基于改進(jìn)雨流計(jì)數(shù)法的薄壁結(jié)構(gòu)熱聲疲勞壽命預(yù)估方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提出基于改進(jìn)雨流計(jì)數(shù)法的薄壁結(jié)構(gòu)熱聲疲勞壽命預(yù)估方法，該方法為：獲取航空航天薄壁結(jié)構(gòu)在熱聲載荷作用下T

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
基于改進(jìn)雨流計(jì)數(shù)法的薄壁結(jié)構(gòu)熱聲疲勞壽命預(yù)估方法
本專利技術(shù)屬于航空宇航工程
，具體涉及一種基于改進(jìn)雨流計(jì)數(shù)法的薄壁結(jié)構(gòu)熱聲疲勞壽命預(yù)估方法。
技術(shù)介紹
航空航天薄壁結(jié)構(gòu)，如高超音速飛行器蒙皮、熱防護(hù)系統(tǒng)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管、航空發(fā)動(dòng)機(jī)火焰筒、隔熱防振屏等高比強(qiáng)度、高比剛度、耐高溫材料結(jié)構(gòu)，在工作條件下將承受復(fù)雜的載荷條件。由于氣動(dòng)加熱、高溫燃燒等工作機(jī)制引起結(jié)構(gòu)表面承受高幅值的熱載荷條件，表現(xiàn)為高熱流密度、非均勻溫度場(chǎng)，給結(jié)構(gòu)帶來復(fù)雜的熱效應(yīng)。另一方面，由于結(jié)構(gòu)表面湍流邊界層作用機(jī)制，以及非穩(wěn)定流動(dòng)、非穩(wěn)態(tài)燃燒等作用，引起結(jié)構(gòu)周邊氣動(dòng)聲學(xué)效應(yīng)，使結(jié)構(gòu)表面作用著復(fù)雜的聲場(chǎng)，給結(jié)構(gòu)帶來強(qiáng)烈的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。薄壁結(jié)構(gòu)在高溫強(qiáng)噪聲載荷作用下會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的大撓度非線性響應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)快速交變應(yīng)力，將造成結(jié)構(gòu)疲勞斷裂失效，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，這類問題在工程上稱為熱聲疲勞問題。因此，航空航天薄壁結(jié)構(gòu)的熱聲疲勞失效分析與壽命估算已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，研究建立一種有效的隨機(jī)疲勞壽命的預(yù)估方法具有重要工程應(yīng)用價(jià)值。薄壁結(jié)構(gòu)在熱聲載荷作用下的疲勞壽命預(yù)估問題十分復(fù)雜，建立基于不同失效模式的有效的隨機(jī)疲勞壽命預(yù)估方法十分困難。由于航空航天工程需求牽引，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)已開展了若干工作，研究建立了幾種預(yù)估方法，主要包括基于應(yīng)力功率譜密度的預(yù)估方法、基于應(yīng)力概率密度的預(yù)估方法以及基于局部應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)的預(yù)估方法。研究表明，應(yīng)力功率譜密度法是研究較早的方法之一，對(duì)以基頻響應(yīng)為主的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問題具有一定的適用性；應(yīng)力概率密度法是基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)應(yīng)力響應(yīng)的幅值域統(tǒng)計(jì)為主要參數(shù)，結(jié)合隨機(jī)疲勞理論和工程經(jīng)驗(yàn)建立的預(yù)估方法，在工程上對(duì)于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)具有一定的適用性；局部應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)法是基于結(jié)構(gòu)在熱聲載荷作用下內(nèi)部危險(xiǎn)位置處的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)參數(shù)，結(jié)合隨機(jī)疲勞理論建立的預(yù)估方法，在工程上主要適用于結(jié)構(gòu)上存在開孔、加筋等幾何尺寸突變的位置有一定的適用性。總體來看，對(duì)于復(fù)雜的薄壁結(jié)構(gòu)部件，還沒有行之有效的工程估算方法。考慮到工程實(shí)際中薄壁結(jié)構(gòu)在熱聲載荷作用下動(dòng)態(tài)應(yīng)力響應(yīng)表現(xiàn)為隨機(jī)時(shí)間歷程，實(shí)質(zhì)上是應(yīng)力/應(yīng)變響應(yīng)參數(shù)隨機(jī)過程，在失效分析和疲勞壽命估算中應(yīng)充分考慮到加載的時(shí)序影響，因此，雨流計(jì)數(shù)法具有一定優(yōu)越性。本項(xiàng)專利技術(shù)在傳統(tǒng)雨流計(jì)數(shù)方法基礎(chǔ)上，充分將載荷加載及動(dòng)力學(xué)應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)的時(shí)序考慮在內(nèi)，結(jié)合隨機(jī)疲勞理論，建立了改進(jìn)的雨流計(jì)數(shù)法，適用于工程中復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)熱聲疲勞壽命預(yù)估問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本專利技術(shù)提出一種基于改進(jìn)雨流計(jì)數(shù)法的薄壁結(jié)構(gòu)熱聲疲勞壽命預(yù)估方法。