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

xx輕工大學畢業(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 數值分析 院（系） 機械工程學院 專業(yè)名稱 機械設計制造及其自動化 學生姓名 xx 學生學號 xxx 指導教師 xxxxxx 譯文要求：1、 譯文內容須與課題（或專業(yè)）有聯系；2、 外文翻譯不少于4000漢字。固定離岸結構疲勞可靠性分析：第一通道問題方法摘要：本文介紹一種關于計算固定離岸結構平臺的可靠性及其失效的方法。運用斷裂力學原理可以得出失效準則。這個問題被稱作“第一通道問題”。這種方法是通過應用一種典型的平面框架結構闡述出來的。疲勞可靠性衰減曲線可以用來檢查正在工作的海上平臺結構。對某些參數的研究，我們可以確定一些重要參數對疲勞可靠性的影響。關鍵詞：可靠性，疲勞，斷裂力學，離岸結構前言 在一般情況下，海上生產和鉆井平臺等一些大而復雜的結構系統，他們的制造通常是焊接互連鋼管構件接頭。這些結構系統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。在結構使用壽命期間，他們其中任何點的的疲勞破壞取決于完整的應力歷史。計算此應力歷史以及對材料的影響是一項復雜的任務。大海不規(guī)則的性質、結構大小的不同，接頭焊接處的應力集中和其他動載荷等影響造成了疲勞壽命評估的復雜性。由于輸入參數所固有的隨機性，影響了這些結構響應的結果，因此可靠性分析假設對正在工作的離岸結構檢查設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)KICK0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)下離岸結構疲勞可靠性。這個工作斷裂力學原理可以用于制定失效準則。一些相關文獻中，對適用于近海結構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)制定了故障方程的失效發(fā)生所需的周期數。這些研究內容已經擴展到評估管狀接頭在離岸結構的完整性。 在目前的研究中，固定的離岸結構的疲勞可靠性計算采用極限狀態(tài)下的標準。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)生在當壓力反應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的隨機理論(Nigam,1983)計算出來的。 離岸結構的響應反應是一個寬頻帶隨機的過程, 當應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）。在窄帶應力過程中，應力范圍遵循 Rayleigh分布。長期疲勞應力過程在一個離岸結構中并不是一個穩(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，我們可以計算出結構響應發(fā)生的概率，從而解釋海洋長期分布的生命結構。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€重要參數的敏感性也是通過參數研究來得出來的。 離岸的外表結構，即結構建模，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續(xù)章節(jié)中簡要介紹。結構建模 由于不同的海洋狀態(tài)，可靠性分析會牽涉到重復的離岸結構。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構模型。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( ,)是一個傳播函數，表示波能在頻率和角位移上的連續(xù)分布，S ()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（Sarpkaya and Isaacson,1981）常用來表示強風所造成的海洋狀況。 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。波浪力模型對結構類型的考慮，當構件尺寸的波長較小時，結構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足夠了。考慮到流速，波力公式可以表示為： 式中Cm是慣性系數，Cd是阻力系數，是液體的密度，Vp和Ap分別是結構體積和面積。 和是質點的速度和加速度，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。應力裂紋在尖端區(qū)的大小都取決于應力集中因子和裂紋的幾何形狀。它們的關系可以表示如下： 其中K是應力強度因子幅，S是名義應力范圍，a是裂紋尺寸，Y是幾何函數。 應力強度因子幅K與每個負載循環(huán)的裂紋擴展速率有關，可以用Paris-Ergodan方程表示： 式中C和m是材料的常數。 在應力強度因子為K時，當裂紋的斷裂韌度超過了材料的臨界斷裂韌度KIC，失效就認為已經發(fā)生了。 失效方程如下： 或者： 式中S= S（T），該應力是時間t上的遠場應力。 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勞閥值 在一個周期T內，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表示為結構的使用壽命。 