Вибрационная усталость - Vibration fatigue

Исследователи используют машину, известную как «шейкер», для изучения эффектов многоосных колебаний, 2019 г.

Вибрационная усталость это машиностроение термин, описывающий усталость материала, вызванный вынужденная вибрация из случайный природа. Возбужденная структура реагирует согласно своему естественная динамика режимы, что приводит к динамическому стресс нагрузка в материальных точках.[1] Процесс усталость материала таким образом, во многом определяется формой профиля возбуждения и производимой им реакции. Поскольку профили возбуждения и отклика предпочтительно анализировать в частотная область практично использовать усталость жизнь методы оценки, которые могут оперировать данными в частотная область, Такие как спектральная плотность мощности (PSD).

Важнейшей частью анализа вибрационной усталости является модальный анализ, который выявляет собственные моды и частоты вибрирующей конструкции и позволяет точно прогнозировать локальные стресс отзывы за данное возбуждение. Только тогда, когда стресс реакции известны, можно ли успешно охарактеризовать усталость от вибрации.

Более классический подход к оценке утомляемости состоит из подсчета циклов с использованием алгоритм дождевого потока и суммирование с помощью Гипотеза линейного повреждения Палмгрена-Майнера, который надлежащим образом суммирует убытки соответствующих циклов. Когда история времени неизвестна, потому что нагрузка случайный (например а машина на грубом Дорога или ветряная турбина ) эти циклы не могут быть подсчитаны. Можно смоделировать несколько хронологий для заданного случайный процесс, но такая процедура громоздка и вычислительно дорогой.[2]

Методы вибрационной усталости предлагают более эффективный подход, который оценивает усталость жизнь на основе моментов PSD. Таким образом оценивается значение, которое в противном случае было бы вычислено с помощью область времени подход. При работе со многими материальными узлами возникают разные реакции (например модель в МКЭ package), временные истории не нужно моделировать. Затем становится возможным с помощью методов виброусталости рассчитать усталость жизнь во многих точках конструкции и успешно предсказать, где наиболее вероятно произойдет сбой.

Оценка вибрационной усталости и долговечности

Описание случайной нагрузки

В случайном процессе амплитуда не может быть описана как функция времени из-за ее вероятностный природа. Однако некоторые статистические свойства могут быть извлечены из выборки сигнала, представляющей реализацию случайного процесса, при условии, что последний эргодический. Важной характеристикой в ​​области вибрационной усталости является амплитуда функция плотности вероятности, описывающий статистическое распределение амплитуд пиков. В идеале вероятность амплитуд цикла, описывающая интенсивность нагрузки, могла бы быть вычислена напрямую. Однако, поскольку это не всегда возможно, искомая вероятность часто оценивается эмпирически.

Эффекты структурной динамики

Первый естественный режим консольная балка.

Случайное возбуждение конструкции вызывает различные реакции в зависимости от естественной динамики рассматриваемой конструкции. Разные естественные режимы волнуют, и каждый сильно влияет на стресс распространение в материалах. Стандартная процедура - вычислить функции частотной характеристики для анализируемой структуры, а затем получить стресс ответы, основанные на заданной нагрузке или возбуждении.[3] За счет увлекательных различных режимов распространение вибрация энергия в частотном диапазоне напрямую влияет на долговечность конструкции. Таким образом, анализ структурной динамики является ключевой частью оценки вибрационной усталости.

Вибро-усталостные методы

Расчет интенсивности повреждения становится простым, если известно распределение амплитуды цикла. Это распределение может быть получено из хронологии просто путем подсчета циклов. Чтобы получить его от PSD необходимо использовать другой подход.

Различные методы виброусталости оценивают интенсивность повреждений на основе моментов PSD, которые характеризуют статистические свойства случайного процесса. Формулы для вычисления такой оценки являются эмпирическими (за очень немногими исключениями) и основаны на многочисленных моделированиях случайных процессов с известными PSD. Как следствие, точность этих методов варьируется в зависимости от анализируемых спектров отклика, параметров материала и самого метода - некоторые из них более точны, чем другие.[4]

Чаще всего используется метод, разработанный Т. Дирлик в 1985 г.[5] Недавние исследования частотных методов оценки усталостной долговечности[4] сравнили хорошо зарекомендовавшие себя и недавние методы; Вывод показал, что методы Чжао и Бейкера, разработанные в 1992 г.[6] и Benasciutti и Tovo, разработанный в 2004 г.[7] также очень подходят для анализа усталостной вибрации. Для узкополосной аппроксимации случайного процесса аналитическое выражение для интенсивности повреждений дано Майлзом.[8] Есть несколько подходов с адаптацией узкополосного приближения; Виршинг и Лайт предложили эмпирический поправочный коэффициент в 1980 г.[9] и Бенаскиутти представили α0.75 в 2004 г.[10] В 2008 году Гао и Моан опубликовали спектральный метод, объединяющий три узкополосных процесса.[11] Реализация этого метода представлена ​​в Python открытый исходный код FLife[12] упаковка.