本專利技術(shù)技術(shù)方案如下：一種基于改進(jìn)雨流計(jì)數(shù)法的薄壁結(jié)構(gòu)熱聲疲勞壽命預(yù)估方法，包括以下步驟：步驟1：獲取航空航天薄壁結(jié)構(gòu)在熱聲載荷作用下Tr響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間歷程，剔除應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間歷程中的無用點(diǎn)，得到薄壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間歷程的極值序列；步驟2：采用雨流循環(huán)計(jì)數(shù)法建立薄壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間歷程的極大值與極小值的配對(duì)，得到薄壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間歷程的所有雨流循環(huán)計(jì)數(shù)對(duì)；步驟2.1：確定薄壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間歷程的極大值序列X(t)中的各極大值Mk，以及極小值序列x(t)中的各極小值mk，其中，k＝1...n，n極大值個(gè)數(shù)或極小值個(gè)數(shù)；步驟2.2：確定極大值Mk的左側(cè)搜索邊界和右側(cè)搜索邊界極大值Mk左側(cè)存在極大值滿足時(shí)，則極大值對(duì)應(yīng)的時(shí)間為左側(cè)搜索邊界，否則，時(shí)間歷程的起點(diǎn)為左側(cè)搜索邊界；極大值Mk右側(cè)存在極大值滿足時(shí)，則極大值對(duì)應(yīng)的時(shí)間為右側(cè)搜索邊界，否則，時(shí)間歷程的終點(diǎn)Tr為右側(cè)搜索邊界；步驟2.3：確定極大值Mk左側(cè)搜索邊界和右側(cè)搜索邊界區(qū)間的左側(cè)極小值和右側(cè)極小值所述極大值Mk的左側(cè)極小值和右側(cè)極小值的確定公式如下所示：其中，inf為小確界；步驟2.4：根據(jù)極大值Mk的左側(cè)極小值和右側(cè)極小值確定其對(duì)應(yīng)的雨流循環(huán)的極小值得到雨流循環(huán)計(jì)數(shù)對(duì)所述極大值Mk的雨流循環(huán)的極小值的確定公式如下所示：步驟2.5：從薄壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間歷程的極值序列中刪除已確定的雨流循環(huán)計(jì)數(shù)對(duì)重復(fù)步驟2.2至步驟2.4，直至確定Tr響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的薄壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間歷程的所有雨流循環(huán)計(jì)數(shù)對(duì)。步驟3：根據(jù)薄壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間歷程的雨流循環(huán)計(jì)數(shù)對(duì)建立薄壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)的雨流循環(huán)矩陣；步驟4：根據(jù)薄壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)的雨流循環(huán)矩陣基于Morrow平均應(yīng)力模型確定薄壁結(jié)構(gòu)的疲勞壽命T；所述根據(jù)薄壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)的雨流循環(huán)矩陣基于Morrow平均應(yīng)力模型確定薄壁結(jié)構(gòu)的疲勞壽命T的計(jì)算公式如下所示：其中，為薄壁結(jié)構(gòu)的雨流循環(huán)損傷矩陣，RFM(σmin，σmax)為薄壁結(jié)構(gòu)的雨流循環(huán)矩陣，Nf(σmin，σmax)為在當(dāng)前熱聲載荷作用下薄壁結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞失效的循環(huán)數(shù)，σmin為應(yīng)力循環(huán)最小值，σmax為應(yīng)力循環(huán)最大值。本專利技術(shù)的有益效果：本專利技術(shù)提出一種基于改進(jìn)雨流計(jì)數(shù)法的薄壁結(jié)構(gòu)熱聲疲勞壽命預(yù)估方法，本專利技術(shù)所建立的改進(jìn)的雨流計(jì)數(shù)法是在對(duì)獲取的應(yīng)力響應(yīng)極值序列完成一次計(jì)數(shù)基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性的再對(duì)應(yīng)力響應(yīng)循環(huán)進(jìn)行二次處理，將前一步驟中已完成計(jì)數(shù)的循環(huán)的兩個(gè)極值點(diǎn)從極值序列中刪除，并將發(fā)散波和收斂波進(jìn)行對(duì)接，獲取新的極值序列，并進(jìn)行重復(fù)計(jì)數(shù)。該方法克服了傳統(tǒng)雨流計(jì)數(shù)法在應(yīng)力循環(huán)計(jì)數(shù)過程中，由于存在遺留點(diǎn)所構(gòu)成的發(fā)散波引起的數(shù)據(jù)缺失，從而影響有效循環(huán)計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性問題，從而保證了計(jì)算結(jié)果的正確性；本項(xiàng)專利技術(shù)在傳統(tǒng)雨流計(jì)數(shù)方法基礎(chǔ)上，充分將載荷加載及動(dòng)力學(xué)應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)的時(shí)序考慮在內(nèi)，結(jié)合隨機(jī)疲勞理論，建立了改進(jìn)的雨流計(jì)數(shù)法，適用于工程中復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)熱聲疲勞壽命預(yù)估問題，具有重要工程應(yīng)用價(jià)值。附圖說明圖1為本專利技術(shù)具體實(shí)施方式中基于改進(jìn)雨流計(jì)數(shù)法的薄壁結(jié)構(gòu)熱聲疲勞壽命預(yù)估方法的流程圖；圖2為本專利技術(shù)具體實(shí)施方式中航空航天薄壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間歷程的極值序列；圖3為本專利技術(shù)具體實(shí)施方式中雨流循環(huán)計(jì)數(shù)過程中的一次計(jì)數(shù)過程示意圖；圖4為本專利技術(shù)具體實(shí)施方式中典型的雨流循環(huán)矩陣示意圖；圖5為本專利技術(shù)具體實(shí)施方式中根據(jù)薄壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間歷程的雨流循環(huán)計(jì)數(shù)對(duì)建立薄壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)的雨流循環(huán)矩陣示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本專利技術(shù)具體實(shí)施方式加以詳細(xì)的說明。