基于LabVIEW的振動(dòng)疲勞分析

1. 疲勞分析

對材料和部件進(jìn)行疲勞分析及預(yù)測壽命有幾種可能的方法，包括應(yīng)力-壽命、應(yīng)變-壽命、裂紋擴(kuò)展和點(diǎn)焊接頭等方法。而應(yīng)力-壽命方法是最為行之有效的技術(shù)，該方法在設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。下圖顯示了基于應(yīng)力-壽命模型的疲勞分析過程。

圖1：應(yīng)力壽命疲勞分析過程

疲勞分析需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，以獲得部件或結(jié)構(gòu)的局部載荷。固定在部件或結(jié)構(gòu)上的應(yīng)變片顯示了他們在運(yùn)行期間承受的載荷，通過應(yīng)變測量獲得結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力隨時(shí)間的變化信號。

載荷譜描述了部件運(yùn)行壽命期間所經(jīng)受載荷的統(tǒng)計(jì)分布，它可以用應(yīng)力范圍直方圖來表示。載荷譜可以用一系列與疲勞損傷相關(guān)的簡單恒幅載荷循環(huán)來表示部件或結(jié)構(gòu)的復(fù)雜載荷歷程。

通過將結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的實(shí)際測量數(shù)據(jù)與其材料樣品實(shí)驗(yàn)室中獲得的疲勞數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以估算出該結(jié)構(gòu)的損傷程度。疲勞分析一般使用材料S-N曲線，其也被稱為Wohler曲線，來描述材料的疲勞特性，其中S表示循環(huán)應(yīng)力，N表示結(jié)構(gòu)失效的循環(huán)次數(shù)。

利用材料的疲勞特性，可以對承受特定環(huán)境載荷的材料或部件進(jìn)行總損傷的估算。您也可以使用該疲勞特性估算出的材料或部件壽命，及驗(yàn)證其是否符合設(shè)計(jì)要求。

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2. 應(yīng)力測量

當(dāng)進(jìn)行疲勞分析時(shí)，使用應(yīng)變片來測量材料或部件上的應(yīng)力。欲了解更多有關(guān)使用應(yīng)變片的信息，請參考NI 開發(fā)者論壇上的應(yīng)變片測量應(yīng)變教程。

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3. 載荷譜

有兩種計(jì)算材料或部件載荷譜的方法：時(shí)域和頻域。

雨流循環(huán)計(jì)數(shù)是一種時(shí)域方法， 它將不規(guī)則的載荷轉(zhuǎn)化為應(yīng)力范圍直方圖（載荷譜）。欲了解更多有關(guān)雨流循環(huán)計(jì)數(shù)的信息，請參考ASTM E–1049疲勞分析中循環(huán)計(jì)數(shù)的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。下圖顯示了雨流循環(huán)計(jì)數(shù)矩陣圖，其表示了對材料或部件利用雨流循環(huán)計(jì)數(shù)方法所得到的載荷譜。

圖2：雨流循環(huán)計(jì)數(shù)矩陣圖

頻域的方法也可以用于計(jì)算載荷譜。功率譜密度（PSD）是用于表示操作載荷的最常用方法?；赑SD，通過疲勞計(jì)算模型，您可以得到應(yīng)力范圍概率密度函數(shù)（PDF）。我們可以將應(yīng)力范圍PDF轉(zhuǎn)化為應(yīng)力范圍直方圖。有兩種常見的估算載荷譜的實(shí)驗(yàn)方法：窄帶（Bendat）方法和寬帶（Dirlik）方法。

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4. 基于應(yīng)力壽命的損傷估計(jì)

對于高周期循環(huán)疲勞，您可以通過名義應(yīng)力-壽命分析方法，使用應(yīng)力循環(huán)計(jì)數(shù)和Palmgren-Miner線性損傷累加法則，估算出材料或部件的損傷。這種方法必須假定部件的應(yīng)力變化小于材料的彈性極限，并且達(dá)到失效的載荷循環(huán)次數(shù)非常大。

基于應(yīng)力-壽命的損傷估計(jì)包括以下步驟：

圖3： 基于應(yīng)力壽命的損傷估計(jì)過程

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5. 材料S-N 曲線

S-N曲線描述了材料疲勞特性。該曲線表示材料疲勞損傷之前，在給定的應(yīng)力水平下，該材料可以經(jīng)受的循環(huán)載荷次數(shù)。下圖顯示了典型的材料S-N曲線。

圖4：典型的材料S-N曲線

您也可以通過在實(shí)驗(yàn)室里對材料試件的進(jìn)行交變的彎曲測試，獲得材料的S-N曲線。如果沒有實(shí)驗(yàn)獲得的S-N數(shù)據(jù)，您可以使用材料的極限抗拉強(qiáng)度和其加工處理工藝來估算部件的S-N特性。通過給定材料的極限抗拉強(qiáng)度，就可以近似估計(jì)S-N曲線。并通過考慮其他因素，如負(fù)載類型、表面加工、材料尺寸和S-N曲線置信度等，您可以進(jìn)一步優(yōu)化S-N曲線的計(jì)算。

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6. Palmgren-Miner準(zhǔn)則

S-N曲線定義了在給定恒幅應(yīng)力下材料的壽命（失效的循環(huán)次數(shù)）。實(shí)際上，部件的使用壽命估計(jì)需要考慮由載荷譜表示的不規(guī)則載荷導(dǎo)致的整體疲勞失效。Palmgren-Miner準(zhǔn)則是一種使用材料S-N曲線對不規(guī)則和重復(fù)載荷進(jìn)行線性累積損傷估計(jì)的方法。

根據(jù)Palmgren-Miner準(zhǔn)則，構(gòu)件的總損傷D是載荷譜上的任一應(yīng)力水平Si產(chǎn)生損傷的線性總和?？倱p傷可以表示為

其中Ni表示材料S-N曲線上應(yīng)力水平Si所對應(yīng)的失效應(yīng)力循環(huán)數(shù)，ni表示載荷譜上應(yīng)力幅度Si所對應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)數(shù)。

您可以使用損傷分布圖表示載荷譜上任何應(yīng)力水平Si的所對應(yīng)的損傷分布，如下圖所示。

圖5：損傷分布圖

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7. 分析VIs

LabVIEW振動(dòng)疲勞分析包括一系列基于應(yīng)力-壽命方法方法進(jìn)行疲勞分析的VIs。分析函數(shù)包括峰谷檢測、雨流循環(huán)計(jì)數(shù)、雨流直方圖矩陣、載荷譜估計(jì)、S-N曲線生成和基于應(yīng)力-壽命的損傷估計(jì)。

這些VIs 可以用于基于應(yīng)力-壽命方法進(jìn)行疲勞分析的每一個(gè)步驟，如下圖所示。

圖6：用于疲勞分析過程的VIs