振动疲劳试验系统机械装置的设计毕业论文.doc

目 录1 绪论21.1 引言21.1.1 工程中的振动疲劳与研究意义21.1.2 振动疲劳的分类及研究方法41.2 国内外现状51.3 本文的主要工作62 试验系统的总体设计82.1 引言82.2 设计方案一82.21 系统组成82.22 试验系统控制理论92.23 试验件及夹持方案122.3 设计方案二132.31 配重加载132.32 约束条件142.33 加载点确定152.34 测点位置确定152.4 方案比较162.5 本章小结173 振动台的设计183.1 引言183.2 设计计算233.2.1结构形式与工作原理233.2.2结构工艺参数的选择及计算253.3 结构计算273.4 本章小结364 结论与展望374.1 全文工作总结374.2 进一步工作的展望37参考文献39致 谢401 绪论1.1 引言1.1.1 工程中的振动疲劳与研究意义 某型国产飞机在研制生产试飞过程中发生以下问题： 1）飞机液压导管振裂，导致烧毁飞机，查明原因：该导管固有频率为535537Hz，而液压泵工作频率528540Hz，激起导管共振破坏。 2）飞机火箭挂梁裂纹， 查明原因：火箭悬挂频率为6.88Hz，而机翼有6.70Hz 的一个共振频率，在着陆、滑行、阵风时机翼的振动响应引起火箭（类似于动力吸振器）的较大共振导致破坏。 3)飞机炮架结构裂纹，查明原因：该航炮连发频率为22.5Hz，炮架结构共振频率与连发频率的四倍频一致，导致破坏。 以上事例充分揭示了振动疲劳（或称动态疲劳）产生的原因是结构承受的动态载荷（振动、冲击、噪声）的频率分布与结构固有频率分布具有交集或相接近引起结构共振所造成的。 疲劳（Fatigue）是指机械或结构的材料在振动载荷的作用下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定振动次数后形成裂纹或断裂的过程。显然，机械结构的疲劳与振动密切相关。随着19 世纪初期铁路运输工业的发展，人们发现疲劳破坏问题以来，疲劳破坏的研究经历了以不同学科为理论基础的研究阶段，表达了疲劳破坏理论不断完善与发展的过程。最初的结构疲劳破坏研究是以材料力学为理论基础，后来为满足工程实践对疲劳寿命分析精度不断增长的需求，逐步发展为以弹塑性力学、断裂力学、概率统计和随机过程等为理论基础。虽然工程界与学术界对疲劳破坏问题展开了大量的研究，例如，疲劳寿命曲线、疲劳累积损伤准则、疲劳寿命分析方法以及疲劳强度影响因素等各方面，但在研究机械或结构疲劳时，人们都忽略了结构动力特性（例如，惯性、自然频率、振型、阻尼等）对其疲劳寿命与疲劳强度的影响。之所以忽略结构动力特性的影响与当时工业水平有必然的联系，早期的机械或结构所处的振动环境远没有今天这么复杂，结构动响应对其疲劳破坏的贡献不起主要作用。同时，它也符合事物的发展规律，疲劳破坏研究正是一个逐步发展与完善的过程。随着现代工业技术的蓬勃发展，机械或结构所处的振动环境日趋复杂，特别是现代航空航天技术的发展，仍然采用常规的疲劳破坏理论已难以精确地估算结构的疲劳寿命，或者无法解释某些结构疲劳破坏问题。 因此，为满足现代工业的发展趋势，解决因振动激励导致的疲劳破坏问题，在研究结构疲劳时，必须考虑结构的动力特性（特别是共振响应），把结构动力学设计引入到疲劳分析中来，发展并完善现代疲劳破坏理论，最终形成一门新的学科振动疲劳工程。振动疲劳工程（Vibration Fatigue Engineering）是本论文提出的一种新的疲劳研究路线，它主要考虑结构动力特性对疲劳裂纹扩展过程以及疲劳寿命的影响。 随着现代工业的飞速发展，飞行器、船舶、车辆等运载工具和汽轮机、机器人、发动机等机电产品都需要在短期内不断更新换代，以适应市场经济下的产品竞争和人们对可靠性、舒适性、经济性等不断增长的需求。由于结构日趋轻柔、机械日趋高速、振动环境日趋复杂，因振动环境带来的问题越来越受到工程界的关注。例如，发动机由于燃料燃烧引起的冲击和往复运动构件的惯性力会产生多个不同振源和不同振型的复杂振动。汽轮机运行时要经受转子高速旋转而产生的周期性激振力以及气道气流压力沿节距的不均匀分布所引起的周期性激振力等振动载荷。汽车行驶时要经受发动机产生的振动和噪声以及地面不平、紧急刹车等引起的动态载荷。