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基于ANSYS Workbench的齒輪軸隨機振動數(shù)值分析外文參考文獻譯文本

上傳人:淺*** 文檔編號:144608008 上傳時間:2022-08-27 格式:DOC 頁數(shù):12 大?。?76KB
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1、 xx輕工大學(xué) 畢業(yè)論文外文參考文獻譯文本 2015屆 譯文出處 Fatigue reliability analysis of fixed offshore structures:A first passage problem approach 畢業(yè)論文題目 基于ANSYS Workbench的齒輪軸隨機振動 數(shù)值分析 院(系) 機械工程學(xué)院

2、 專業(yè)名稱 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名 xx 學(xué)生學(xué)號 xxx 指導(dǎo)教師 xxxxxx 譯文要求: 1、 譯文內(nèi)容須與課題(或?qū)I(yè))有聯(lián)系; 2、 外文翻譯不少于4000漢字。 固定離岸結(jié)構(gòu)疲勞可靠性分析: 第一通道問題方法 摘要:本文介紹一種關(guān)于計算固定離岸結(jié)構(gòu)平臺的可靠性及其失效的方法。運用斷裂力學(xué)原理可以得出失效準(zhǔn)則。這個問題被稱作“第一通道問題”。這種方法是通過應(yīng)用一種典型的平面框架結(jié)構(gòu)闡述出來的。疲勞可靠性衰減曲線可以用來檢查正在工作的

3、海上平臺結(jié)構(gòu)。對某些參數(shù)的研究,我們可以確定一些重要參數(shù)對疲勞可靠性的影響。 關(guān)鍵詞:可靠性,疲勞,斷裂力學(xué),離岸結(jié)構(gòu) 前言 在一般情況下,海上生產(chǎn)和鉆井平臺等一些大而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng),他們的制造通常是焊接互連鋼管構(gòu)件接頭。這些結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要的失效形式是受振動的環(huán)境載荷和疲勞的特征部件破壞。在結(jié)構(gòu)使用壽命期間,他們其中任何點的的疲勞破壞取決于完整的應(yīng)力歷史。計算此應(yīng)力歷史以及對材料的影響是一項復(fù)雜的任務(wù)。大海不規(guī)則的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)大小的不同,接頭焊接處的應(yīng)力集中和其他動載荷等影響造成了疲勞壽命評估的復(fù)雜性。由于輸入?yún)?shù)所固有的隨機性,影響了這些結(jié)構(gòu)響應(yīng)的結(jié)果,因此可靠性分析假設(shè)對

4、正在工作的離岸結(jié)構(gòu)檢查設(shè)計和認證是非常有用的。 任何可靠性問題都可以表述為極限狀態(tài)失效下的概率大小。在失效的情況下,疲勞極限狀態(tài)可以被定義為:(1) ac ?aN ≤0表示可使用性狀態(tài);(2)KIC?K≤0表示極限狀態(tài)(Madsen et al., 1986; Kirkemo, 1988)。Madhavan Pillai 和 Meher Prasad(2000)制定一個程序過程,可以用來分析在可使用狀態(tài)下離岸結(jié)構(gòu)疲勞可靠性。這個工作斷裂力學(xué)原理可以用于制定失效準(zhǔn)則。一些相關(guān)文獻中,對適用于近海結(jié)構(gòu)可靠性分析計算也進行了討論。在一些相類似的研究中,Rajasankar等(2003)制定了

5、故障方程的失效發(fā)生所需的周期數(shù)。這些研究內(nèi)容已經(jīng)擴展到評估管狀接頭在離岸結(jié)構(gòu)的完整性。 在目前的研究中,固定的離岸結(jié)構(gòu)的疲勞可靠性計算采用極限狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)。該問題被稱為成“第一通道問題”??蛊谑Э梢员硎緸橐粋€時變的障礙,并且這種失效被認為發(fā)生在當(dāng)壓力反應(yīng)第一次跨越這一障礙的時刻。這種跨越的可能性是通過相關(guān)的隨機理論(Nigam,1983)計算出來的。 離岸結(jié)構(gòu)的響應(yīng)反應(yīng)是一個寬頻帶隨機的過程, 當(dāng)應(yīng)用合適的寬頻帶修正因子后,它可以被描述為一個靜止不動的窄頻高斯過程(Wirching and Light,1980)。在窄帶應(yīng)力過程中,應(yīng)力范圍遵循 Rayleigh分布

