一种结构疲劳寿命快速计算方法技术

本发明专利技术涉及一种结构疲劳寿命快速计算方法，包括将结构受到的每个动态载荷通过傅里叶变换得到动态载荷的谐波载荷；将所有谐波载荷一次性施加到结构有限元模型中，进行谐波响应分析得到结构有限元模型的应力频谱计算结果；从应力频谱计算结果中提取结构中关注部位的应力频谱进行应力合成得到时域动态应力；根据时域动态应力，对关注部位进行疲劳寿命评估分析。本发明专利技术基于傅里叶变换和结构有限元谐波响应分析，解决了现有结构疲劳评估方法计算成本高、计算准确性低的技术问题。计算准确性低的技术问题。计算准确性低的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
一种结构疲劳寿命快速计算方法


[0001]本专利技术属于结构疲劳评估
，尤其涉及一种基于傅里叶变换和结构有限元谐波响应分析的结构疲劳寿命快速计算方法。

技术介绍

[0002]疲劳断裂一直以来都是结构失效的主要模式，这是由于结构零部件(如轨道车辆行业的轮对、转向架和车体等)在服役期间长时间受到动态载荷作用引起的。为此，许多科研人员致力于研究结构疲劳强度或寿命评估分析方法。目前，结构疲劳评估分析方法是应用Miner线性疲劳损伤累积理论，结合材料疲劳性能试验测试数据(S
‑
N曲线)和结构有限元强度计算分析实现。随着疲劳评估方法理论研究的不断深入与计算机技术的快速发展，考虑动态载荷作用的结构疲劳评估方法得到发展。目前主要有两种方法：
[0003](1)时域分析法：将实测或预定义的动态载荷数据施加在结构有限元模型中，通过结构瞬态分析得到结构动态应力，然后采用雨流计法对动态应力数据分析得到每个应力等级下的循环次数，最后根据Miner线性疲劳损伤累积理论和S
‑
N曲线进行疲劳寿命评估。
[0004](2)频域分析法：首先对结构有限元模型进行谐波响应分析(或稳态响应分析)获得第i个载荷作用下的应力频响函数，然后对该动态载荷数据进行傅里叶变换得到载荷的自功率谱以及与其他载荷的互功率谱，再计算结构关注点的应力功率谱，然后应用Dirlik法获得结构应力概率密度函数并统计单位时间内应力变化范围及发生的频次，最后基于Miner线性疲劳损伤累积理论和S
‑
N曲线进行疲劳寿命评估。
[0005]采用时域分析法评估分析结构疲劳寿命时，在结构有限元瞬态分析环节耗费时间巨大；应用频域分析法时需要通过结构有限元谐波响应分析得到每个载荷作用下的应力频响函数，并计算每个载荷的自功率谱以及与其他载荷之间的互功率谱，当载荷较多时计算环节非常繁琐复杂，另外，由于雨流计数法结果与材料的应力
‑
应变特性相一致，有更可靠的力学基础，基于雨流计法的循环计数法计数方法比概率密度函数法要简单、快捷，而且能反映载荷的特征，所以在大多数工程上的疲劳强度设计与疲劳寿命计算中，还是采用雨流计法的循环计数法，故近年来在国内外被公认为是最先进的计数法，并得到日益广泛的重视和运用。