各种武器装备发射时要经受武器发射、投放、弹射等动作产生的振动载荷。特别是现代航空航天技术的发展，飞机在飞行过程中，结构要经受发动机产生的振动和噪声、各种非平稳气动力、着陆滑行及某些地面机动产生的振动冲击等动态载荷；火箭在飞行过程中要经受推力、气动以及燃气流冲击等动态载荷。振动存在于空间飞行器的发射、飞行、直至完成使命的全部过程，各种飞行器由于振动引起的破坏问题特别突出。振动激励不仅影响机械的正常运转，还会因强度问题引起破坏。通常由振动引起的破坏形式主要包括振动疲劳破坏、振动峰值破坏以及振动一次通过破坏三种。振动疲劳是振动破坏最常见的形式之一，它不同于其它任何形式的过载破坏。例如，飞机进气道壁板和尾喷口蒙皮、机身侧壁和机翼下壁板以及尾翼跟部或梢部蒙皮、发动机罩蒙皮等部位都是振动疲劳裂纹的常发区域。由于对结构振动疲劳缺乏深入系统的研究，迄今为止，人们对结构振动疲劳的动力学本质尚无深刻的认识。工程实践中大量的振动疲劳破坏问题，已充分说明对振动疲劳开展专门的研究已经成为现代航空航天、交通运输、武器装备以及化工设备等领域急需解决的基础技术问题。振动疲劳的研究是振动环境工程与疲劳强度理论共同发展的必然结果。具体来说，开展振动疲劳研究有如下意义： 首先，可深入了解机械或结构振动疲劳破坏的机理，进一步在机械或结构的振动设计中定性分析及定量计算结构或零件所经受的疲劳破坏程度；在机械或结构疲劳设计过程中结合振动疲劳的理论及设计准则，对提高机械或结构的可靠性，优化机械结构设计及最小重量设计都有重大的意义。 其次，可全面了解振动环境下机械结构的疲劳特性，包括分析结构的疲劳破坏与动力特性之间的关系及影响结构振动疲劳的主要因素，对机械或结构的设计、结构制造工艺的改进和振动破坏的预防，保证机械或结构的安全可靠性有重要的意义。此外，可确定振动疲劳损伤和失效原因，为机械或结构改进设计、规范机械操作及限定机械或结构使用环境提供参考依据。1.1.2 振动疲劳的分类及研究方法 在分析具体的振动疲劳破坏之前，明确问题的类别非常重要。结构振动疲劳的分类依赖于分类的出发点，比如，按激励的变化性质可以把振动疲劳分为确定性振动疲劳和随机疲劳；根据激励载荷的不同可以把振动疲劳分为力激励振动疲劳和运动激励振动疲劳，等等。 本论文拟从机械或结构稳态响应的角度出发来分类。根据激振频率与结构的固有频率之比是否接近于1 或远大于1 与远小于1，可把振动疲劳分为共振疲劳(Resonance Fatigue)与强迫振动疲劳(Forced Vibration Fatigue)两类；强迫振动疲劳依据激振频率与结构固有频率之比是远大于1 或远小于1，可进-步划分为高频振动疲劳(High-Frequency Vibration Fatigue)和低频振动疲劳(Low-Frequency Vibration Fatigue)。强迫振动疲劳是指激振频率与结构的共振频率相差较大而引起的疲劳破坏问题，它经常存在于激振载荷是单一频率或结构本身刚度较大而激振频率较低的情况。共振疲劳是在激振频率与结构的某一个或几个共振频率相接近或相等时，由于结构共振引起的疲劳破坏问题，它广泛存在于受冲击、瞬态或随机载荷作用的大型结构，例如，车辆、飞行器、船舶以及武器装备等机械或结构的疲劳破坏问题中。共振疲劳时机械结构处于共振或接近于共振状态，结构内部的动应力应变很大，寿命很短。因此共振疲劳十分危险。 共振疲劳在结构的动力响应特性、疲劳破坏规律等方面与强迫振动疲劳有着显著的区别。首先，强迫振动疲劳时，应变响应的频率与激振频率一致，而共振疲劳的应变响应则是结构的某一或几个共振频率。当机械或结构受到随机、冲击或瞬态疲劳载荷时，应变响应的主要频率成分与结构的共振频率相等。其次，强迫振动疲劳引起的结构应变响应只与载荷的大小和结构刚度有关，而与激振频率关系不大。但共振疲劳时，结构的应变响应不仅与载荷大小有关，而且与激振频率、结构的刚度、质量和阻尼等动态参数密切相关。另外，强迫振动疲劳与共振疲劳破坏在结构应变幅值的统计特性方面有明显的区别。强迫振动疲劳时，占总幅值很少的较大应变对结构的疲劳断裂起主要贡献作用；而共振疲劳时大量的中等量级的应变造成了结构的断裂。产生这些差异的主要原因是共振结构的动应变除与激振力的幅值有关外，还受机械或结构的动力特性的影响；而强迫振动的应变主要由结构的刚度和激振的幅值决定。