高温合金薄壁结构随机声疲劳分析技术研究

论文摘要

针对航空薄壁结构的声疲劳问题,本文主要研究了某型航空发动机火焰筒高温合金薄壁结构在随机声激励载荷作用下的振动响应计算与分析,以及声疲劳寿命估算方法。本文就如何根据结构的宽带随机振动应力响应得到应力循环的概率密度函数,进而估算结构的随机声疲劳寿命进行了深入研究,主要以理论研究和数值分析为主。1.研究了三种疲劳寿命模型,即三参数Weibull模型、Langer模型和Basquin模型的曲线拟合方法,提出了三种疲劳寿命模型的参量求解方法,给出了具体编程实现过程,并通过算例对比分析了疲劳寿命曲线拟合效果。2.研究了有限带宽高斯白噪声载荷作用下结构Von Mises应力过程的概率分布,提出该应力过程近似符合双参数Weibull分布,并给出了求解Weibull参数的公式,从而可以确定Von Mises应力过程的概率密度函数和应力峰值概率密度函数。基于Palmgren-Miner线性累积损伤理论,提出了基于应力概率密度法和功率谱密度法的随机声疲劳寿命预估方法,并建立了疲劳寿命预估模型。应用所建立的模型进行了疲劳寿命估算,并对计算结果进行了宽带修正,从而得到了一种用于随机载荷下结构疲劳寿命预估的有效方法。3.建立了某型航空发动机燃烧室火焰筒薄壁结构模型,应用耦合的有限元和边界元方法,实现了扩散场中不同声压级的有限带宽高斯白噪声载荷和实测燃烧室内部声载荷作用下位移和应力响应计算,分析了该结构在声载荷作用下的振动响应特征。分别应用应力概率密度法和功率谱密度法对火焰筒进行声载荷作用下的疲劳寿命估算,并分析了声载荷和模态频率对结构振动响应及疲劳寿命的影响。本文研究的航空薄壁结构在随机声载荷作用下的振动响应计算和疲劳寿命估算方法以及获得的相关计算结果,对分析和解决薄壁结构随机声疲劳问题,进行抗声疲劳强度设计具有重要应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 声疲劳问题的研究背景
• 1.2 国内外声疲劳问题的研究现状
• 1.3 本文所要完成的工作及创新点
• 第2章 材料疲劳试验数据的曲线拟合
• 2.1 材料的疲劳特性S-N曲线及其经验方程
• 2.2 材料的疲劳特性P-S-N曲线
• 2.2.1 疲劳试验数据的离散性
• 2.2.2 P-S-N曲线的测定方法
• 2.3 疲劳性能曲线的拟合方法
• 2.3.1 最大似然法
• 2.3.2 相关系数法
• 2.4 疲劳性能曲线拟合算例分析
• 2.4.1 三种寿命模型P-S-N曲线参量的求解
• 2.4.2 三种寿命模型P-S-N曲线的拟合效果分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 稳态随机载荷下Von Mises应力概率分布研究
• 3.1 引言
• 3.2 Von Mises应力过程
• 3.3 Von Mises应力概率分布
• 3.3.1 Weibull分布
• 3.3.2 Lognormal分布
• 3.4 Weibull和Lognormal参数估计
• 3.5 K-S检验
• 3.6 数值算例
• 3.7 本章小结
• 第4章 基于应力概率密度法和功率谱密度法的结构随机疲劳寿命估算
• 4.1 引言
• 4.2 应力概率密度法
• 4.2.1 Von Mises应力分量平方过程
• 4.2.2 Von Mises应力过程峰值概率密度函数
• 4.2.3 宽带随机过程的Dirlik方程
• 4.3 功率谱密度法
• 4.3.1 功率谱密度函数
• 4.3.2 PSD的峰值分布
• 4.4 随机疲劳寿命估算模型
• 4.5 疲劳寿命的宽带修正
• 4.6 数值算例
• 4.7 本章小结
• 第5章 火焰筒结构在声载荷作用下的振动响应分析及疲劳寿命估算
• 5.1 引言
• 5.2 燃烧室火焰筒结构的声疲劳问题
• 5.3 燃烧室火焰筒模态计算与分析
• 5.3.1 燃烧室火焰筒有限元及典型节点位置模型
• 5.3.2 燃烧室火焰筒模态计算与分析
• 5.4 燃烧室火焰筒在有限带宽高斯白噪声载荷作用下的振动响应计算与分析
• 5.4.1 声激励载荷
• 5.4.2 燃烧室火焰筒在白噪声载荷作用下的振动响应计算
• 5.4.3 燃烧室火焰筒在白噪声载荷作用下的振动响应分析
• 5.5 燃烧室火焰筒在有限带宽高斯白噪声载荷作用下的疲劳寿命估算与分析
• 5.6 燃烧室火焰筒结构在实测噪声载荷作用下的振动响应计算与分析
• 5.7 燃烧室火焰筒结构在实测噪声载荷作用下的疲劳寿命估算与分析
• 5.8 本章小结
• 结论
• 附录Ⅰ 燃烧室火焰筒关键节点处位移和应力均方值
• 附录Ⅱ 燃烧室火焰筒关键节点处寿命估算值
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表（含录用）的学术论文