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嘉峪檢測網(wǎng) 2019-12-13 18:21
目前對于振動導(dǎo)致物體或產(chǎn)品破壞的機理的認識還不夠清楚, 人們只是提出了一些振動破壞模型的假設(shè),用以指導(dǎo)工程應(yīng)用。
一個系統(tǒng)(可以是結(jié)構(gòu)、設(shè)備或者構(gòu)件)或其部件,如果由于振動作用而喪失了原來應(yīng)當(dāng)具有的作用或功能,或使作用與功能變化到允差范圍之外,就稱為產(chǎn)生了振動破壞。根據(jù)實踐中的振動破壞現(xiàn)象,一般分為下列幾種類型:
關(guān)于上述各種類型振動破壞的特征,克讓德爾(Crandall)按照振動終止以后破壞是否能恢復(fù)正常,將振動破壞分成可逆的與不可逆的兩類,并且又根據(jù)在一定振動量值激勵下,破壞是立即發(fā)生還是經(jīng)歷一定振動次數(shù)(一定時間)后才發(fā)生,進一步將以上兩類破壞又分為即發(fā)的與積累的兩種?;谶@些破壞特征,一些文獻中已提出過相應(yīng)的破壞模型,包括疲勞破壞、一次通過破環(huán)、峰值破壞、瞬時值破壞等,下面分別加以討論。
把具有不可逆且累積特征的振動強度破壞,簡單地假設(shè)為和通常所謂的“靜態(tài)”應(yīng)力疲勞破壞相似,并稱之為振動疲勞破壞。這是因為兩者同樣都是由于經(jīng)受循環(huán)應(yīng)力導(dǎo)致?lián)p傷累積而破壞的。事實上, 工程界甚至把由振動引起的磨損問題及廣義的壽命蛻變問題也并入這一類進行處理, 因而對后面兩者雖也在進行研究,但可資應(yīng)用的結(jié)果還很少。
振動疲勞與所謂的靜態(tài)應(yīng)力疲勞在載荷特點、頻率與頻率的影響方面是不同的,特別是聯(lián)系到振動響應(yīng)及由之引起的其他振動破壞類型,說明這兩者并不相同,但只考慮強度破壞時,仍然可以按照一般的疲勞理論進行研究。
工程上所謂的疲勞破壞,一般是指產(chǎn)生了某一工程可檢長度的裂紋,即包括生成裂紋階段與擴展至該可檢長度之前的裂紋擴展階段。雖然疲勞的實際物理過程與材料性質(zhì)、應(yīng)力大小及其循環(huán)次數(shù)、溫度、結(jié)構(gòu)特點、環(huán)境條件等因素密切相關(guān),但作為最簡單的工程計算,直接需要了解的只是某種損傷累積理論、破壞準(zhǔn)則以及有關(guān)的載荷壽命關(guān)系式(S-N曲線)。
敏納(Miner)線性累積損傷假設(shè)
敏納(Miner)線性累積損傷假設(shè)是振動疲勞分析中最常用的累積損傷理論。設(shè)試驗件經(jīng)受m個常幅交變應(yīng)力的作用,幅值分別記為S1,S2,S3,…,Sm;各應(yīng)力的實際循環(huán)次數(shù)分別為n1,n2,n3,…,nm; 則總累積損傷D為(式1):
式中,ni(i=1,2,......,m)為試驗件在常幅循環(huán)應(yīng)力Si作用下達破壞時的循環(huán)次數(shù)。
敏納假設(shè)D=1時試驗件發(fā)生疲勞破壞,所以令D=1,式(1)就是敏納的病勞破壞準(zhǔn)則。實際上這是把應(yīng)力Si每一循環(huán)造成的損傷一律取為I/Ni, 而忽略了各次應(yīng)力循環(huán)作用之前已有損傷歷史的影響,也沒有考慮多個應(yīng)力作用的相互次序及其他各種因素的影響,以致式(1)乃是個高度簡化的線性平均和式。
不難將式(1)寫成連續(xù)形式,假定有連續(xù)變幅應(yīng)力S=S (x),設(shè)在應(yīng)力幅區(qū)間(S1,Sm)的某一微元[ S-dS/2,S+dS/2]內(nèi),平均應(yīng)力幅為S,平均作用次數(shù)為n (S), 達破壞時的平均破壞循環(huán)次數(shù)為N (S), 則對所有這類微元寫出損傷和式并令dS趨于零,即可得到(式2):
盡管敏納假設(shè)非常粗糙,但鑒于疲勞壽命的巨大分散性,還沒有任何一種累積損傷理論能夠做出普遍適合的壽命預(yù)計,所以它仍能得到廣泛應(yīng)用。
