全轴随机振动环境的疲劳强化机理研究

随着技术复杂程度日益提高，目前装备的可靠性问题日益突出。如何提高产品可靠性研制水平已成为确保装备形成战斗力，以及民品具有良好市场竞争力的瓶颈问题。 20世纪90年代，可靠性强化试验作为一种新型的可靠性试验技术在西方发达国家发展并日益成熟，在航空、航天、国防等部门取得了成功的应用。可靠性强化试验(Reliability Enhancement Testing：RET)通过对产品施加极限环境应力，激发产品设计和工艺缺陷，寻求相应的改进措施，使产品研制的可靠性得到增长，以此达到健壮设计的目的。可靠性强化试验对提高新研产品和装备的可靠性水平具有重要意义。可靠性强化试验除了其先进的理念外，关键需要能够提供超高应力环境的试验设备。目前可靠性强化试验采用了一种新型的超高应力试验系统，能够施加振动、温度、湿度“三综合”的超高应力环境，特别是三轴六自由度的宽带随机振动，即全轴随机振动环境。在实际工程应用中，这种利用反复冲击机(Repetitive Shock：RS)实现的全轴随机振动环境对产品缺陷，特别是疲劳缺陷，表现出很高的激发效能。 由于国外有关可靠性强化试验机理研究的公开报道甚少，极大地限制了该项技术在国内的应用与发展。因此，本文在武器装备重点预研项目的资助下，以引进的目前国内最先进的超高应力试验系统为对象，针对全轴随机振动环境的疲劳强化机理开展研究，旨在明确回答全轴随机振动环境“是什么”以及“为什么”能高效激发疲劳失效这两个问题，为可靠性强化试验方法研究及其在国内的推广应用提供理论指导，并为相关强化试验设备的自主开发和优化设计奠定理论基础。 本文首先研究了全轴随机振动的环境特性，提取出两个主要特性：一是非高斯分布和宽频带的单轴特性；二是非比例加载的多轴特性，并据此展开全轴随机振动环境对疲劳失效的强化机理研究，推导和发展了相关疲劳分析方法，最终从理论的角度揭示了全轴随机振动环境下试件的疲劳强化机理。本文的主要研究内容与结论有： 1．在特性实验的基础上，综合运用随机振动的多种描述方法对RS机全轴随机振动环境的特性进行研究： (1) 通过统计检验证明了RS机随机振动信号的循环平稳特性，并采用便于工程应用的数字特征估计方法用于RS机振动特性的分析。该方法对工程中大量存在的循环平稳随机信号的数字特征估计具有广泛的借鉴意义； (2) 通过幅值概率密度函数、功率谱密度函数以及高阶统计量等方法证明了RS机全 国防科学技术大学研究生院学位论文 轴随机振动环境是非比例加载的多轴随机振动，其单轴向振动具有超高斯分布和宽频带特 性: (3)研究表明RS机振动环境在频带范围、幅值分布、循环峰值加载率以及多轴加载 等方面优于常规电磁振动台，但是RS机全轴随机振动环境也存在不足，如频谱低谷区激 振能量低、低频段能量不足，以及频谱不可控，台面各处振动的均匀性不够好等等，说明 这种可靠性强化试验设备的性能及结构还存在优化的可能。 2.针对非高斯分布随机应力下的结构疲劳寿命估计问题，首次推导了频域疲劳寿命估 计理论求解方法，并利用典型随机应力进行了数值算例验证，为RS机非高斯分布振动环 境的疲劳强化机理研究奠定了理论基础。该方法还普遍适用于具有各种带宽的高斯分布载 荷和非高斯分布载荷作用下的疲劳损伤和寿命分析，具有良好的分析精度和可实现性，对 于工程中非高斯随机应力下的结构疲劳寿命分析具有重要的理论价值。 3.针对全轴随机振动环境的单轴向特性:超高斯分布和宽频带特性，采用振动疲劳分 析方法，研究了单轴振动特性的疲劳强化机理。 (l)证明了同等均值和量级的随机应力对疲劳损伤的强化程度存在这样一个关系: 超高斯>高斯>亚高斯，从而揭示了超高斯特性的疲劳强化机理; (2)证明了同等均值和量级以及相同幅值概率分布的随机应力频带越宽，其疲劳强 化作用越显著，从而揭示了宽频带特性的疲劳强化机理; (3)在理论方法的基础上，本文进一步对可靠性强化试验的振动应力环境优化问题 进行了探讨。基于频谱形状不规则因子，优化设计了一种能有效激发疲劳失效的随机应力 功率谱。 4.针对全轴随机振动环境的多轴非比例加载特性，采用多轴疲劳分析方法，研究了多 轴振动特性的疲劳强化机理。 (l)在总结多轴疲劳分析方法的基础上，归纳出多轴疲劳频域分析方法的基本思想， 并针对最大主应力原则、最大剪应力原则和最小畸变能原则，分别给出了相应的单轴等效 应力功率谱估计方法; (2)利用多轴疲劳分析方法，从理论上证明了RS机多轴载荷同时加载比单轴依次加 载具有更高的疲劳强化效能，并阐明其非比例加载特性的疲劳附加强化作用。 综上所述，本文围绕可靠性强化试验中全轴随机振动环境的疲劳强化机理展开研究， 揭示了全轴随机振动环境的疲劳强化机理，为可靠性强化试验方法研究提供了理论依据， 而且为RS机全轴随机振动的实现原理研究和相关试验设备的优化设计奠定了理论基础。 第11页 国防科学技术大学研究生院学位论文 本文在频域疲劳寿命估计方法的研究中，首次提出了非高斯分布随机应力的疲劳寿命频域 理论估计方法，为