振动疲劳

物质运动的普遍形式之一

损伤结构在外部激励作用下，振动和疲劳裂纹的扩展同时进行，两者之间相互作用不仅影响工程结构的正常工作，还将严重地影响结构的安全可靠性。疲劳裂纹扩展引起的振动非线性对振动疲劳寿命具有重要影响，而且研究疲劳裂纹扩展与非线性响应之间的关系有助于发展结构疲劳裂纹扩展健康监测技术。

基本概念

振动定义：机械或结构系统在其平衡位置附近的往复运动，是物质运动的普遍形式之一。

疲劳特点：无明显的塑性变形，常出现突然断裂。

迄今，学术界和工程界对振动疲劳的理解还没有形成共识，振动疲劳涉及结构的动态特性，所以对其准确定义十分困难。虽然许多学者对振动疲劳定义进行过描述，但都未能揭示振动疲劳的动力学本质。

振动疲劳分类

按激励类型不同，振动疲劳可分为拉压振动疲劳，扭转振动疲劳和弯曲振动疲劳。若激励频率与结构共振频率重合或接近使结构产生共振而导致疲劳称为共振疲劳；反之，称为非共振疲劳。按照激励频率与结构基频的比值大小，振动疲劳分为高频振动疲劳和低频振动疲劳。

研究学者

1981年Valani利用内时理论推导了结构疲劳寿命与加载频率之间的关系，1993年毛罕平和陈翠英推导了全面反映加载频率影响的裂纹扩展速率公式。随后Dimarogona和他的研究生系统研究了共振条件下结构疲劳裂纹扩展机制，Dentsora和Kouvaritaki系统分析了激励频率对共振条件下聚合物材料疲劳裂纹扩展寿命的影响，Colakoglu推导了疲劳裂纹萌生寿命与结构阻尼变化的关系。为分析结构振动疲劳寿命的影响因素，Valanis利用内时理论推导了结构振动疲劳寿命与激励频率之间的关系，Whaley等利用不可逆热力学原理研究了振动疲劳过程中的阻尼变化。

在分析方法方面，Sanliturk等提出了一种基于频响函数的振动疲劳寿命估算方法，他不仅考虑了结构弹性对疲劳寿命的影响，而且考虑了结构惯性和阻尼因子对疲劳寿命的影响；而Bishop从频域内进行随机疲劳寿命分析，利用功率谱密度函数表示疲劳载荷实现疲劳损伤计算。Hanna利用Bishop的方法分析了汽车环抱死刹车系统电子控制单元的振动疲劳寿命。

结构的振动和疲劳裂纹扩展的相互作用十分复杂，Shih教授的课题组在这一方面展开了大量的分析研究。Shih、Wu和Chen对含裂纹板的振动与疲劳裂纹扩展相互作用问题进行了一系列的分析研究。结果表明，疲劳裂纹的扩展引起结构动力学特性的变化，直接影响裂纹尖端的应力场分布，对振动疲劳裂纹扩展速率具有很大影响。Shih和Chen根据断裂力学的应力强度因子和裂纹转轴之间适当的关系准则，建立了一套适合疲劳寿命及裂纹转轴分析的模型。Shih和Wu使用广义的Forman方程模拟疲劳裂纹扩展，研究了振动对含单边裂纹矩形板疲劳裂纹扩展的影响。Wu和Shh研究了周期载荷激励下含单边裂纹板的振动不稳定及其非线性响应特性。

姚起杭等从20世纪末开始一直对结构振动疲劳展开科学研究，并取得了一系列科研成果。刘文光的研究基于结构裂纹局部柔度理论，提出了一种含裂纹梁的振动疲劳寿命分析方法，着重考虑结构响应特性随疲劳裂纹扩展的变化并考虑裂纹呼吸效应，利用双线性弹簧模型描述裂纹呼吸行为，通过Galerkin方法把含裂纹梁简化为单自由度系统，基于刚度时变性建立含裂纹梁的参数振动方程，研究了裂纹呼吸行为对结构振动与疲劳裂纹扩展的影响。

工业应用

振动疲劳为材料耐久性评估提供了一种方法。早在“八五”期间我国已将振动疲劳问题列入“飞机动强度与动力环境研究”计划；此外，美国的军用规范《飞机强度与刚度》和我国的《军用飞机强度和刚度规范》对结构振动疲劳都有明文规定。振动疲劳已经成为飞机结构设计中研制的关键问题。近年来，由于动力机械的迅猛发展，很多工程结构必须在振动严重的环境中工作，致使结构振动疲劳现象骤增。

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