所以在分析共振疲劳破坏时，必须考虑结构的动力特性。 不同种类的结构振动疲劳，结构的稳态响应特征也不同，因此，在分析结构振动疲劳时考虑的因素与研究方法也不同。在低频振动结构，振动的位移响应幅度近似等于激振力幅值作用下的静位移，而速度、加速度响应近似为零，结构近似于静止状态；结构位移响应与激励力基本同相位，结构的运动主要由弹性力与激励力的平衡关系给出，结构基本呈弹性。因此，低频振动疲劳与常规振动疲劳基本-致，两者采用的研究方法也相同。结构在高频振动时，稳态位移和速度响应都很小，而稳态加速度响应幅值近似等于激振力幅值与结构质量之比；结构加速度响应与激励力基本同相位，结构运动主要由惯性力与激励力间的平衡关系给出，结构基本呈惯性。因此，研究高频振动疲劳时必须考虑结构惯性力的影响，可以利用动态断裂力学的方法对其进行研究。共振状态下结构的位移、速度和加速度响应均放大，其放大系数只与结构阻尼有关；共振时弹性力与惯性力平衡，结构响应由阻尼力与激振力之间的平衡关系所确定，结构基本呈阻尼特性。因此，必须利用结构动力学的方法对共振疲劳展开研究，考虑结构阻尼与激励力频率对共振破坏的影响。1.2 国内外现状 目前，国外使用损伤力学方法对振动疲劳问题的研究还在不断进行之中，常见的方式是使用断裂力学和损伤力学相结合的方法来进行研究，并且通过实验或有限元模拟的方法来进行检验。例如加拿大温莎大学Z i ad A. Hanna 的硕士学位论文内容就是使用上述方法进行的研究。 在国内，许多理工科大学和航空航天相关研究院所也进行了使用损伤力学方法研究结构疲劳问题的尝试，例如中国航空工业第一集团公司的张国栋等人就对损伤力学方法在材料低周疲劳试验中的应用进行了研究。北京航空航天大学固体力学研究所的张行、赵军等对金属构件的应用疲劳损伤力学进行了研究，总结出了疲劳裂纹形成过程分析的守恒积分方法、疲劳裂纹形成过程分析的附加应变方法、疲劳裂纹形成过程分析的附加位移法等等。南京航空航天大学的孙伟在其硕士学位论文中对结构振动疲劳寿命估算方法进行了研究，建立了估算随机振动疲劳寿命的样本法。北京航空航天大学航空科学与工程学院的刘思远在其学士学位论文中运用损伤力学方法对纯弯梁的振动疲劳进行了研究。 在振动疲劳寿命估算方法方面，我国的一些学者做了很多有意义的工作。王明珠和姚卫星等人提出了结构随机振动疲劳寿命估算的样本法，该方法是先将频域内的随机振动信号通过抽样使其转换为时域信号，然后利用有限元的方法计算结构危险点应力谱，再采用变程法过滤掉小载荷而获得危险点的应力谱，最后用常规疲劳寿命估算方法进行寿命估算。黄超广提出了一种正弦激振载荷作用下结构的疲劳寿命估算方法。周敏亮等人对国内外几十年来形成的主要的振动疲劳分析方法进行了归纳整理，为飞机设计和维修提供振动疲劳的设计与分析技术支持。张积亭等提出在数据处理时利用随机响应功率谱密度求出的特征频率作为平均频率进行随机振动疲劳寿命估算。安刚等人讨论了随机振动响应的统计特性分析、结构响应的动应力与常规疲劳载荷的关系、利用S-N 曲线和名义应力法对结构进行寿命估算等。肖寿庭等人对40多件典型小试件，使用基础激振进行了振动疲劳试验，测试了LY12CZ铝合金的动态疲劳S-N 曲线，并用测定谐振频率降低作为判断疲劳裂纹的出现标准。焦群英等人从位移模态推导了应变模态的表达式，利用应变模态分析的结果确定共振疲劳危险点的位置和已知点应变时间历程确定危险点应变时间历程，并利用动力修改技术避免共振疲劳。1.3 本文的主要工作 鉴于振动疲劳研究正处在起步阶段，虽然近年来国际上陆续有相关的研究报导，但还远未形成系统的理论体系和研究方法；同时，振动疲劳的研究内容繁多，涉及的学科范围甚广；因此，本论文以工程实际中常用的铝合金加筋板结构为研究对象，从共振疲劳的试验研究入手，结合有限元理论和计算机仿真技术，旨在揭示结构动力特性对共振疲劳破坏的影响，并尝试提出一种较为简单可靠的计算疲劳裂纹扩展寿命的方法。课题研究的主要内容和方法包括以下几个方面： （1）对三种不同连接方式加筋板进行自由状态模态试验，用模态分析软件进行模态参数识别，从而建立结构的参数模型，确定其动态特性。 （2）根据加筋板的几何和连接特性，建立加筋板的有限元模型，并进行有限元分析，得到结构振动模态参数。