S—N 曲線
應(yīng)力疲勞問題中的載荷壽命關(guān)系式即是相應(yīng)的S—N 曲線表達式。大部分疲勞試驗數(shù)據(jù)表明,這類曲線的有用部分(自104次到107次之間)大多可以用雙對數(shù)坐標(biāo)圖中的直線表示,即可表示為(式3):
式中:
S—應(yīng)力幅值;
b—斜率參數(shù) (斜率為-1/b);
分析振動疲勞問題往往是求出振動應(yīng)力然后套用相應(yīng)的S—N曲線,但實際上對于特定的試驗件也完全可以通過試驗得出以振動激勵或響應(yīng)量表示的振動載荷壽命關(guān)系式,按基礎(chǔ)加速度激勵寫成(式4):
式中:
x,,—基礎(chǔ)振動激勵x (t)的加速度幅值;
N—在 x,,作用下達破壞的循環(huán)次數(shù);
K—斜率參數(shù);
有的文獻中直接假定K=b,但是由于頻率的影響和實際系統(tǒng)帶有的非線性(如阻尼非線性), K并不等于b。
所有即發(fā)的振動破壞,不論可逆與否都可以歸屬于概率論中的一次通過問題。所謂即發(fā)破壞是指當(dāng)振動量值(可以用任一激勵量或響應(yīng)量來表示)首次達到某一闕值(門檻值) 后,破壞立即發(fā)生。如果以y (t) 表示振動量值,則對于正弦振動,相當(dāng)于振幅達到一定值后立即破壞(如立即產(chǎn)生碰撞),對于隨機振動可以分析如下。
隨機振動分析
假定y (t) 是一個平穩(wěn)隨機過程,y=a是試驗件的破壞閾值,則在單位時間內(nèi)y以正斜率穿越量值a的期望次數(shù)(故障率) Va+可以寫為(式5):
式中:
y,=dy/dt —y的時間速率;
特別當(dāng)y (t) 是平均值為零的正態(tài)過程時則有(式6):
式中,σy和σy,—y和y,的均方根值;
exp[ ]一以e為底,以[ ]內(nèi)量為冪次的指數(shù)式。
便有(式7):
再假定y(t)是窄帶過程,例如,是小阻尼單自由度系統(tǒng)在隨機激勵下的響應(yīng)過程,則這種窄帶隨機過程的平均頻率f0,即是單位時間內(nèi)y(t)以正斜率穿越y(tǒng)=0值得期望次數(shù)V0+,它是(式8):
式(7)變?yōu)椋ㄊ?):
進一步假定a值足夠大,以致y (t)每一次以正斜率穿越a,都可以看成是一次獨立的偶發(fā)事件;則由這些穿越a的時刻tk構(gòu)成的集合{tk},便可假定為服從泊松( Poisson)分布的隨機樣本集合。在此假設(shè)下可以證明,在0≤t≤T時間內(nèi)發(fā)生y (t)首次穿越a的概率將決定于T,且其概率密度函數(shù)為(式10):
據(jù)此即可計算發(fā)生y首次正穿越a的平均時間E (T)為(式11):
E(T)即是試驗件的期望壽命。
對于具有可逆與累積性質(zhì)的破壞,一般可按峰值準(zhǔn)則進行分析。假定在振動激勵下試驗件存在一個破壞閾值(或稱為振動致?lián)p度),僅當(dāng)振動峰值超過該閾值后,試驗件才有可能經(jīng)受振動損傷,同時也只有超過閾值的振動峰值數(shù)目達到一定次數(shù)時才會出現(xiàn)故障或破壞。這里和疲勞問題不同之處有二:第一它是可逆的;第二它是在連續(xù)振動下才有累積性。顯然這里描述的是一種可逆而且累積的性能故障問題,許多通信裝置、記錄及顯示設(shè)備、信號傳輸系統(tǒng)或其他斷續(xù)動作系統(tǒng)均可能出現(xiàn)這種性質(zhì)的故障。此外,現(xiàn)在也把一些不可逆且累積的工藝問題如緊固件松動、連接件分離等問題(也要求振動峰值超過一定量值, 以克服相應(yīng)的緊固力或摩擦力而造成破壞),也按峰值破壞處理。
對于正弦振動,是否產(chǎn)生峰值破壞,決定于峰值是否超過閾值和連續(xù)振動時間是否足夠長兩個條件。
隨機振動分析
對于隨機振動,不妨假定為小阻尼單自由系統(tǒng)受到均值為零的正態(tài)隨機激勵,其響應(yīng)y(t)為窄帶正態(tài)過程,響應(yīng)峰值服從瑞利(Rayleigh)分布,即響應(yīng)峰值yp的概率密度函數(shù)P(yp)為(式12):
