[发明专利]基于改进雨流计数法的薄壁结构热声疲劳寿命预估方法

说明书

技术领域

本发明属于航空宇航工程技术领域，具体涉及一种基于改进雨流计数法的薄壁结构热声疲劳寿命预估方法。

背景技术

航空航天薄壁结构，如高超音速飞行器蒙皮、热防护系统、冲压发动机尾喷管、航空发动机火焰筒、隔热防振屏等高比强度、高比刚度、耐高温材料结构，在工作条件下将承受复杂的载荷条件。由于气动加热、高温燃烧等工作机制引起结构表面承受高幅值的热载荷条件，表现为高热流密度、非均匀温度场，给结构带来复杂的热效应。另一方面，由于结构表面湍流边界层作用机制，以及非稳定流动、非稳态燃烧等作用，引起结构周边气动声学效应，使结构表面作用着复杂的声场，给结构带来强烈的动力学响应。薄壁结构在高温强噪声载荷作用下会产生复杂的大挠度非线性响应，导致结构内部出现快速交变应力，将造成结构疲劳断裂失效，严重影响结构的疲劳寿命，这类问题在工程上称为热声疲劳问题。因此，航空航天薄壁结构的热声疲劳失效分析与寿命估算已经成为结构强度设计的关键，研究建立一种有效的随机疲劳寿命的预估方法具有重要工程应用价值。

薄壁结构在热声载荷作用下的疲劳寿命预估问题十分复杂，建立基于不同失效模式的有效的随机疲劳寿命预估方法十分困难。由于航空航天工程需求牵引，国内外研究机构已开展了若干工作，研究建立了几种预估方法，主要包括基于应力功率谱密度的预估方法、基于应力概率密度的预估方法以及基于局部应力应变场强的预估方法。研究表明，应力功率谱密度法是研究较早的方法之一，对以基频响应为主的结构动力学问题具有一定的适用性；应力概率密度法是基于结构动力学应力响应的幅值域统计为主要参数，结合随机疲劳理论和工程经验建立的预估方法，在工程上对于简单结构具有一定的适用性；局部应力应变场强法是基于结构在热声载荷作用下内部危险位置处的应力应变场强参数，结合随机疲劳理论建立的预估方法，在工程上主要适用于结构上存在开孔、加筋等几何尺寸突变的位置有一定的适用性。总体来看，对于复杂的薄壁结构部件，还没有行之有效的工程估算方法。考虑到工程实际中薄壁结构在热声载荷作用下动态应力响应表现为随机时间历程，实质上是应力/应变响应参数随机过程，在失效分析和疲劳寿命估算中应充分考虑到加载的时序影响，因此，雨流计数法具有一定优越性。本项发明在传统雨流计数方法基础上，充分将载荷加载及动力学应力应变响应的时序考虑在内，结合随机疲劳理论，建立了改进的雨流计数法，适用于工程中复杂薄壁结构热声疲劳寿命预估问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于改进雨流计数法的薄壁结构热声疲劳寿命预估方法。

本发明技术方案如下：

一种基于改进雨流计数法的薄壁结构热声疲劳寿命预估方法，包括以下步骤：

步骤1：获取航空航天薄壁结构在热声载荷作用下T_r响应时长内的应力响应时间历程，剔除应力响应时间历程中的无用点，得到薄壁结构应力响应时间历程的极值序列；

步骤2：采用雨流循环计数法建立薄壁结构应力响应时间历程的极大值与极小值的配对，得到薄壁结构应力响应时间历程的所有雨流循环计数对；

步骤2.1：确定薄壁结构应力响应时间历程的极大值序列X(t)中的各极大值M_k，以及极小值序列x(t)中的各极小值m_k，其中，k＝1...n，n极大值个数或极小值个数；

步骤2.2：确定极大值M_k的左侧搜索边界和右侧搜索边界

极大值M_k左侧存在极大值满足时，则极大值对应的时间为左侧搜索边界，否则，时间历程的起点为左侧搜索边界；

极大值M_k右侧存在极大值满足时，则极大值对应的时间为右侧搜索边界，否则，时间历程的终点T_r为右侧搜索边界；

步骤2.3：确定极大值M_k左侧搜索边界和右侧搜索边界区间的左侧极小值和右侧极小值

所述极大值M_k的左侧极小值和右侧极小值的确定公式如下所示：

其中，inf为小确界；

步骤2.4：根据极大值M_k的左侧极小值和右侧极小值确定其对应的雨流循环的极小值得到雨流循环计数对

所述极大值M_k的雨流循环的极小值的确定公式如下所示：