将有限元分析得到的模态参数与试验识别得到的模态参数进行比较，修正模型，得到正确的有限元模型 （3）在得到准确的有限元模型基础上，利用FATIGUE 根据不同的载荷工况对结构进行疲劳仿真计算。 （4）采用激振器直接对一端夹持加筋板进行疲劳寿命试验，并与有限元计算结果加以比较，验证有限元疲劳仿真计算的有效性和正确性。 （5）采用有限元方法模拟加筋板的裂纹扩展路径，并分析扩展过程中的应力强度因子的变化，提出一种估算出结构的裂纹扩展寿命的方法。2 试验系统的总体设计2.1 引言 进行振动疲劳试验可以检验有限元计算的模态与真实模型是否一致、有限元计算的危险点应力、破坏位置以及疲劳寿命的准确性。因此，为了证明本文工作的正确性与可行性，需要对加筋板进行振动疲劳试验进行验证。 结构振动疲劳试验是振动疲劳强度研究的根本技术，工程实际上使用的所有疲劳曲线与疲劳数据都来自于试验结论，同时它也是振动疲劳理论研究的唯一验证手段。自从振动疲劳提出以来，陆续有振动疲劳试验方面的文献报导。但是，就所查阅到的国内外文献而言，几乎所有的振动疲劳试验均是采用基础激励的方式来实现。当试验结构的固有频率与基础激励的频率相一致或接近时，在长时间的激励作用下，结构发生共振疲劳破坏。但是不足的是，基础激励实现的共振疲劳不能模拟载荷直接作用在结构上的共振疲劳试验，并且基础激励需要使用电磁振动台等大型设备，需要花费较大的成本。鉴于以上问题，本文使用激振器直接对加筋板施加激振力，对于节约试验成本，更真实地模拟结构服役环境具有重要的工程应用价值。2.2 设计方案一2.21 系统组成 该系统由激振器、功率放大器、动态测试控制系统、动态应变仪、模态分析系统、频谱分析系统、电压表、应变片、加速度传感器、试验件以及夹具等组成。其连接关系如图2-1所示，试件采用一端夹持的悬臂约束形式，激振器通过顶杆与加筋板在适当位置用螺栓连接。试验用激振器经功率放大器采用动态测试系统控制输出频率，调节功率放大器可以调节激振器的应力水平。加速度传感器用于测试加筋板的频率响应曲线，通过该曲线可以观测加劲板的固有频率变化，并适时调整激振器的激励频率。危险点处的应力变化由应变片、动态电阻应变仪、电压表、模态分析系统以及频谱分析系统组成的数据采集系统采集：应变片通过监测薄板的变形，将采集到的信号传递给动态电阻应变仪，动态电阻应变仪将信号放大并输出电压信号，根据电压表输出的电压峰值可以换算成应力载荷值。根据频谱分析系统与模态分析系统所测试的数据可以做各种相应的试验结果分析。图2-1 直接激励振动疲劳试验系统简图1加劲板 2激振器 3应变片 4加速度传感器 5夹具 在对试件进行正式试验前，需对试验设备及加载系统进行调试，并对动态应变仪测量系统进行标定与测量。通过预试验确定试验频率，应变片粘贴位置以及振动台激振载荷。完成所有的准备和预试验后，在开始正式振动疲劳试验前，还需要进行正弦振动扫频，确定试件的固有频率，以便与有限元计算结果进行对比。振动疲劳试验主要目的是确定振动频率对疲劳寿命的影响，包括测试共振定应力下结构发生疲劳的振动次数和非共振定应力下结构发生疲劳的振动次数，因此激振器的加载方式为正弦激励。振动疲劳试验跟踪的是结构的第一阶固有频率，即保持激振器的激励频率始终与结构的第一阶固有频率相等。当试件的第一阶固有频率下降5%以后，认为试件破坏，停止试验，记录应力水平和循环载荷次数。然后降低应力水平进行另一个试验测试。如果试验件在试验振动次数达到107 次时还没有裂纹产生，则认为该应力水平为疲劳极限。2.22 试验系统控制理论 共振疲劳试验是一项重要的试验技术，它必须满足激励的频率与结构的固有频率相近的条件。但是我们知道，结构处于共振环境条件下，由于疲劳效应，结构产生微观裂纹，并且由于裂纹的不断扩展，致使试验结构的刚度下降，结构固有频率也会随着裂纹的产生、扩展不断下降，激励频率脱离结构的固有频率，从而使结构远离共振环境。同时，为了研究结构受到相同应力水平作用下处于不同工作状态的相同试件疲劳寿命的区别，需要保证结构的应力最大位置的应力处于定应力状态，这使共振疲劳试验的控制难度大大增加。为了解决上述问题，提高共振疲劳试验的可靠性，有必要采用闭环控制技术实现上述功能。下面简要分析共振疲劳试验过程中，试验结构固有频率、激励力频率、结构裂纹长度、结构刚度以及预制裂纹处的应力变化等之间的相互作用，以及如何进行调整。 