式中:
假定破壞閾值為a,那么yp超過a的次數(shù)與全部峰值次數(shù)之比即為下列概率值(式13):
假定振動持續(xù)時間為tR則總的響應(yīng)峰數(shù)目(只考慮一個方向的峰, 如正峰)為(式14):
式(14)中f0即為上面規(guī)定的窄帶響應(yīng)過程的平均頻率,對于單自由度系統(tǒng),它實際上等于該系統(tǒng)的無阻尼自然頻率(固有頻率)。于是在時間tR內(nèi)響應(yīng)峰yp超過閾值a的平均次數(shù)npa 。為(式15):
假定npa 超過某一次數(shù)Na時發(fā)生故障,則相應(yīng)的峰值破環(huán)準(zhǔn)則是(式16):
或(式17):
顯然,如果把tR看成是一個時間變量,則當(dāng)上式取等號時有(式18):
便是試驗件的期望壽命值。
將式(18)與式(11)相比較就可以看出,所謂一次通過問題,實際上是峰值破壞當(dāng)Na=1時的特殊情況,所以這兩種破壞可以統(tǒng)一起來。 順便指出,這里給出的分析比上面對于一次通過問題的分析要簡單得多。
克讓德爾也提出過一種破壞模型,即響應(yīng)超過某一閾值后響應(yīng)瞬時值比例過大的破壞模型,下面說明它與峰值破壞模型也是一致的 。
假定y(t)表示上述單自由度系統(tǒng)在均值為零的寬帶隨機激勵下的響應(yīng)瞬時值,仍取閾值為a,克讓德爾假定響應(yīng)偶然穿越閾值并不構(gòu)成故障,只有當(dāng)y (t) >a 的時間與總振動持續(xù)時間之比超過某一定值ε以后才發(fā)生故障。
令P (y)為瞬時值y (t)的概率密度函數(shù),則因y (t) 服從正態(tài)分布,故(式19):
則y(t)超過閾值a的時間與全部瞬時值發(fā)生的總時間之比φ(a)即為(式20):
并且有破壞準(zhǔn)則(式21):
比較式(20) 與式(15)便可發(fā)現(xiàn),對于一定的系統(tǒng)和一定的激勵,npa和φ (a) 都只與a有關(guān),并且都是參變量a的單值函數(shù),所以可以消去參數(shù)a而得到 npa和φ (a)的直接對應(yīng)關(guān)系,這樣,用一個量表示的破壞準(zhǔn)則也可以轉(zhuǎn)換為用另一個量(唯一的)加以表示。這就說明上面兩種破壞模型實質(zhì)上是一致的,只不過表示方法不同而已。
上面已簡單分析了目前已知的幾種振動破壞模型并統(tǒng)一為兩種, 即振動疲勞破壞模利和振動峰值破壞模型。盡管對這兩種破壞,特別是峰值破壞的研究還很不充分,但工程實踐中還是應(yīng)用這兩種模型作為制定振動標(biāo)準(zhǔn)和振動試驗方法的指導(dǎo),它們分別適用于作為振動耐久性試驗和振動功能試驗的理論基礎(chǔ)。
還應(yīng)當(dāng)說明,這里研究的振動破壞,實質(zhì)上是建立在共振(諧振)破壞這一概念的基礎(chǔ)上(否則,一次通過破壞和峰值破壞便不能在瑞利分布的基礎(chǔ)上統(tǒng)一起來),好在這也是一個已被工程界接受的概念。作為小結(jié),將有關(guān)振動破壞的類型、特征以及相應(yīng)的破壞模型歸納列于表1中。
表1 振動破壞的類型、特征及相應(yīng)的破壞模型
類別/破壞模型/特征
可逆
不可逆
即發(fā)
累積
即發(fā)
累積
強度破壞
—
—
一次通過
疲勞
性能失靈
一次通過
峰值
—
—
工藝故障
—
—
一次通過
峰值
壽命蛻變
—
—
—
疲勞



N—在應(yīng)力 S作用下達破壞時的循環(huán)次數(shù);
C—由試驗決定的常數(shù)(截距參數(shù))。
C—相應(yīng)的試驗常數(shù)。
P(a, y,)— y =a時,y和 y,的聯(lián)合概率密度函數(shù)。






yp一響應(yīng)峰值,下標(biāo)P表示峰值;
σp一響應(yīng)瞬時值的均方根值。









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