6、。長期疲勞應(yīng)力過程在一個離岸結(jié)構(gòu)中并不是一個穩(wěn)定的狀態(tài),但卻可以被分成幾個離散平穩(wěn)過程。由于風(fēng)暴在其整個使用壽命中的影響,波浪載荷可以描述為一些海洋狀況所固有的波浪譜。對每個海洋狀態(tài)所發(fā)生的概率可以從海面長期分布散射圖來解釋(Vughts and Kinra, 1976; Chakra-barti, 1987)?;诿糠N海洋狀況,我們可以計算出結(jié)構(gòu)響應(yīng)發(fā)生的概率,從而解釋海洋長期分布的生命結(jié)構(gòu)。最后,一個例子的問題被解決了,以證明程序過程的正確性??煽啃缘膸讉€重要參數(shù)的敏感性也是通過參數(shù)研究來得出來的。 離岸的外表結(jié)構(gòu),即結(jié)構(gòu)建模,水動力模型的可靠性分析和不確定性建模三個方面將在后

7、續(xù)章節(jié)中簡要介紹。 結(jié)構(gòu)建模 由于不同的海洋狀態(tài),可靠性分析會牽涉到重復(fù)的離岸結(jié)構(gòu)。因此Madhavan先生和梅赫爾普拉薩德先生(2000)在有限元分析中簡化了結(jié)構(gòu)模型。 水動力模型 海況模型 海洋狀況可以由定向波譜公式表示出來的: 式中D( ω,θ)是一個傳播函數(shù),表示波能在頻率ω和角位移θ上的連續(xù)分布,Sη (ω)表示不連續(xù)的波譜。目前的一些研究中, Pierson-Moskowitz (P-M)譜和余弦功率擴展函數(shù)(Sarpkaya and Isaacson,1981)常用來表示強風(fēng)所造成的海洋狀況。

8、 P-M光譜公式如下 式中Hs是有效波高,Tz是跨零周期 運用線性Airy波理論和仿真可以推導(dǎo)出表面位移和波方程的波譜方程(1)(Borgman,1969)。為了研究海表面水位的變化,運用Wheeler(1969)的延伸理論,靜水水位可以認為擴展到瞬時的海平面。 波浪力模型 對結(jié)構(gòu)類型的考慮,當(dāng)構(gòu)件尺寸的波長較小時,結(jié)構(gòu)的存在不會改變波場。因此,莫里森的方程對波浪力的計算已經(jīng)足夠了??紤]到流速,波力公式可以表示為: 式中Cm是慣性系數(shù),Cd是阻力系數(shù),ρ是液體的密度,Vp和Ap分別是結(jié)構(gòu)體積和面積。

9、和是質(zhì)點的速度和加速度,是流速。 不確定性模型 極限狀態(tài)方程制定采用了斷裂力學(xué)原理,它的疲勞裂紋增長的基本觀點比Palmgren-Miner rule (S-N curve)理論更加豐富和成熟。在制造和加工過程中,任何部件都會存在缺陷和裂縫。應(yīng)力裂紋在尖端區(qū)的大小都取決于應(yīng)力集中因子和裂紋的幾何形狀。它們的關(guān)系可以表示如下: 其中?K是應(yīng)力強度因子幅,S是名義應(yīng)力范圍,a是裂紋尺寸,Y是幾何函數(shù)。 應(yīng)力強度因子幅?K與每個負載循環(huán)的裂紋擴展速率有關(guān),可以用Paris-Ergodan方程表示:

10、 式中C和m是材料的常數(shù)。 在應(yīng)力強度因子為K時,當(dāng)裂紋的斷裂韌度超過了材料的臨界斷裂韌度KIC,失效就認為已經(jīng)發(fā)生了。 失效方程如下: 或者: 式中S= S(T),該應(yīng)力是時間t上的遠場應(yīng)力。 因此,隨時間變化的閥值可以表示成: 其中a(t)是在時間t時裂紋尺寸的大小。見圖1。 圖1 第一通道問題下的不同幅值載荷的疲