图2-2 直接激励试验系统控制框图 结构实现共振的必要条件是始终保证激励力的频率与其固有频率接近或者一致，即实验件f=激励f 。试验开始后，结构在共振环境下，迅速发生疲劳损伤，疲劳裂纹扩展，结构刚度降低，致使结构固有频率下降，与激励力的输出频率发生偏离，结构开始远离共振区；同时，结构共振过程中，预制裂纹处的疲劳应力发生波动，偏离预定的应力范围。为了保证结构处于共振环境，且预制裂纹处的应力为定应力状态，则需要调整激励力的固有频率与激振器的振动幅度。如此反复进行，直到结构发生预期的破坏状态为止。基于以上控制思想，采用LABVIEW 编制了相关程序，操作界面如图2.5 所示。固有频率通过调节相位确定（结构共振时，应变的相位与激励的相位相差90，相位误差不超过5%，激励的频率与结构固有频率的误差不超过0.01HZ；定应力（振幅）控制通过调整激励的触发电压的大小实现，从而可以调节应变的大小，误差大小不超过实际应变的5%。图2-3 LABVIEW 主程序框图图2-4 程序操作界面图2-5 测量数据显示界面2.23 试验件及夹持方案 试件用螺栓连接安装在夹具上，形成一端固支的悬臂梁。试验夹具为配合试验件定位专门设计制作。试件夹持端的长度为72mm，激振点位置位于蒙皮的横向中心线上、与夹持端相距约39mm。对加筋板进行共振疲劳预试验的过程中，第一阶固有频率为55.5HZ，由于激振器的激振频率要与固有频率保持一致，施加的激振力最大只能达到10N 左右，但是通过应变片测量应力最大位置的应力水平仅为70MPa 左右，远远低于材料的疲劳极限，因此未能在预定时间内达到试件疲劳破坏的目的，试验失败。为了提高应力水平，在对试验件的远离夹持端通过铆接附两块质量为2.5Kg 的六面体质量块，结构图如下所示。通过有限元计算和试验测量，试验系统的第一阶固有频率为8.5HZ 左右，满足试验需要。图2-6 质量块CAD图图2-7 加筋板实验系统装夹2.3 设计方案二2.31 配重加载 在实验进行之前，为了保证实验设备的稳定运行，要进行多次的调试和预实验，在预实验过程中发现无论是加筋板还是连接板总会发生激振力不稳定的现象，经过分析得出，由于结构的固有频率太高，使得激振器必须以较高的频率进行激励，而在频率比较高的情况下，激振器加载会变的比较困难，出现力加不上去的现象，此时，为了能够正常加载，只有通过降结构的固有频率来实验，而最直接的改变结构固有频率的方法就是增加结构的质量，为此，对于两种结构件，我们分别采用以下两种质量块（如图）来对其进行降频。加筋板结构件使用两块方形质量块（共2.5Kg）通过四个螺栓固定于板上，而连接板通过两块带内螺纹孔圆形质量块及螺纹杆拧于已经打孔的连接板上。2.32 约束条件 实验过程中，需要对不同的试验件制定合理的约束条件，合理的约束条件是完成疲劳试验的有力保证，本次试验约束条件的制定需要主要考虑动力源的参数特性及预定破坏位置的选择。如果结构件的长度方向夹持距离太长会导致结构的固有频率上升，对于激振器而言当结构的频率高于约30HZ,将会导致动力无法加载或者加载不稳的现象。 对于连接板而言，多点铆接是其主要的特点，我们希望了解多点铆接的复杂结构件整体的损伤和应力分布。更加侧重于铆钉的结构其他位置的动响应及寿命的影响。所以，预设的坏点为铆钉外的光板位置。综合考虑结构频率及破坏预设位置，初步选定左右端夹持距离分别为其具体实验过程安装图如下： 图2-8 连接板的实验系统装夹2.33 加载点确定 激振器将动力源通过顶杆传出，顶杆与已经打孔的薄壁件通过螺栓连接，激励结构进行共振，激振器的行程参数决定顶杆只能在1cm 的范围内进行完整的动力传输。如果结构的振动大于1cm 将导致激振力无法正常加载。结构的第一阶振型是弯曲变形，说明顶杆如果离约束端距离太远无法保证顶杆形成导致无法正常加载。结合有限元仿真结果，预估危险点位置应力响应值及疲劳寿命的时间,两种类型的结构加载点分别位于距右面夹持端距离为7.2cm 及4cm。2.34 测点位置确定(1)加速度传感器 本次实验加速度传感器的主要作用是获得稳定的结构反馈信号，用来适时控制激励信号的频率，所以加速度的粘贴位置应该选择振动情况不是特别剧烈的位置，且要避开节点。由于实验过程中失踪跟踪结构的第一阶固有频率，不存在节点。