本專利技術(shù)提出一種基于改進(jìn)雨流計(jì)數(shù)法的薄壁結(jié)構(gòu)熱聲疲勞壽命預(yù)估方法，如圖1所示，包括以下步驟：步驟1：獲取航空航天薄壁結(jié)構(gòu)在熱聲載荷作用下Tr響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間歷程，剔除應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間歷程中的無用點(diǎn)，得到薄壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間歷程的極值序列。本實(shí)施方式中，基于數(shù)值計(jì)算或試驗(yàn)測(cè)試獲取的航空航天薄壁結(jié)構(gòu)在熱聲載荷作用下Tr響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間歷程。剔除應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間歷程中的無用點(diǎn)，得到薄壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間歷程的極值序列如圖2所示，其中，形成極大值序列X(t)和極小值序列x(t)，極大值用Mk表示，極小值用mk表示，k＝1...n，n極大值個(gè)數(shù)或極小值個(gè)數(shù)。步驟2：采用雨流循環(huán)計(jì)數(shù)法建立薄壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間歷程的極大值與極小值的配對(duì)，得到薄壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間歷程的所有雨流循環(huán)計(jì)數(shù)對(duì)。步驟2.1：確定薄壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間歷程的極大值序列X(t)中的各極大值Mk，以及極小值序列x(t)中的各極小值mk。步驟2.2：確定極大值Mk的左側(cè)搜索邊界和右側(cè)搜索邊界本實(shí)施方式中，極大值Mk兩側(cè)都可能存在極小值，因此，需要分別確定極大值左右本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于改進(jìn)雨流計(jì)數(shù)法的薄壁結(jié)構(gòu)熱聲疲勞壽命預(yù)估方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1：獲取航空航天薄壁結(jié)構(gòu)在熱聲載荷作用下T

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于改進(jìn)雨流計(jì)數(shù)法的薄壁結(jié)構(gòu)熱聲疲勞壽命預(yù)估方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1：獲取航空航天薄壁結(jié)構(gòu)在熱聲載荷作用下Tr響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間歷程，剔除應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間歷程中的無用點(diǎn)，得到薄壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間歷程的極值序列；步驟2：采用雨流循環(huán)計(jì)數(shù)法建立薄壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間歷程的極大值與極小值的配對(duì)，得到薄壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間歷程的所有雨流循環(huán)計(jì)數(shù)對(duì)；步驟3：根據(jù)薄壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間歷程的雨流循環(huán)計(jì)數(shù)對(duì)建立薄壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)的雨流循環(huán)矩陣；步驟4：根據(jù)薄壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)的雨流循環(huán)矩陣基于Morrow平均應(yīng)力模型確定薄壁結(jié)構(gòu)的疲勞壽命T；所述根據(jù)薄壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)的雨流循環(huán)矩陣基于Morrow平均應(yīng)力模型確定薄壁結(jié)構(gòu)的疲勞壽命T的計(jì)算公式如下所示：其中，為薄壁結(jié)構(gòu)的雨流循環(huán)損傷矩陣，RFM(σmin,σmax)為薄壁結(jié)構(gòu)的雨流循環(huán)矩陣，Nf(σmin,σmax)為在當(dāng)前熱聲載荷作用下薄壁結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞失效的循環(huán)數(shù)，σmin為應(yīng)力循環(huán)最小值，σmax為應(yīng)力循環(huán)最大值。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于改進(jìn)雨流計(jì)數(shù)法的薄壁結(jié)構(gòu)熱聲疲勞壽命預(yù)估方法，其特征在于，所述步驟2包括以下步驟：步驟2.1...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：沙云冬，趙奉同，欒孝馳，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：沈陽航空航天大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：遼寧,21