非平稳非高斯随机载荷作用下结构振动疲劳分析与寿命预测研究

In this project, the fatigue reliability and life assessment of important mechanical equipment and engineering structures under complicated loads are studied. The stress response analysis of structures under non-stationary and non-Gaussian random loads and the mechanism of initiation and propagation of structural vibration fatigue cracks are first studied in detail. Both macrostructure dynamics and microscopic damage mechanics are used to reveal the influence of non-stationary and non-Gaussian stochastic loads on the vibrational fatigue life of structures. The calculation method of non-stationary and non-Gaussian random vibration fatigue cumulative damage and the method of obtaining the fatigue characteristic curve are used to determine the structural vibration fatigue damage criterion in order to establish a theoretical model of cumulative fatigue damage of structures under non-stationary and non-Gaussian stochastic loads. The fatigue life prediction method based on non-stationary and non-Gaussian random vibration accelerated testing is to be given and verified by practical tests on typical structures. Finally, an integrated research tool and platform is to be formed for the study of the structural vibration response analysis, fatigue damage calculation, life prediction and experimental verification under non-stationary non-Gaussian random loading. It also provides an effective means and method for structural anti-vibration fatigue design, fatigue damage analysis and safety assessment, structural life prediction and life extension. This work is of great significance to promote the development and application of vibration fatigue theory.

本项目针对复杂载荷作用下重大装备和工程结构的疲劳可靠性与寿命评估难题，深入研究非平稳非高斯随机载荷作用下结构应力响应分析技术和结构振动疲劳裂纹萌生与扩展机制，分别从宏观结构动力学和微观损伤力学两个不同的维度揭示非平稳非高斯随机载荷对结构振动疲劳寿命的影响规律；探索非平稳非高斯随机振动疲劳累积损伤计算方法和疲劳特性曲线获取方法，确定结构振动疲劳损伤准则，建立非平稳非高斯随机载荷作用下结构振动疲劳累积损伤理论模型；给出基于非平稳非高斯随机振动加速试验的结构疲劳寿命预测方法，并以典型结构件为对象开展实际试验进行验证。最终形成非平稳非高斯随机载荷作用下对结构进行振动响应分析、振动疲劳计算、寿命预测与试验验证的一体化研究工具和平台，为结构抗振动疲劳设计、疲劳损伤分析与安全评定、定寿与延寿提供有效的手段和方法，对推动振动疲劳理论发展及应用具有重要意义。

复杂随机振动环境广泛存在于各类装备的运输和服役过程中，对装备长期安全可靠运行产生重大影响。本项目针对复杂载荷作用下重大装备和工程结构的振动疲劳可靠性与寿命评估难题，围绕非平稳非高斯随机振动激励作用下结构振动疲劳分析与加速试验技术开展研究，主要内容如下：.1.研究了非平稳非高斯随机振动的表征与模拟问题，提出了针对均方根时变非平稳随机振动的量化表征方法，利用幅值调制方法模拟生成非平稳非高斯随机过程，并基于高阶矩和希尔伯特谱提出了一种全新的模拟非平稳非高斯随机过程的方法。.2.分析了具有相同功率谱密度的不同类型激励信号以及激励信号的非平稳特性和非高斯特性对结构振动疲劳损伤的影响。结果表明：①平稳非高斯和平稳高斯随机激励对结构造成的疲劳损伤几乎相等，非平稳非高斯随机激励对结构造成的疲劳损伤最大；②非平稳非高斯随机激励信号非平稳指数的增加仅会影响激励信号的时域特征；③结构响应峭度与结构疲劳损伤累积密切相关，呈现明显的正相关关系。.3.对非平稳非高斯随机激励进行频率分解，深入研究了非平稳非高斯随机激励作用下系统动力学响应规律，建立了描述激励-响应峭度间传递规律的数学模型，该模型表明结构的动力学响应峭度与激励信号在结构固有频率处以3.2倍半功率带宽进行频率分解得到的激励分解信号峭度之间有着密切的线性关系，能够根据该关系对结构的响应峭度进行定量估计。 .4.基于激励-响应峭度间的传递规律，提出了一种新的可控制结构响应峭度的随机振动加速试验信号生成方法，该方法通过对激励信号处在结构固有频率附近的相位进行调制，使得激励信号在结构固有频率处以3.2倍半功率带宽分解得到的信号呈现明显的非高斯特性，从而使结构在该激励下的响应呈现显著非高斯特性。.本项目的研究成果具有重要的理论创新意义和重大的工程应用价值，可以广泛应用于重大装备和工程结构的抗振动疲劳设计、疲劳损伤分析与安全评定、定寿与延寿等领域，为保障其安全可靠服役提供支撑。