ ｈｉｓｔｏｒｙ ｓｉｇｎａｌ，ｔｈｅ ｒａｉｎ－ｆｌｏｗ ｃｏｕｎｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ
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论文作者签名：乡珐
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多数的工程结构的疲劳寿命都属于高周疲劳寿命范围。本文以名义应力法为理论基 础，对高周随机疲劳寿命预测过程进行了分析，在总结前人工作的基础上，设计了一个 较为完整的寿命预测处理方案。对其中的载荷．时间历程信号预处理、雨流计数、复杂 应力部位应力谱合成方法以及疲劳寿命预测模型等主要环节的具体实现方法进行了深 入地研究，提出了一些自己的观点和改进措施。在此基础上设计了一个基于Ｗｉｎｄｏｗｓ 操作系统的随机载荷疲劳寿命预测应用软件。最后，该软件完成了基于测试数据的某个 ４５米混凝土泵车的疲劳寿命预测，它表明，本文所研究的疲劳寿命预测软件可以用来进行 工程结构的疲劳寿命预测。
关键词：疲劳寿命预测，随机载荷，名义应力法，应用软件，抗疲劳设计
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｕｎｄｅｒ ｒａｎｄｏｍ ｌｏａｄｉｎｇ ｈａｓ ｂｅｅｎ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｓｕｂｊｅｃｔ ｏｆ ｆａｔｉｇｕｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｈａｓ ｌｏｎｇ ｂｅｅｎ ｅｘｐｌｏｒｅｄ ｉｎ ｄｅｐｔｈ。Ｈｏｗｅｖｅｒ， ｉｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｔｈｅ ｅｘａｍｐｌｅｓ ｏｆ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｒｅ ｎｏｔ ｖｅｒｙ ｃｏｍｍｏｎ．Ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒｅａｓｏｎｓ ｉｓ ｔｈｅ ｌａｃｋ ｏｆ ａ ｍｏｒｅ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ａｎｄ ｖｅｒｓａｔｉｌｅ ｔｏｏｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ．
１９世纪６０年代，德国工程师ＷｏｈｌｅｒＡ．（沃勒）在斯特拉斯堡皇家铁路工作期间， 为了解决机车车辆断轴的问题测定出了第一条Ｓ一Ⅳ曲线。提出了疲劳破坏的主要因素 是应力幅，认为应力幅比平均应力更为重要，为常规疲劳强度设计奠定了基础。因此沃 勒被公认为是疲劳的奠基人。
１８７４年Ｇｅｒｂｅｒ Ｗ．（伯格）根据沃勒的试验数据，对平均应力不为零的疲劳破坏概 念以“极限”二字来表达，提出了表达极限应力幅吒和平均应力吒间关系的抛物线方 程。１８８４年Ｂａｕｓｃｈｉｎｇｅｒ Ｊ．（包辛格）在验证沃勒的疲劳试验时，发现了“循环软化” 现象，引入了应力一应变迟滞回线的概念。但当时他的研究成果并为引起人们的重视， 直到１９５２年Ｋｅｕｙｏｎ（柯洋）在做铜棒实验时才被重新提出来，并被命名为“包辛格效 应”。因此，包辛格是首先研究循环应力．应变关系的人。１９３０年，英国人Ｇｏｏｄｍａｎ Ｊ． 对疲劳极限图提出了简化假设，即用直线连接纵轴上的对称循环疲劳极限点，提出了著 名的简化曲线－－－Ｇｏｏｄｍａｎ图，此图至今仍在疲劳强度设计中广泛应用。
ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ．Ｏｎ ｔｈｉｓ ｂａｓｉｓ，ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｒａｎｄｏｍ ｌｏａｄ
ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ Ｗｉｎｄｏｗｓ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｄａｔｅｓ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ４５一ｍｅｔｒｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｐｕｍｐ ｔｒｕｃｋ ｉｓ ｍａｄｅ ｂｙ ｔｈｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｗｈｉｃｈ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｔｏ ｐｒｅｄｉｃｔ ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．