Приложения

Методы вибрационной усталости находят применение везде, где конструкция подвергается нагрузке, вызываемой случайный процесс. Это могут быть силы, которые неровности дороги вытесняют машина шасси, ветер дует на ветряная турбина волны, ударяющиеся о морское строительство или морское судно. Такие нагрузки сначала характеризуют статистически, путем измерения и анализа. Затем данные используются в дизайн продукта процесс.[13]

Вычислительная эффективность методов виброусталости в отличие от классического подхода позволяет использовать их в сочетании с МКЭ программные пакеты для оценки усталости после того, как нагрузка известна и был проведен динамический анализ. Хорошо подходит использование методов виброусталости, поскольку структурный анализ изучается в частотная область.

Обычная практика в автоматизированная индустрия использование ускоренного вибрационные испытания. Во время испытания деталь или продукт подвергаются воздействию вибрация, которые коррелируют с ожидаемыми во время срок службы продукта. Чтобы сократить время тестирования, амплитуды усиливаются. Используемые спектры возбуждения: широкополосный и наиболее эффективно его можно оценить с помощью методов виброусталости.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Нуно Мануэль Мендес, Майя (1998). Теоретический и экспериментальный модальный анализ (Перепечатано. Ред.). Болдок: Research Studies Press. ISBN  0863802087.
  2. ^ Саркани, Лорен Д. Лютес, Шахрам (2004). Анализ случайных колебаний конструктивных и механических систем ([Online-Ausg.] Ред.). Амстердам: Эльзевир. ISBN  9780750677653.
  3. ^ Славич, Янко; Болтежар, Миха; Мршник, Матяж; Чесник, Мартин; Джавх, Джака (2020). Вибрационная усталость спектральными методами: от структурной динамики до усталостных повреждений - теория и эксперименты (1-е изд.). Амстердам, Нидерланды: Эльзевир. ISBN  9780128221907.
  4. ^ а б Мршник, Матяж; Славич, Янко; Болтежар, Миха (31 июля 2012 г.). «Частотные методы оценки виброусталостного ресурса - применение к реальным данным». Международный журнал усталости. 47: 8–17. Дои:10.1016 / j.ijfatigue.2012.07.005.
  5. ^ Дирлик, Туран (1985). Применение компьютеров в анализе усталости (Кандидат наук.). Уорикский университет.
  6. ^ Чжао, Вт; Бейкер, М. (1 марта 1992 г.). «О функции плотности вероятности диапазона напряжений дождевого потока для стационарных гауссовских процессов». Международный журнал усталости. 14 (2): 121–135. Дои:10.1016 / 0142-1123 (92) 90088-Т.
  7. ^ Benasciutti, D; Тово, Р. (1 августа 2005 г.). «Спектральные методы прогнозирования времени жизни при широкополосных стационарных случайных процессах». Международный журнал усталости. 27 (8): 867–877. Дои:10.1016 / j.ijfatigue.2004.10.007.
  8. ^ Майлз, Джон В. (1954). «Об усталости конструкции при случайном нагружении». Журнал авиационных наук. 21 (11): 753–762. Дои:10.2514/8.3199.
  9. ^ Wirsching, Paul H .; Свет, Марк К. (1980). «Усталость при широкополосных случайных напряжениях». Журнал структурного отдела. 106 (7): 1593–1607.
  10. ^ Benasciutti, Denis; Тово, Роберто (2004). Распределение циклов дождевого потока и усталостные повреждения в случайных гауссовых нагрузках (Отчет). Инженерный факультет Феррарского университета.
  11. ^ Гао, Чжэнь; Стон, Торгейр (2008). "Анализ усталости в частотной области широкополосных стационарных гауссовских процессов с использованием тримодальной спектральной постановки". Международный журнал усталости. 30 (10–11): 1944–1955. Дои:10.1016 / j.ijfatigue.2008.01.008.
  12. ^ "FLife". Получено 30 сентября 2020.
  13. ^ Варото, Кеннет Г. Макконнелл, Пауло С. (2008). Вибрационные испытания: теория и практика (2-е изд.). Хобокен, штат Нью-Джерси: John Wiley & Sons. ISBN  978-0-471-66651-6.