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振动破坏机理

嘉峪检测网        2019-12-13 18:21

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振动破坏模型分析

目前对于振动导致物体或产品破坏的机理的认识还不够清楚, 人们只是提出了一些振动破坏模型的假设,用以指导工程应用。

一个系统(可以是结构、设备或者构件)或其部件,如果由于振动作用而丧失了原来应当具有的作用或功能,或使作用与功能变化到允差范围之外,就称为产生了振动破坏。根据实践中的振动破坏现象,一般分为下列几种类型:

结构完整性破坏一包括结构件的强度(静力、疲劳、 断裂)破坏及磨损;

结构产品功能破坏—包括性能降低、失灵等;

产品工艺故障一包括连接件松动、 分离,部件撞击及短路、磁化等;

寿命蜕化问题(或称广义的磨损问题),如某些设备、电气在振动环境中工作寿命的缩短。

关于上述各种类型振动破坏的特征,克让德尔(Crandall)按照振动终止以后破坏是否能恢复正常,将振动破坏分成可逆的与不可逆的两类,并且又根据在一定振动量值激励下,破坏是立即发生还是经历一定振动次数(一定时间)后才发生,进一步将以上两类破坏又分为即发的与积累的两种。基于这些破坏特征,一些文献中已提出过相应的破坏模型,包括疲劳破坏、一次通过破环、峰值破坏、瞬时值破坏等,下面分别加以讨论。

 

 2 

振动疲劳破坏

把具有不可逆且累积特征的振动强度破坏,简单地假设为和通常所谓的“静态”应力疲劳破坏相似,并称之为振动疲劳破坏。这是因为两者同样都是由于经受循环应力导致损伤累积而破坏的。事实上, 工程界甚至把由振动引起的磨损问题及广义的寿命蜕变问题也并入这一类进行处理, 因而对后面两者虽也在进行研究,但可资应用的结果还很少。

 

振动疲劳与所谓的静态应力疲劳在载荷特点、频率与频率的影响方面是不同的,特别是联系到振动响应及由之引起的其他振动破坏类型,说明这两者并不相同,但只考虑强度破坏时,仍然可以按照一般的疲劳理论进行研究。

 

工程上所谓的疲劳破坏,一般是指产生了某一工程可检长度的裂纹,即包括生成裂纹阶段与扩展至该可检长度之前的裂纹扩展阶段。虽然疲劳的实际物理过程与材料性质、应力大小及其循环次数、温度、结构特点、环境条件等因素密切相关,但作为最简单的工程计算,直接需要了解的只是某种损伤累积理论、破坏准则以及有关的载荷寿命关系式(S-N曲线)。

 

敏纳(Miner)线性累积损伤假设

敏纳(Miner)线性累积损伤假设是振动疲劳分析中最常用的累积损伤理论。设试验件经受m个常幅交变应力的作用,幅值分别记为S1,S2,S3,,Sm;各应力的实际循环次数分别为n1,n2,n3,,nm; 则总累积损伤D为(式1):

振动破坏机理

式中,ni(i=1,2,......,m)为试验件在常幅循环应力Si作用下达破坏时的循环次数。

 

敏纳假设D=1时试验件发生疲劳破坏,所以令D=1,式(1)就是敏纳的病劳破坏准则。实际上这是把应力Si每一循环造成的损伤一律取为I/Ni, 而忽略了各次应力循环作用之前已有损伤历史的影响,也没有考虑多个应力作用的相互次序及其他各种因素的影响,以致式(1)乃是个高度简化的线性平均和式。

 

不难将式(1)写成连续形式,假定有连续变幅应力S=S (x),设在应力幅区间(S1,Sm)的某一微元[ S-dS/2,S+dS/2]内,平均应力幅为S,平均作用次数为n (S), 达破坏时的平均破坏循环次数为N (S), 则对所有这类微元写出损伤和式并令dS趋于零,即可得到(式2):