目前，国外许多公司已经推出了一些专用的疲劳分析软件，以支持设计人员在产品 方案比较阶段能从抗疲劳的角度对产品方案进行评价，如由世界上最大的有限元分析软 件公司之一的美国ＡＮＳＹＳ开发的ＡＮＳＹＳ和美国ｅｄｓ子公司ＳＤＲＣ公司开发的 ＣＡＤ／ＣＡＭ软件Ｉ－ＤＥＡＳ中都有专用的相关模块，而ＭＳＣ．Ｆａｔｕｇｕｅ是ＭＳＣ．Ｓｏｆｔｗａｒｅ公司 与英国谢非尔德ｎＣｏｄｅ国际公司（ｎＣｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）紧密合作的基础上发展起来的高 级疲劳分析软件，能够很好的预测于电子产品的结构、热疲劳寿命。还有ＬＭＳ公司开 发的疲劳寿命分析软件ＬＭＳ．ＦＡＬＡＮＣＳ，也能够对疲劳寿命进行预测，大部分应用于车 辆前后轴的疲劳分析方面。目前，绝大部分涉及疲劳分析的用户都采用ＭＳＣ．Ｆａｔｉｇｕｅ软 件进行分析。
第一章绪论
劳损伤力学和概率断裂力学的出现将疲劳研究推向了一个崭新的阶段。
１．２疲劳寿命预测方法
在工程上，对于绝大部分的疲劳问题，主要都是利用应力．寿命法和应变．寿命法两 种疲劳寿命预测方法来进行疲劳寿命预测从而指导疲劳设计。
（１）应力一应变法 应力一应变法是基于Ｗｏｈｌｅｒ提出的Ｓ一Ⅳ曲线和疲劳极限的概念提出的方法。该方 法认为构成零件或构件疲劳失效的主要原因是危险点上的名义应力。因此，首先利用工 程力学的方法计算出危险点的名义应力，然后选择一种合适的计数法进行计数，得出应 力循环以后结合零件或构件的Ｓ一Ⅳ曲线，并选择合适的疲劳累积损伤理论进行疲劳寿 命的估算。 材料的基本Ｓ一Ⅳ曲线是指光滑材料通过大量的等幅应力循环试验，得到的最大应 力Ｓ（或者应力幅值）与疲劳寿命的关系曲线。 基本Ｓ一Ⅳ曲线是在对称循环应力作用下测量的。应力比或平均应力对其有一定影 响。一般情况，当处于拉伸平均应力作用下时，Ｓ一Ⅳ曲线将下移，表示对疲劳有不利 的影响；当处于压缩平均应力作用下时，Ｓ一Ⅳ曲线将上移，表示对疲劳的影响是有利 的。 对于变幅应力的情况，可以利用疲劳累积损伤法将变化的应力幅分解成多个恒幅应 力，然后分别求出每一个应力幅下的疲劳累积损伤再进行累积，最后再求出其总的疲劳 寿命。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ，Ｒａｎｄｏｍ ｌｏａｄ，ｎｏｍｉｎａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｍｅｔｈｏｄ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ａｎｔｉ—ｆａｔｉｇｕｅ ｄｅｓｉｇｎ
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论文独创性声明
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１．３国内外研究现状
在美国已经得到确认，由于产品的疲劳问题所引起的损失占国民生产总值的４％左 右（约１２００亿美元），疲劳所涉及的领域有汽车，航空航天，机械，船舶，铁路，国防， 军工，海洋工程等等。随着科技同新月异和用户对产品的要求越来越苛刻，企业面临的 挑战越来越大，要缩短产品上市时间，疲劳问题要走在设计的前面等。在产品的早期设 计阶段，评估疲劳相关的问题和进行耐久性分析从而预测产品的寿命能给公司在缩减开 发和测试成本、缩短投放市场的时间、提高产品使用寿命等方面带来很大的收益【５】。
在疲劳试验方面，５０年代中期研制出了闭路电动液压试验系统。６０年代随着大规 模集成电路的出现，制造出了能够模拟零件或构件实际受载情况的随机疲劳试验机。到 ７０年代，国外已广泛使用由电子计算机控制的随机疲劳疲劳试验机来进行疲劳试验。
由于疲劳寿命的离散性，人们开始用概率统计方法来处理疲劳试验数据，从确定性 模型的研究转入概率模型的研究。从２０世纪４０年代到五十年代，Ｗｅｉｂｕｌｌ Ｗ．（威布尔） 和Ｐｏｐｅ Ｊ．Ａ．（波普）分别提出了疲劳实验数据的统计分析方法。美国材料与试验协会的 Ｅ９疲劳委员会在１９６３年出版了《疲劳试验与疲劳数据的统计分析指南》一书。概率疲
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长安人学硕上学位论文
第 弟一一早章三绪 百Ｔ论 匕
１．１疲劳发展史
从１９世纪初开始，疲劳破坏现象逐渐被人们发现。１８２９年德国人Ａｌｂｅｒｔ Ｗ．Ａ．（艾伯 特）用矿山卷扬机焊接链条进行疲劳试验，疲劳破坏的原因才逐渐清晰。１８３９年，法国 工程师Ｐｏｎｃｅｌｅｔ Ｊ．Ｖ（彭塞烈）首先使用“疲劳＂这一术语来描述材料在循环载荷作用下承 载能力逐渐耗尽以致最后突然断裂的现象。１８４３年苏格兰人Ｒａｎｋｉｎｅ Ｗ．Ｊ．Ｍ（兰金）发 表了第一篇疲劳论文。１８４２年Ｈｏｏｄ（胡特）提出了结晶理论，认为金属构件在循环应 力下的疲劳强度降低是振动引起的结晶化所致。１８４９年美国工程机械学会还举行了专门 会议对此理论进行讨论【ｌ＇２１。