所以加速度传感器粘贴位置选择靠近振动较弱的夹持端，通过仪器调试观测确定能够获得稳定信号的最终位置即可。(2)应变片位置 应变片的主要目的是能够监测结构破坏位置的应力状态，在有限元仿真中，发现结构最先发生破坏的可能位置，在相应的地方粘贴应变片。为了防止危险位置的应变片在振动工程中发生失效，同时在结构的远端的固定位置粘贴应变片，因为远场应变较小，且容易控制。标记危险位置的应力初始状态与其他各位置应力状态的比列关系。在实验过程中，若在实验中发生应变片失效则改为对远场应变的控制来实现危险位置应力响应的控制。2.4 方案比较 本章讨论了常用的三种疲劳分析方法的适用范围，然后研究了怎样对应力疲劳分析方法的所需要的参数进行设置；此外，还研究了怎样通过频率响应分析获得结构的应力响应分布，继而估算出结构的疲劳寿命；最后，对铝合金加筋板结构振动疲劳试验的两种工况进行了仿真，通过疲劳试验证明，计算结果可信度较高。采用该种方法进行寿命仿真时，需要注意如下几点： (l) 名义应力法是常用的一种构件寿命设计方法，计算方法比较简便，适应于应力水平较低，载荷历程比较稳定的承载情况，并能得到较好的结果，缺点是无法考虑应力水平较高，构件危险部位进入屈服的应力-应变变化造成的影响； (2) 疲劳载荷信息对疲劳有限元分析结果正确与否至关重要。MSC.Fatigue 中疲劳载荷可以有很多种定义方式：时间历程、功率谱密度函数、某种形式的计数结果，如雨流矩阵等。采用何种形式定义将取决于疲劳分析方法的需要。在静态以及频率响应有限元分析前处理中，疲劳载荷是从外部施加到有限元模型上的，而在随机振动疲劳以及瞬态分析的有限元计算结果中，己经内置了载荷信息，不需要建立载荷时间历程。 (3) 进行疲劳性能分析的时，参数的选择对计算结果影响很大，其中对计算起主要作用的参数包括平均应力修正方法，应力寿命曲线的成活率值，表面加工工艺以及材料参数，因此，在设置此类参数时，应根据结构的几何特征、材料性能、载荷以及响应的特征选择合适的分析参数。 通过本章的研究可得到以下结论： (1) 采用该种方法得到的寿命与实验得到的寿命最大误差不超过3 个因子，符合一般工程结构的寿命估算精度要求。与采用瞬态方法计算结构的时间响应历程和根据动态疲劳分析方法计算结构的疲劳寿命相比，本文所采用的计算方法简单、高效，并且计算精度也能得到保证。 (2) 本文中仿真技术是假定结构在载荷作用过程中结构的刚度、阻尼、模态等均没有发生变化，结构仅在达到其疲劳寿命时发生瞬间破坏。实际上结构在受到载荷作用下的动态性能是会发生缓慢变化的，采用本文的方法并不能将这种变化反映出来。这也正是本文计算方法得到的疲劳寿命均比实验值要高的主要原因。2.5 本章小结 (1)将基于有限元仿真的疲劳寿命计算结果与真实结构试验寿命结果进行比较，从失效部位对比中可见，仿真计算的失效部位、裂纹扩展方向在物理模型试验中获得较好的验证，从整体模型的应力水平来看，仿真应力水平与物理模型试验的应力水平误差也在允许的范围内，从寿命的大小看，无论结构处于非共振状态或共振状态下，仿真估算的寿命和实际模型疲劳试验结果的误差都不落在估算寿命的3 个因子的范围之内，即(1/3N3 N)。考虑到疲劳寿命结果的分散性以及寿命估算的工程经验，本次仿真计算是一个较为成功的预估计算。 (2)在本次试验的夹持条件下，相同应力水平铆接加筋板的疲劳寿命最高，滚焊件次之，点焊加筋板抗疲劳性能最弱。这也是铆接结构应用最为广泛的主要原因。 (3)本文的研究也证明，对于某些工程结构，如果无法监测到内部的损伤或者裂纹，可采用固有频率的变化作为结构损伤的判定标准。 (4)利用计算机仿真技术和相关理论知识，可在产品的设计阶段对其使用寿命进行定量设计。改变了以前一些有寿命和可靠性要求的大型机械装备在设计时从“设计-定型-试验-改进”的设计方法，为缩短产品的研制周期和降低研制费用，提高产品的竞争力提供了重要的手段。3 振动台的设计3.1 引言振动试验的目的在于确定所设计、制造的机器、构件在运输和使用过程中承受外来振动或者自身产生的振动而不至破坏，并发挥其性能、达到预定寿命的可靠性。随着对产品，尤其是航空航天产品可靠性要求的提高，作为可靠性试验关键设备的振动试验系统的发展显得越来越重要。60年代，702所为满足航天产品振动试验的需要，开始了振动试验系统的研制，包括推力10N至100kN的振动台及各种振动测量仪表和传感器。