振动破坏机理

尽管敏纳假设非常粗糙,但鉴于疲劳寿命的巨大分散性,还没有任何一种累积损伤理论能够做出普遍适合的寿命预计,所以它仍能得到广泛应用。

S—N 曲线

应力疲劳问题中的载荷寿命关系式即是相应的S—N 曲线表达式。大部分疲劳试验数据表明,这类曲线的有用部分(自104次到107次之间)大多可以用双对数坐标图中的直线表示,即可表示为(式3):

振动破坏机理

式中:

S—应力幅值;
N—在应力 S作用下达破坏时的循环次数;

b—斜率参数 (斜率为-1/b);
C—由试验决定的常数(截距参数)。

 

分析振动疲劳问题往往是求出振动应力然后套用相应的S—N曲线,但实际上对于特定的试验件也完全可以通过试验得出以振动激励或响应量表示的振动载荷寿命关系式,按基础加速度激励写成(式4):

振动破坏机理

式中:

 x,,—基础振动激励x (t)的加速度幅值;

N—在 x,,作用下达破坏的循环次数;

K—斜率参数;
C—相应的试验常数。

有的文献中直接假定K=b,但是由于频率的影响和实际系统带有的非线性(如阻尼非线性),  K并不等于b。

 

 3 

一次通过破坏

所有即发的振动破坏,不论可逆与否都可以归属于概率论中的一次通过问题。所谓即发破坏是指当振动量值(可以用任一激励量或响应量来表示)首次达到某一阙值(门槛值)  后,破坏立即发生。如果以y (t) 表示振动量值,则对于正弦振动,相当于振幅达到一定值后立即破坏(如立即产生碰撞),对于随机振动可以分析如下。

随机振动分析

假定y (t) 是一个平稳随机过程,y=a是试验件的破坏阈值,则在单位时间内y以正斜率穿越量值a的期望次数(故障率) Va+可以写为(式5):

振动破坏机理

式中:

 y,=dy/dt —y的时间速率;
P(a, y,)—  y =a时,y和 y,的联合概率密度函数。

特别当y (t) 是平均值为零的正态过程时则有(式6):

振动破坏机理

式中,σy和σy,—y和y,的均方根值;

exp[ ]一以e为底,以[ ]内量为幂次的指数式。

便有(式7):

振动破坏机理

再假定y(t)是窄带过程,例如,是小阻尼单自由度系统在随机激励下的响应过程,则这种窄带随机过程的平均频率0,即是单位时间内y(t)以正斜率穿越y=0值得期望次数V0+,它是(式8):

振动破坏机理

式(7)变为(式9):

振动破坏机理

进一步假定a值足够大,以致y (t)每一次以正斜率穿越a,都可以看成是一次独立的偶发事件;则由这些穿越a的时刻tk构成的集合{tk},便可假定为服从泊松( Poisson)分布的随机样本集合。在此假设下可以证明,在0≤t≤T时间内发生y (t)首次穿越a的概率将决定于T,且其概率密度函数为(式10):

振动破坏机理

据此即可计算发生y首次正穿越a的平均时间E (T)为(式11):

振动破坏机理

E(T)即是试验件的期望寿命。

 

 4 

振动峰值破坏

对于具有可逆与累积性质的破坏,一般可按峰值准则进行分析。假定在振动激励下试验件存在一个破坏阈值(或称为振动致损度),仅当振动峰值超过该阈值后,试验件才有可能经受振动损伤,同时也只有超过阈值的振动峰值数目达到一定次数时才会出现故障或破坏。这里和疲劳问题不同之处有二:第一它是可逆的;第二它是在连续振动下才有累积性。显然这里描述的是一种可逆而且累积的性能故障问题,许多通信装置、记录及显示设备、信号传输系统或其他断续动作系统均可能出现这种性质的故障。此外,现在也把一些不可逆且累积的工艺问题如紧固件松动、连接件分离等问题(也要求振动峰值超过一定量值, 以克服相应的紧固力或摩擦力而造成破坏),也按峰值破坏处理。

