專利名稱：一種基于有限元分析的管路隨機振動疲勞壽命分析方法
技術領域：
本發明涉及一種管路疲勞壽命分析方法，特別是涉及一種基于有限元分析的管路隨機振動疲勞壽命分析方法。
背景技術：
目前在我國液體火箭增壓輸送系統針對管路的動態疲勞壽命分析預測領域基本上空白，大多采用隨機振動試驗的方法對管路產品進行考核，沒有比較成熟的方法對管路動態疲勞壽命進行分析和預測，從而為設計和試驗提供指導和驗證作用。隨著型號研制要求的不斷提高，研制任務的日益繁忙，傳統依靠試驗驗證的動態疲勞壽命分析方法周期長、 成本高的特點日益顯露，因此研究一種能有效分析預測管路振動疲勞壽命的分析方法成為迫切的需要。
發明內容
本發明的目的在于提供一種基于有限元分析的管路隨機振動疲勞壽命分析方法， 該方法解決目前運載火箭型號管路振動疲勞壽命分析預測的問題，很好的分析了輸送管的隨機疲勞壽命，為輸送管更改方案提供數據支持，為管路振動疲勞壽命的設計與試驗提供指導與驗證。本發明的上述目的是通過如下技術方案予以實現的一種基于有限元分析的管路隨機振動疲勞壽命分析方法，包括如下步驟(1)利用有限元軟件建立管路結構的有限元分析模型，分析管路結構在外載荷作用下的應力、應變及位移響應，分析管路結構在預應力模型作用下的自振頻率振型，分析管路結構在隨機振動載荷作用下的動態應力、應變、位移及加速度響應，并從中提取管路結構在靜態外載荷作用下的最大Mises應力Oz、隨機振動載荷作用下的最大均方根應力S以及此部位的應力功率譜G (f)，并將應力功率譜G (f)輸出為TXT或者DAT文件，具體步驟如下a、利用有限元軟件的模型功能根據管路結構圖紙建立管路三維模型，由于管路結構為長跨度薄壁結構，模型采用殼單元模型；b、為管路三維模型的各個結構模塊賦予各自的材料屬性，包括彈性模量、屈服強度、破壞強度及延伸率；C、設置有限元分析步驟，主要分為三步第一步靜態隱式分析步分析管路結構在外載荷作用下的靜態應力、應變和位移響應；第二步線性攝動分析步分析管路結構的模態振型；第三步隨機振動響應分析步分析管路結構在隨機振動載荷作用下的動態應力響應譜；d、為分析模型的三個分析步分別設置邊界條件及載荷條件，其中邊界條件包括管路法蘭及支架部位的固定和滑動約束，載荷條件包括管路內壓、補償位移及溫度變化；e、分析模型網格劃分采用三維四節點殼單元對管路三維模型進行網格劃分，根據管路模型大小設置單元尺寸；
f、將步驟a-e參量輸入有限元軟件分析模塊，通過有限元軟件分析模塊進行分析計算，得到結果輸出文件，包括管路結構在外載荷作用下的靜態應力、應變和位移響應；管路結構的模態振型；管路結構在隨機振動載荷作用下的動態應力響應譜；g、利用有限元軟件后處理模塊對結果輸出文件進行處理，提取管路結構在靜態外載荷作用下的最大Mises應力ο z、隨機振動載荷作用下的最大均方根應力S以及此部位的應力功率譜G (f)，并將應力功率譜G (f)輸出為TXT或者DAT文件；(2)建立損傷模型，采用多軸應力狀態隨機振動疲勞壽命Dirlik經驗公式，通過損傷模型準則計算管路結構的疲勞壽命參數，即
權利要求
1. 一種基于有限元分析的管路隨機振動疲勞壽命分析方法，其特征在于包括如下步驟(1)利用有限元軟件建立管路結構的有限元分析模型，分析管路結構在外載荷作用下的應力、應變及位移響應，分析管路結構在預應力模型作用下的自振頻率振型，分析管路結構在隨機振動載荷作用下的動態應力、應變、位移及加速度響應，并從中提取管路結構在靜態外載荷作用下的最大Mises應力Oz、隨機振動載荷作用下的最大均方根應力S以及此部位的應力功率譜G (f)，并將應力功率譜G (f)輸出為TXT或者DAT文件，具體步驟如下a、利用有限元軟件的模型功能根據管路結構圖紙建立管路三維模型，由于管路結構為長跨度薄壁結構，模型采用殼單元模型；b、為管路三維模型的各個結構模塊賦予各自的材料屬性，包括彈性模量、屈服強度、破壞強度及延伸率；C、設置有限元分析步驟，主要分為三步第一步靜態隱式分析步分析管路結構在外載荷作用下的靜態應力、應變和位移響應；第二步線性攝動分析步分析管路結構的模態振型；第三步隨機振動響應分析步分析管路結構在隨機振動載荷作用下的動態應力響應譜；d、為分析模型的三個分析步分別設置邊界條件及載荷條件，其中邊界條件包括管路法蘭及支架部位的固定和滑動約束，載荷條件包括管路內壓、補償位移及溫度變化；e、分析模型網格劃分采用三維四節點殼單元對管路三維模型進行網格劃分，根據管路模型大小設置單元尺寸；f、將步驟a-e參量輸入有限元軟件分析模塊，通過有限元軟件分析模塊進行分析計算，得到結果輸出文件，包括管路結構在外載荷作用下的靜態應力、應變和位移響應；管路結構的模態振型；管路結構在隨機振動載荷作用下的動態應力響應譜；g、利用有限元軟件后處理模塊對結果輸出文件進行處理，提取管路結構在靜態外載荷作用下的最大Mises應力Qz、隨機振動載荷作用下的最大均方根應力S以及此部位的應力功率譜G(f)，并將應力功率譜G(f)輸出為TXT或者DAT文件；(2)建立損傷模型，采用多軸應力狀態隨機振動疲勞壽命Dirlik經驗公式，通過損傷模型準則計算管路結構的疲勞壽命參數隊，即其中S為均方根應力； οb為材料的強度極限； σ ζ為管路結構的最大Mises應力；m = 31g(0. 9/k)為疲勞曲線參數，k在彎曲時取0.5，拉壓時取0. 35，扭轉時取0. 29 ； C= 106(0.9Obr為疲勞曲線參數； T為振動時間；Dl值表示在T時間內元件發生疲勞破壞的可能性，1表示材料發生了破壞； E [ρ]與ρ (S)定義如下
全文摘要
本發明涉及一種基于有限元分析的管路動態疲勞壽命分析方法，主要通過有限元分析，獲得管路隨機振動條件下結構動態應力功率譜響應PSD后，然后結合損傷模型和材料S-N曲線，計算管路結構的疲勞壽命，從而判斷管路結構是否處于安全工作狀態，若非安全工作狀態則對管路結構進行優化設計，直至結果合格，本發明分析方法解決了目前運載火箭型號管路振動疲勞壽命分析預測的問題，為管路振動疲勞壽命的設計與試驗提供指導與驗證；本發明分析方法可對液體運載火箭管路在隨機振動載荷作用下的疲勞壽命進行有效的分析預測，為管路結構疲勞設計與試驗提供指導和驗證作用，該方法在載人航天運載火箭輸送管的計算分析中得到了充分運用，取得了良好的效果。
文檔編號G06F17/50GK102567567SQ20111036207
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月15日 優先權日2011年11月15日
發明者修建生, 劉江, 司徒斌, 周浩洋, 方紅榮, 歐陽芙, 王洪銳, 許光 申請人:中國運載火箭技術研究院, 北京宇航系統工程研究所