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[科普中国]-载荷分析

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载荷分析是一种力学分析方法,它的基础是建立在疲劳设计方法上的,根据研究对象的不同,施加在对象上的疲劳载荷也是不同的,所以在应用时要依据某种统计分析方法和理论进行分析。

在设计部件时应考虑的各种载荷(a)内压和外压;

(b)冲击载荷,包括快速压力波动;

(c)部件的自重和在运行或试验情况下正常贮存物的重量,包括由于液体静压头和动压头引起的附加压力;

(d)其他部件、运行设备、保温层、耐腐蚀或耐侵蚀衬里以及管道等附加载荷;

(e)当地所规定的风载荷、雪载荷、振动载荷及地震载荷;

(f)耳架、圈座、鞍座或其它形式支座的反作用力;

(g)温度效应。1

在设计部件时应采用的尺寸(a)承受内压的部件,内径应取自堆焊层的名义内表面;

(b)承受外压的部件,外径应取母材的外表面。

载荷分析统计分析方法对于随机载荷,统计分析方法主要有两类:计数法和功率谱法。由于产生疲劳损伤的主要原因是循环次数和应力幅值,因此在编谱时首先必须遵循某一等效损伤原则,将随机的应力—时间历程简化为一系列不同幅值的全循环和半循环,这一简化的过程叫做计数法。功率谱法是借助富氏变换,将连续变化的随机载荷分解为无限多个具有各种频率的简单变化,得出功率谱密度函数。在抗疲劳设计中广泛使用计数法。

目前,已有的计算法有十余种之多,同一应力—时间历程用不同计数法编制出的载荷谱有时会差别很大。当然,按照这些载荷谱来进行寿命估算或试验,也会给出不同的结果。从统计观点上看,计数法大体分为两类:单参数法和双参数法。

所谓单参数法是指只考虑应力循环中的一个变量,例如,峰谷值、变程(相邻的峰值与谷值之差),而双参数法则同时考虑两个变量。由于交变载荷本身固有的特性,对任一应力循环,总需要用两个参数来表示。其代表是雨流计数法。

雨流计数法是目前在疲劳设计和疲劳试验中用的最广泛的一种计数方法,是对随机信号进行计数的一种方法的一种。雨流计数法与变程对—均值计数法一样具有比较严格的力学基础,计数结果介于峰值法和变程法之间,提供比较符合实际的数据。雨流法是建立在对封闭的应力—应变迟滞回线逐个计数的基础上,它认为塑性的存在是疲劳损伤的必要条件,从疲劳观点上看它比较能够反映随机载荷的全过程。由载荷—时间历程得到的应力—应变迟滞回线与造成的疲劳损伤是等效的。

应该指出,所有现行计数法均未记及载荷循环先后次序的信息资料。因为载荷先后次序的影响总是存在的,但如果将简化后的程序载荷谱的周期取短一些,则载荷先后次序的影响会减小至最小程度,这点已被荷兰国家宇航实验室的试验结果证实。2

载荷分析的疲劳问题简介在疲劳研究过程中,人们早就提出了“损伤”这一概念。所谓损伤,是指在疲劳过程中初期材料内的细微结构变化和后期裂纹的形成和扩展。累积损伤规律是疲劳研究中最重要的课题之一,它是估算变幅载荷作用下结构和零件疲劳寿命的基础。

大多数结构和零件所受循环载荷的幅值都是变化的,也就是说,大多数结构和零件都是在变幅载荷下工作的。变幅载荷下的疲劳破坏,是不同频率和幅值的载荷所造成的损伤逐渐累积的结果。因此,疲劳累积损伤是有限寿命设计的核心问题。1

载荷分析的疲劳寿命设计方法现在广泛使用的疲劳寿命设计方法主要有以下几种:无限寿命设计,安全寿命设计,损伤容限设计,概率疲劳设计。

本词条内容贡献者为:

刘军 - 副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所