 

对于正弦振动,是否产生峰值破坏,决定于峰值是否超过阈值和连续振动时间是否足够长两个条件。

随机振动分析

对于随机振动,不妨假定为小阻尼单自由系统受到均值为零的正态随机激励,其响应y(t)为窄带正态过程,响应峰值服从瑞利(Rayleigh)分布,即响应峰值yp的概率密度函数P(yp)为(式12):

振动破坏机理

式中:
yp一响应峰值,下标P表示峰值;
σp一响应瞬时值的均方根值。

假定破坏阈值为a,那么yp超过a的次数与全部峰值次数之比即为下列概率值(式13):

振动破坏机理

假定振动持续时间为tR则总的响应峰数目(只考虑一个方向的峰, 如正峰)为(式14):

振动破坏机理

式(14)中0即为上面规定的窄带响应过程的平均频率,对于单自由度系统,它实际上等于该系统的无阻尼自然频率(固有频率)。于是在时间tR内响应峰yp超过阈值a的平均次数np。为(式15):

振动破坏机理

假定np超过某一次数Na时发生故障,则相应的峰值破环准则是(式16):

振动破坏机理

或(式17):

振动破坏机理

显然,如果把tR看成是一个时间变量,则当上式取等号时有(式18):

振动破坏机理

便是试验件的期望寿命值。

将式(18)与式(11)相比较就可以看出,所谓一次通过问题,实际上是峰值破坏当Na=1时的特殊情况,所以这两种破坏可以统一起来。 顺便指出,这里给出的分析比上面对于一次通过问题的分析要简单得多。

 

克让德尔也提出过一种破坏模型,即响应超过某一阈值后响应瞬时值比例过大的破坏模型,下面说明它与峰值破坏模型也是一致的 。

 

假定y(t)表示上述单自由度系统在均值为零的宽带随机激励下的响应瞬时值,仍取阈值为a,克让德尔假定响应偶然穿越阈值并不构成故障,只有当y (t) >a 的时间与总振动持续时间之比超过某一定值ε以后才发生故障。

 

令P (y)为瞬时值y (t)的概率密度函数,则因y (t) 服从正态分布,故(式19):

振动破坏机理

则y(t)超过阈值a的时间与全部瞬时值发生的总时间之比φ(a)即为(式20):


振动破坏机理

并且有破坏准则(式21):

振动破坏机理

比较式(20) 与式(15)便可发现,对于一定的系统和一定的激励,npa和φ (a) 都只与a有关,并且都是参变量a的单值函数,所以可以消去参数a而得到 npa和φ (a)的直接对应关系,这样,用一个量表示的破坏准则也可以转换为用另一个量(唯一的)加以表示。这就说明上面两种破坏模型实质上是一致的,只不过表示方法不同而已。

 

 5 

小结

上面已简单分析了目前已知的几种振动破坏模型并统一为两种, 即振动疲劳破坏模利和振动峰值破坏模型。尽管对这两种破坏,特别是峰值破坏的研究还很不充分,但工程实践中还是应用这两种模型作为制定振动标准和振动试验方法的指导,它们分别适用于作为振动耐久性试验和振动功能试验的理论基础。

 

还应当说明,这里研究的振动破坏,实质上是建立在共振(谐振)破坏这一概念的基础上(否则,一次通过破坏和峰值破坏便不能在瑞利分布的基础上统一起来),好在这也是一个已被工程界接受的概念。作为小结,将有关振动破坏的类型、特征以及相应的破坏模型归纳列于表1中。

表1 振动破坏的类型、特征及相应的破坏模型

类别/破坏模型/特征

可逆

不可逆

即发

累积

即发

累积

强度破坏

一次通过

疲劳

性能失灵

一次通过

峰值

工艺故障

一次通过

峰值

寿命蜕变

疲劳

 

 

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