基于等效应力和多轴S-N曲线的薄壁结构疲劳寿命预测方法

摘要

为提升飞行性能,飞行器在设计中大量使用薄壁结构.飞行器在高速飞行过程中,气流与飞行器表面相互作用会产生宽频带、高能级、随机分布的气动噪声,该噪声容易激发起薄壁结构多个模态的振动,产生大幅值的多轴应力,从而引发结构的高周疲劳失效,对飞行器的服役安全带来巨大隐患.为解决薄壁结构在随机声载荷激励下的疲劳寿命预测问题,提出了一种基于等效应力和多轴S-N曲线的疲劳寿命频域预测方法.首先,通过结构危险点处的等效应力和静水应力获得应力比;然后,利用应力比对单轴拉压S-N曲线和单轴扭转S-N曲线进行修正,得到多轴S-N曲线;最后,采用Dirlik模型对等效应力的功率谱密度进行应力雨流幅值统计,结合线性疲劳累积损伤理论和多轴S-N曲线,实现频域上结构的疲劳寿命预测.为验证新方法的可靠性,采用大涡模拟和声类比理论,获得了气流流速为0.84Ma时的气动噪声,并以此作为声疲劳实验的载荷谱,在行波管声疲劳实验装置中分别进行了总声压级为157dB、160dB、163dB和164dB四种工况下的薄壁结构声疲劳实验,将新方法和传统方法的预测结果与实验结果进行对比发现:传统方法预测的结果仅有37.5％落在2倍因子范围内,而新方法的预测结果全都落在2倍因子范围内,表明新方法的预测结果更准确可靠.