基本介紹
- 中文名：振動疲勞
- 外文名：Vibration Fatigue
- 領域：物理
- 套用：機械結構、航空航天等
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基本概念
振動定義：機械或結構系統在其平衡位置附近的往復運動，是物質運動的普遍形式之一。
疲勞特點：無明顯的塑性變形，常出現突然斷裂。
迄今，學術界和工程界對振動疲勞的理解還沒有形成共識，振動疲勞涉及結構的動態特性，所以對其準確定義十分困難。雖然許多學者對振動疲勞定義進行過描述，但都未能揭示振動疲勞的動力學本質。
振動疲勞分類
按激勵類型不同，振動疲勞可分為拉壓振動疲勞，扭轉振動疲勞和彎曲振動疲勞。若激勵頻率與結構共振頻率重合或接近使結構產生共振而導致疲勞稱為共振疲勞；反之，稱為非共振疲勞。按照激勵頻率與結構基頻的比值大小，振動疲勞分為高頻振動疲勞和低頻振動疲勞。
研究學者
1981年Valani利用內時理論推導了結構疲勞壽命與載入頻率之間的關係，1993年毛罕平和陳翠英推導了全面反映載入頻率影響的裂紋擴展速率公式。隨後Dimarogona和他的研究生系統研究了共振條件下結構疲勞裂紋擴展機制，Dentsora和Kouvaritaki系統分析了激勵頻率對共振條件下聚合物材料疲勞裂紋擴展壽命的影響，Colakoglu推導了疲勞裂紋萌生壽命與結構阻尼變化的關係。為分析結構振動疲勞壽命的影響因素，Valanis利用內時理論推導了結構振動疲勞壽命與激勵頻率之間的關係，Whaley等利用不可逆熱力學原理研究了振動疲勞過程中的阻尼變化。
在分析方法方面，Sanliturk等提出了一種基於頻響函式的振動疲勞壽命估算方法，他不僅考慮了結構彈性對疲勞壽命的影響，而且考慮了結構慣性和阻尼因子對疲勞壽命的影響；而Bishop從頻域內進行隨機疲勞壽命分析，利用功率譜密度函式表示疲勞載荷實現疲勞損傷計算。Hanna利用Bishop的方法分析了汽車環抱死剎車系統電子控制單元的振動疲勞壽命。
結構的振動和疲勞裂紋擴展的相互作用十分複雜，Shih教授的課題組在這一方面展開了大量的分析研究。Shih、Wu和Chen對含裂紋板的振動與疲勞裂紋擴展相互作用問題進行了一系列的分析研究。結果表明，疲勞裂紋的擴展引起結構動力學特性的變化，直接影響裂紋尖端的應力場分布，對振動疲勞裂紋擴展速率具有很大影響。Shih和Chen根據斷裂力學的應力強度因子和裂紋轉軸之間適當的關係準則，建立了一套適合疲勞壽命及裂紋轉軸分析的模型。Shih和Wu使用廣義的Forman方程模擬疲勞裂紋擴展，研究了振動對含單邊裂紋矩形板疲勞裂紋擴展的影響。Wu和Shh研究了周期載荷激勵下含單邊裂紋板的振動不穩定及其非線性回響特性。
姚起杭等從20世紀末開始一直對結構振動疲勞展開科學研究，並取得了一系列科研成果。劉文光的研究基於結構裂紋局部柔度理論，提出了一種含裂紋梁的振動疲勞壽命分析方法，著重考慮結構回響特性隨疲勞裂紋擴展的變化並考慮裂紋呼吸效應，利用雙線性彈簧模型描述裂紋呼吸行為，通過Galerkin方法把含裂紋梁簡化為單自由度系統，基於剛度時變性建立含裂紋梁的參數振動方程，研究了裂紋呼吸行為對結構振動與疲勞裂紋擴展的影響。
工業套用
振動疲勞為材料耐久性評估提供了一種方法。早在“八五”期間我國已將振動疲勞問題列入“飛機動強度與動力環境研究”計畫；此外，美國的軍用規範《飛機強度與剛度》和我國的《軍用飛機強度和剛度規範》對結構振動疲勞都有明文規定。振動疲勞已經成為飛機結構設計中研製的關鍵問題。近年來，由於動力機械的迅猛發展，很多工程結構必須在振動嚴重的環境中工作，致使結構振動疲勞現象驟增。