技术实现思路

[0006]针对相关技术中存在的不足之处，本专利技术提供了一种结构疲劳寿命快速计算方法，以解决现有结构疲劳评估方法计算成本高、计算准确性低的技术问题。
[0007]本专利技术提供一种结构疲劳寿命快速计算方法，其特征在于，包括：
[0008]S1.将结构受到的每个动态载荷通过傅里叶变换得到所述动态载荷的谐波载荷；
[0009]S2.将所有所述谐波载荷一次性施加到结构有限元模型中，进行谐波响应分析得到所述结构有限元模型的应力频谱计算结果；
[0010]S3.从所述应力频谱计算结果中提取所述结构中关注部位的应力频谱进行应力合
成得到时域动态应力；
[0011]S4.根据所述时域动态应力，对所述关注部位进行疲劳寿命评估分析。
[0012]在其中一些实施例中，所述步骤S2进一步包括：所述谐波响应分析选择模态叠加法进行计算。
[0013]在其中一些实施例中，所述步骤S1进一步包括：
[0014]计算得到所述谐波载荷后，将所述谐波载荷存储于M个N
h
×
2的载荷数组中；其中，M为所述结构受到的动态载荷数量，N为载荷采样点的数量；所述载荷数组用于所述结构有限元模型中的所述谐波响应分析。
[0015]在其中一些实施例中，所述步骤S2进一步包括：
[0016]在所述结构有限元模型的所述谐波响应分析中，将M个所述载荷数组的每一行行数值依次施加到所述结构有限元模型中，并对相应离散圆周频率的谐波响应进行求解计算，依次完成所有N
h
个频率的谐波响应计算，得到所述应力频谱计算结果。
[0017]在其中一些实施例中，所述步骤S3进一步包括：
[0018]提取所述关注部位的所述应力频谱的公式为
[0019][0020]式中，为应力频谱，a
k
、φ
k
分别为离散圆周频率ω
k
处应力频谱幅值和相位。
[0021]在其中一些实施例中，所述步骤S3进一步包括：
[0022]对所述应力频谱进行应力合成得到所述时域动态应力的公式为
[0023][0024]式中，σ(t)为时域动态应力，t为动态载荷连续时间变量。
[0025]在其中一些实施例中，所述步骤S4进一步包括：
[0026]采用雨流计法对所述时域动态应力分析得到每个应力等级下循环次数。
[0027]在其中一些实施例中，所述步骤S4进一步包括：
[0028]根据Miner线性疲劳损伤累积理论和S
‑
N曲线，对所述关注部位进行疲劳寿命评估分析。
[0029]在其中一些实施例中，所述步骤S1进一步包括：
[0030]首先计算得到所述动态载荷的离散傅里叶变换，再根据所述离散傅里叶变换计算得到所述谐波载荷。
[0031]在其中一些实施例中，所述步骤S1进一步包括：
[0032]根据所述离散傅里叶变换计算得到所述谐波载荷的公式为
[0033][0034]式中，为谐波载荷，为动态载荷的离散傅里叶变换数值，为动态载荷的离散傅里叶变换数值，分别为虚部和实部的数值。
[0035]基于上述技术方案，本专利技术通过实现一种基于傅里叶变换和结构有限元谐波响应
分析的结构疲劳寿命快速计算方法，巧妙地利用傅里叶变换，并充分利用和发挥了结构有限元谐波响应的计算效率与雨流计法的计算准确性，其优点在于：
[0036]1.与频域法相比，本专利技术将动态载荷进行傅里叶变换后一次施加到有限元模型中，省去了对每个载荷作用的应力频响函数的计算，以及载荷自功率谱和互功率谱以及应力功率谱的计算，减少了计算环节并使计算的复杂性显著降低；
[0037]2.与时域法相比，对结构有限元模型进行谐波响应分析得到应力频谱结果，然后进行应力合成得到动态应力时程结果，避免了对结构有限元模型进行瞬态分析，极大地提高了计算效率；
[0038]3.通过结构有限元谐波响应分析与应力合成得到应力
‑
时间历程结果，然后采用雨流计法计算每个应力水平下的循环次数，保证了计算可靠性。
附图说明
[0039]此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：
[0040]图1为本专利技术结构疲劳寿命快速计算方法的流程图；
具体实施方式
[0041]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而非全部的实施例。基于本专利技术的实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种结构疲劳寿命快速计算方法，其特征在于，包括：S1.将结构受到的每个动态载荷通过傅里叶变换得到所述动态载荷的谐波载荷；S2.将所有所述谐波载荷一次性施加到结构有限元模型中，进行谐波响应分析得到所述结构有限元模型的应力频谱计算结果；S3.从所述应力频谱计算结果中提取所述结构中关注部位的应力频谱进行应力合成得到时域动态应力；S4.根据所述时域动态应力，对所述关注部位进行疲劳寿命评估分析。2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：所述谐波响应分析选择模态叠加法进行计算。3.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：计算得到所述谐波载荷后，将所述谐波载荷存储于M个N
h
×
2的载荷数组中；其中，M为所述结构受到的动态载荷数量，N为载荷采样点的数量；所述载荷数组用于所述结构有限元模型中的所述谐波响应分析。4.根据权利要求3所述的计算方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：在所述结构有限元模型的所述谐波响应分析中，将M个所述载荷数组的每一行行数值依次施加到所述结构有限元模型中，并对相应离散圆周频率的谐波响应进行求解计算，依次完成所有N
h
个频率的谐波响应计算，得到所述应力频谱计算结果。5.根据权利要求4所述的计算方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘兴龙，黄珊，
申请(专利权)人：国家高速列车青岛技术创新中心，
类型：发明
国别省市：