11、勞閥值 在一個周期T內(nèi),如果壓力過程S(t)超過方程式8)的時間時,失效就會發(fā)生。其中T表示為結(jié)構(gòu)的使用壽命。 結(jié)合方程(4)和(5)并且使用non-interaction模型,得到 其中Si表示應(yīng)力范圍在第i海況,a0是初始始裂紋尺寸的大小,aN是經(jīng)過第N個應(yīng)力循環(huán)后的裂紋尺寸大小。 考慮到壓力過程的長期性,公式(9)修正為: 其中f 0i是應(yīng)力過程中的零交叉頻率,由推導(dǎo)出;m0i,m2i是第i個海況初始和第二個時

12、刻的是應(yīng)力譜,qi是第i個海況下短時間考慮的因素,由γi /Ti推導(dǎo)出,γi是第i個海況下發(fā)生的概率,Ts是風(fēng)暴持續(xù)時間(看成是三小時), ac是經(jīng)過N次應(yīng)力循環(huán)的臨界斷裂尺寸,E[.]是期望值。 根據(jù)Rayleigh分布,可表示如下: 其中Γ(.)是 Gamma方程, σi是在第i個海況下應(yīng)力過過程的均方值,它可以用有 計算出來。 對(10)式積分,并將代入(11)式,并應(yīng)用 Wirsching寬帶修正系數(shù)λi和應(yīng)力集中系數(shù)SCF: 將(8)式的at代入到(11)式,可變閥值時刻則為:

13、 方程(13)可以由強度特性曲線表示出來。 計算可靠性的步驟如下: (1) 對于給定的使用壽命t=T,代入隨時間變化的閥值α=ξ(t),運用(13)式: (2) 用公式 ,其中 σx和σx是從應(yīng)力過程的光譜得出的, υ是穿越障礙率。 (3) 失效的概率P(Tf ≤t)由公式 計算得出,其中Tf是第一通道時間。 (4) 1-3步驟是針對特定海洋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的失效概率,全部的失效概率可由概率論公式表示出來: 其中n為海況的總個數(shù),P(Ei )是第i個海況發(fā)生的概率, P(F|E i )是第三步的失效概

14、率,P F表示為總失效概率。 (5) 可靠性指數(shù) β可由如下公式得出: 其中Φ?1 (.)是個常量的逆累積分布函數(shù)。 數(shù)列例子 (6) 由于平面框架塔(Karsan and Kumar, 1990; Madhavan Pillai and Meher Prasad,2000)的結(jié)構(gòu)簡單,它常被用來分析。圖2為它的原理結(jié)構(gòu)圖。表1為結(jié)構(gòu)可靠性分析所得出的樣品離散數(shù)據(jù)。 確定變量的基本值為:C d =0.70, C m =2.0,結(jié)構(gòu)阻尼比ζ =0.05,流速v c=0.0m/s,材料常數(shù)m=3.0。

15、 圖2 平面框架結(jié)構(gòu)原理圖(單位:mm) 表1 海洋離散結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)(Vughts and Kinra,1976) 圖3疲勞可靠性時間曲線 圖3顯示了疲勞可靠性隨時間衰減指數(shù),其中最關(guān)鍵是腳架結(jié)構(gòu)和對角線結(jié)構(gòu)。由此可以看出,疲勞可靠性指數(shù)隨著時間而降低。與對角線結(jié)構(gòu)相比,腳架結(jié)構(gòu)更加重要。這與Madhavan

16、 Pillai and Meher Prasad的報告結(jié)論相反,在他那篇報告中對角線結(jié)構(gòu)比腳架結(jié)構(gòu)更加重要。這是因為在極限狀態(tài)下腳架結(jié)構(gòu)更加重要,然而在使用期間極限狀態(tài)下對角線結(jié)構(gòu)更加重要。當(dāng)可靠性指數(shù)低于一個預(yù)定的目標(biāo)值時,疲勞可靠性衰減曲線在維修正在工作的離岸結(jié)構(gòu)具有非常重要的意義。 可靠性的敏感性指數(shù) 為了觀察某些確定變量對可靠性疲勞指數(shù)的影響,因此對某些參數(shù)進行了研究。這些變量是阻尼系數(shù)Cd,慣性系數(shù)Cm,斷裂韌性K IC和初始裂縫尺寸a0。每次改變這些變量中的一個,所得出的值為某個變量名義值。這些參數(shù)的研究結(jié)果如下: 慣性系數(shù)的影響 圖4給出了各慣性系數(shù)C m