目前，702所的振动试验设备不仅在航天领域而且在其他行业发挥着作用，成为该所的一项重要民品。用于振动试验的振动台系统从其激振方式上可分为三类：机械式振动台、电液式振动台和电动式振动台。从振动台的激振方向，即工作台面的运动轨迹来分，可分为单向(单自由度)和多向(多自由度)振动台系统。从振动台的功能来分，可分为单一的正弦振动试验台和可完成正弦、随机、正弦加随机等振动试验和冲击试验的振动台系统。以下笔者对各种振动台，主要对电动振动台，及其辅助设备的结构、性能和成本的现状及发展等进行简单的论述。   (1)机械式振动台  机械式振动台可分为不平衡重块式和凸轮式两类。不平衡重块式是以不平衡重块旋转时产生的离心力来激振振动台台面，激振力与不平衡力矩和转速的平方成正比。这种振动台可以产生正弦振动，其结构简单，成本低，但只能在约5Hz100Hz的频率范围工作，最大位移为 6mm峰-峰值，最大加速度约10g，不能进行随机振动。凸轮式振动台运动部分的位移取决于凸轮的偏心量和曲轴的臂长，激振力随运动部分的质量而变化。这种振动台在低频域内，激振力大时，可以实现很大的位移，如100mm。但这种振动台工作频率仅限于低频，上限频率为20Hz左右。最大加速度为3g左右，加速度波形失真很大。机械式振动台由于其性能的局限，今后用量会越来越小。(2)电液式振动台电液式振动台的工作方式是用小的电动振动台驱动可控制的伺服阀，通过油压使传动装置产生振动。这种振动台能产生很大的激振力和位移，如激振力可高达104kN，位移可达2. 5m，而且在很低的频率下可得到很大的激振力。大激振力的液压台比相同推力的电动式振动台价格便宜。电液台的局限性在于其高频性能较差，上限工作频率低，波形失真较大。虽然可以做随机振动，但随机振动激振力的rms额定值只能为正弦额定值的1/3以下。这种振动台因其大推力、大位移可以弥补电动振动台的不足，在未来的振动试验中仍将发挥作用，尤其是在船舶和汽车行业会有一定市场。(3)电动式振动台电动式振动台是目前使用最广泛的一种振动设备。它的频率范围宽，小型振动台频率范围为010kHz，大型振动台频率范围为02kHz；动态范围宽，易于实现自动或手动控制；加速度波形良好，适合产生随机波；可得到很大的加速度。电动式振动台是根据电磁感应原理设计的，当通电导体处在恒定磁场中将受到力的作用，当导体中通以交变电流时将产生振动。振动台的驱动线圈正式处在一个高磁感应强度的空隙中，当需要的振动信号从信号发生器或振动控制仪产生并经功率放大器放大后通到驱动线圈上，这时振动台就会产生需要的振动波形。电动振动台基本上由驱动线圈及运动部件、运动部件悬挂及导向装置、励磁及消磁单元、台体及支承装置五部分组成。驱动线圈和运动部件是振动台的核心部件，它的一阶共振频率决定着振动台的使用频率范围，由于运动部件结构复杂，一阶共振频率计算非常困难，要靠经验估算，这常常造成设计失误。702所在80年代末首次将有限元方法用于电动振动台运动部件共振频率的计算，不仅提高了计算结果的准确度，而且便于对结构进行优化设计，大大增加了振动台的设计可靠性。振动台驱动线圈电流的产生方式有直接式和感应式。直接式就是将放大器输出的电流直接加到驱动线圈上，这种方式是振动台的主流。感应式是将交变电流通入一固定线圈，然后通过感应方式在驱动线圈产生电流。感应式振动台的驱动线圈不需要引出电缆，结构简单，但这种振动台效率相对较低。美国的UD公司的一些振动台采用了这种结构。702所和其他公司的产品采用的是直接式，由于很好地解决了驱动线圈引出电缆问题，其产品更实用。振动台的磁场产生方式可分为永磁型和励磁型。永磁型的恒定磁场是由永久磁钢产生的，由于大体积的磁钢制作较困难，目前这种结构只适用于小型振动台。如702所生产的2202型振动台和B&K公司的4808型振动台都属于永磁型。而对于大型振动台则需要在励磁线圈中通以直流电流来产生恒定磁场，这就是励磁型振动台。 励磁型振动台又可分为单励磁和双励磁。单励磁只有一组励磁线圈，形成一个磁场回路，这种结构励磁效率低、耗电量大、漏磁很大，需要用消磁线圈来保证工作台面有一个低的磁场。双励磁由两套励磁绕组产生磁场，分别置于工作磁隙的上下两侧，在工作磁隙的磁场互相叠加，而在工作台面上的磁场互相抵消，所以工作台面上的磁场就很小。