結合方程（4）和（5）并且使用non-interaction模型，得到 其中Si表示應力范圍在第i海況，a0是初始始裂紋尺寸的大小，aN是經過第N個應力循環(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是應力過程中的零交叉頻率，由推導出；m0i，m2i是第i個海況初始和第二個時刻的是應力譜，qi是第i個海況下短時間考慮的因素，由i /Ti推導出，i是第i個海況下發(fā)生的概率，Ts是風暴持續(xù)時間（看成是三小時）， ac是經過N次應力循環(huán)的臨界斷裂尺寸，E.是期望值。 根據Rayleigh分布，可表示如下： 其中(.)是 Gamma方程， i是在第i個海況下應力過過程的均方值，它可以用有 計算出來。對（10）式積分，并將代入（11）式，并應用 Wirsching寬帶修正系數i和應力集中系數SCF： 將（8）式的at代入到（11）式，可變閥值時刻則為： 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=(t)，運用（13）式：（2） 用公式 ，其中 x和x是從應力過程的光譜得出的， 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)下結構的失效概率，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，P(Ei )是第i個海況發(fā)生的概率， P(F|E i )是第三步的失效概率，P F表示為總失效概率。（5） 可靠性指數 可由如下公式得出： 其中1 (.)是個常量的逆累積分布函數。數列例子（6） 由于平面框架塔（Karsan and Kumar, 1990; Madhavan Pillai and Meher Prasad,2000）的結構簡單，它常被用來分析。圖2為它的原理結構圖。表1為結構可靠性分析所得出的樣品離散數據。 確定變量的基本值為：C d =0.70, C m =2.0，結構阻尼比 =0.05，流速v c=0.0m/s，材料常數m=3.0。 圖2 平面框架結構原理圖（單位：mm） 表1 海洋離散結構數據（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，其中最關鍵是腳架結構和對角線結構。由此可以看出，疲勞可靠性指數隨著時間而降低。與對角線結構相比，腳架結構更加重要。這與Madhavan Pillai and Meher Prasad的報告結論相反，在他那篇報告中對角線結構比腳架結構更加重要。這是因為在極限狀態(tài)下腳架結構更加重要，然而在使用期間極限狀態(tài)下對角線結構更加重要。當可靠性指數低于一個預定的目標值時，疲勞可靠性衰減曲線在維修正在工作的離岸結構具有非常重要的意義?？煽啃缘拿舾行灾笖禐榱擞^察某些確定變量對可靠性疲勞指數的影響，因此對某些參數進行了研究。這些變量是阻尼系數Cd，慣性系數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。這些參數的研究結果如下：慣性系數的影響 圖4給出了各慣性系數C m下疲勞可靠性的變化指數，疲勞可靠性指數Cm隨時間增加而降低。慣性系數Cm的增大引起波浪力中慣性力的增大，而這卻導致可靠性指數的降低。因為可靠性指數對慣性力非常敏感。確定一個合適的慣性系數Cm，可以得到一個非常精確的可靠性指數。 圖4 慣性系數對疲勞可靠性的影響阻尼系數的影響圖5描述的是在各自阻尼系數Cd下，疲勞可靠性指標的變化?？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。與慣性力相比較，阻力周期不會使應力循環(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，可靠性指數的變化。當斷裂韌性增加時，可靠性指數通常也會增加。斷裂韌性K IC是抗裂紋擴展指數?？沽鸭y擴展能力越大，結構失效概率也就越小。 圖 6 各KIC可靠性指數的變化初始裂紋尺寸的大小 圖7 表示的是可靠性指數與初始裂紋尺寸的關系。初始裂紋尺寸影響到焊接質量。初始裂紋尺寸越大，其焊接質量越差，可靠性衰減化速率也越快。這會影響到可靠性指數的下降。 圖 7 初始尺寸a 0對可靠性指數影響結 論對于固定離岸結構的研究，一種簡單有效的計算可靠性指數與時間關系的方法已經研究出。這項研究的主要任務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準。斷裂力學原理可以用來運用到某些必要的方程中。平面框架結構的數字的研究和疲勞可靠性衰減曲線已經描繪出來。這種疲勞可靠性衰減曲線可以用來校核結構的使用壽命，特別當可靠性指數低于目標值時。對一些參數的研究，已經確定出各種參數對疲勞可靠性指數的影響。從這項研究中，我們可以得出幾條重要的結論：（1）在極限狀態(tài)下，腳架結構對可靠性的影響比對角線結構更加重要。這個結論與Madhavan Pillai and Meher Prasad (2000)的結論正好是相反的，在他們的研究內容中，在使用極限狀態(tài)下，對角線結構比腳架結構更加重要。（2）慣性系數Cm對可靠性指數的影響非常敏感，因此需要找出一個非常適合的慣性系數。（3）阻力系數Cd對可靠性指數影響不是很大，因此可以被認為是確定的變量。（4）焊接質量（a0）和斷裂韌性KIC對可靠性指數影響非常大。