17、下疲勞可靠性的變化指數(shù),疲勞可靠性指數(shù)Cm隨時間增加而降低。慣性系數(shù)Cm的增大引起波浪力中慣性力的增大,而這卻導(dǎo)致可靠性指數(shù)的降低。因為可靠性指數(shù)對慣性力非常敏感。確定一個合適的慣性系數(shù)Cm,可以得到一個非常精確的可靠性指數(shù)。 圖4 慣性系數(shù)對疲勞可靠性的影響 阻尼系數(shù)的影響 圖5描述的是在各自阻尼系數(shù)Cd下,疲勞可靠性指標(biāo)的變化??梢郧逦闯鲈诓煌珻d作用下,疲勞可靠性變化不大。但是,隨著Cd的增加,疲勞可靠性趨向于降低。 圖5 阻尼系數(shù)

18、對疲勞可靠性的影響 在Morison波浪力方程,可以明顯看出阻力是水粒子速度的平方的函數(shù)。與慣性力相比較,阻力周期不會使應(yīng)力循環(huán)發(fā)生顯著變化。這不會影響到疲勞性能。因此,在一個嚴格的可靠性分析中,阻力系數(shù)可被視為一個確定性變量。 斷裂韌性 圖6展示出在斷裂韌性中,可靠性指數(shù)的變化。當(dāng)斷裂韌性增加時,可靠性指數(shù)通常也會增加。斷裂韌性K IC是抗裂紋擴展指數(shù)??沽鸭y擴展能力越大,結(jié)構(gòu)失效概率也就越小。 圖 6 各KIC可靠性指數(shù)的變化 初始裂紋尺寸的大小 圖7 表示的是

19、可靠性指數(shù)與初始裂紋尺寸的關(guān)系。初始裂紋尺寸影響到焊接質(zhì)量。初始裂紋尺寸越大,其焊接質(zhì)量越差,可靠性衰減化速率也越快。這會影響到可靠性指數(shù)的下降。 圖 7 初始尺寸a 0對可靠性指數(shù)影響 結(jié) 論 對于固定離岸結(jié)構(gòu)的研究,一種簡單有效的計算可靠性指數(shù)與時間關(guān)系的方法已經(jīng)研究出。這項研究的主要任務(wù)是研究疲勞可靠性的計算問題,因為這是第一通道問題。通過功能失效可以制定出極限強度標(biāo)準(zhǔn)。斷裂力學(xué)原理可以用來運用到某些必要的方程中。平面框架結(jié)構(gòu)的數(shù)字的研究和疲勞可靠性衰減曲線已經(jīng)描繪出來。這種疲勞可靠性衰減曲線可

20、以用來校核結(jié)構(gòu)的使用壽命,特別當(dāng)可靠性指數(shù)低于目標(biāo)值時。對一些參數(shù)的研究,已經(jīng)確定出各種參數(shù)對疲勞可靠性指數(shù)的影響。 從這項研究中,我們可以得出幾條重要的結(jié)論: (1)在極限狀態(tài)下,腳架結(jié)構(gòu)對可靠性的影響比對角線結(jié)構(gòu)更加重要。這個結(jié)論與Madhavan Pillai and Meher Prasad (2000)的結(jié)論正好是相反的,在他們的研究內(nèi)容中,在使用極限狀態(tài)下,對角線結(jié)構(gòu)比腳架結(jié)構(gòu)更加重要。 (2)慣性系數(shù)Cm對可靠性指數(shù)的影響非常敏感,因此需要找出一個非常適合的慣性系數(shù)。 (3)阻力系數(shù)Cd對可靠性指數(shù)影響不是很大,因此可以被認為是確定的變量。 (4)焊接質(zhì)量(a0)和斷裂韌性KIC對可靠性指數(shù)影響非常大。

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