同时由于双励磁磁路缩短，磁阻减小，励磁效率比单励磁有显著提高。702所的2104系列振动台、美国LING和英国LDS的一些大型振动台都属于双磁场励磁。同样是双励磁结构，702所的振动台上下两组磁场是非对称的，而其他的振动台却是对称的。振动台的冷却方式有自然冷却、强制风冷、水冷和油冷等几种方式。自然冷却只适用于功率很小的小型激振器。油冷方式由于结构复杂，在新研制的振动台已不多见，现在还在使用的油冷振动台要注意保持油的质量和数量。强制风冷是用于中小型振动台的常用冷却方式，它是利用高压风机将台体内的热空气不断抽出实现冷却的。这种方式冷却时，驱动线圈和励磁线圈的结构比较简单，设备安装方便，成本低，不会出现水冷台常见的漏水、水路堵塞等故障。但高压风机工作时噪音非常大，对操作人员影响很大。风冷的冷却效率相对较低，不适合大型振动台的冷却。水冷是大中型振动台常用的冷却方式，通常水冷台的绕组都是用空心漆包导线绕制的，而把冷却水直接通入空心漆包导线内进行冷却，冷却效率高，而且没有太大的噪音。但振动台结构较复杂，对冷却水的水质要求较高，常用蒸馏水或去离子水。在水冷台中，美、英几家公司的设备存在着严重的缺陷，即驱动线圈引出电缆和水管的结构不合理及励磁线圈水路的不合理，这种结构常出现漏水，而且对水质要求极高，要经常换水。702所的振动台采用的水路并联、电路串联、水电接头都采用螺纹连接的新结构绕组很好的解决了这些问题，它对水质要求不太高，水压低，很少出现漏水现象。功率放大器是电动振动台系统的重要组成部分，它本身的性能和与振动台的匹配状况直接关系着系统的性能。功率放大器发展到现在已经历了三代，从电子管放大器到晶体管线性放大器再到数字式开关放大器。电子管放大器在新生产的设备中已基本不用，开关式放大器是近几年国外开发出来的，它利用了晶体管的开关特性，管耗很小，效率可高达90%，而普通的线性放大器的效率只有50%左右。正是由于开关放大器本身发热少，它的冷却就非常简单，输出功率几十千伏安的放大器仅用很小的轴流风机就可以冷却下来，使设备的结构简单可靠。而同样的线性放大器必须要用水来冷却，结构复杂。开关式放大器在低功率输出时失真度相对较大，而且机壳需要较好的电磁屏蔽，否则会对周围设备造成电磁干扰。 电动振动台的技术指标有：额定正弦推力、随机推力有效值、工作频率范围、最大加速度、最大速度、最大位移、运动部件有效质量、工作台面允许直接承载质量、工作台面允许偏载力矩、杂散磁场、加速度波形失真度、工作台面加速度均匀度及横向振动比等。振动台的推力是指其运动部分的质量与在该质量下能达到的加速度的乘积，而不是指试件的重量。额定正弦推力是运动部件有效质量与最大加速度峰值的乘积，随机推力有效值是振动台按标准(如ISO5344)规定的功率谱密度曲线实验时，运动部分有效质量与可达到的最大加速度有效值的乘积电动振动台仍将是未来振动试验的主要设备，其制造技术会在两个方面有所发展。一是新材料的应用，随着大型磁性材料成本的降低，大型的永磁振动台将成为可能，这种振动台结构简单，节约能源，且有高可靠性。功率放大器会采用更多的数字化和模块化的电路，体积越来越小，效率越来越高。二是新方法的应用，随着有限元方法的推广，复杂结构的动力特性可以准确、快速的计算出来。因为振动台跟汽车等产品相比用户是很少的，只能进行小批量生产，这就便于对不同的用户、不同的试件进行专门设计，实现运动部件与夹具的一体化设计，使每一个实验系统都达到最佳性能。(4)水平滑台水平滑台是振动台进行水平试验的辅助设备，在水平滑台上便于安装大型试验件。水平滑台可分为静压轴承支承式、滚珠轴承支承式和油膜支承式，大型滑台则采用了油膜和静压轴承共同支承的方式。静压轴承支承的滑台可在极低的频率到很高的频率之间工作，加速度波形失真度小，抗倾覆力矩及抗扭转力矩高，横向振动小。但这种滑台成本很高，价格昂贵。滚珠轴承滑台可用于中频到高频，在低频工作时，加速度波形上要叠加轴承噪声。油膜滑台结构简单，成本低，在低频域内波形良好，容易实现大行程。但它抗倾覆和扭转力矩低，横向振动较大。 (5)振动试验夹具夹具是为把试验件牢固地固定在振动台工作台面上，并把振动台的振动传给试验件，它的质量直接关系着试验的质量。但目前对试验夹具的重要性普遍重视不够，尤其是在国内，一些试验人员仅凭感