含裂纹构件的振动疲劳损伤预测理论与方法

本书从振动疲劳的观点出发，系统地阐述了含裂纹构件的振动疲劳耦合理论、疲劳寿命估算和裂纹扩展预测方法，完整地总结了著者10年来在振动疲劳理论、计箅与试验方面的发展与创新。本书共分9章。第1章为绪论；第2章为基于模态频率的缺口梁裂紋扩展预测；第3~6章为含裂纹构件的振动疲劳耦合理论，是全书的重点之一；第7章为振动疲劳寿命试验与估算；第8~9章为含裂纹构件的振动疲劳损伤识别，是全书的另一重点。本书不仅总结了含裂纹构件的振动疲劳预测理论与方法，而且也反映了著者在振动与疲劳交叉研究方面所做的工作和积累的经验。本书适用于从事动力学设计和抗疲劳设计的工程技术人员参考，并可作为高等院校机械工程或工程力学等相关专业的研究生教学用书。

前言
第1章绪论1
1.1振动疲劳的基本概念1
1.1.1结构振动疲劳的定义1
1.1.2飞机结构振动疲劳现象3
1.1.3振动疲劳类型及其特点3
1.1.4振动疲劳研究主要问题4
1.2振动疲劳寿命估算5
1.2.1振动疲劳试验研究5
1.2.2振动疲劳寿命估算理论8
1.2.3尚需解决的难题9
1.3振动疲劳损伤识别9
1.3.1振动疲劳损伤识别类型9
1.3.2振动疲劳损伤识别方法10
1.3.3振动疲劳损伤识别算法11
1.4抗振动疲劳设计12
1.4.1飞机结构抗振动疲劳设计12
1.4.2抗振动疲劳设计动力学优化13
参考文献14
第2章基于模态频率的缺口梁裂纹扩展预测18
2.1缺口梁的振动疲劳试验18
2.1.1试验件18
2.1.2试验方法20
2.1.3试验结果21
2.2疲劳裂纹扩展理论23
2.2.1裂纹扩展控制曲线23
2.2.2裂纹扩展速率模型23
2.2.3考虑频率的裂纹扩展模型25
2.3基于模态频率的裂纹扩展速率模型26
2.3.1缺口梁裂纹扩展的Paris模型26
2.3.2基于模态频率的裂纹扩展速率模型27
2.3.3裂纹扩展速率预测误差29
2.4基于模态频率的裂纹扩展寿命预测30
2.4.1裂纹损伤模型30
2.4.2裂纹扩展寿命预测31
2.4.3裂纹扩展寿命预测误差32
参考文献33
第3章含横向裂纹弹性梁的刚度模型35
3.1裂纹分类与断裂模式35
3.1.1裂纹的分类36
3.1.2裂纹断裂模式36
3.2应力强度因子37
3.2.1裂纹尖端应力场和位移场37
3.2.2应力强度因子的计算38
3.2.3疲劳断裂准则39
3.3横向裂纹局部柔度理论40
3.3.1应变能释放率40
3.3.2位能原理41
3.3.3局部柔度系数42
3.3.4裂纹类型对局部柔度的影响43
3.4含裂纹弹性梁的刚度模型46
3.4.1张开式裂纹梁的刚度模型46
3.4.2呼吸式裂纹梁的刚度模型46
3.5基于振幅变化的刚度模型48
3.5.1含裂纹弹性梁的多项式刚度模型49
3.5.2振幅变化对刚度的影响50
3.6裂纹对弹性构件振动的影响51
参考文献51
第4章含裂纹悬臂梁的振动疲劳耦合理论53
4.1弹性梁的振动理论53
4.1.1弹性梁的弯曲振动方程54
4.1.2弹性梁的自由振动54
4.1.3弹性梁的受迫振动56
4.2含裂纹悬臂梁的特征方程58
4.2.1模型描述58
4.2.2考虑阻尼的弹性梁运动方程59
4.2.3考虑裂纹扩展的悬臂梁特征方程60
4.3含裂纹悬臂梁的动力响应61
4.3.1裂纹位置的动应力61
4.3.2动应力强度因子64
4.4结构动力学与裂纹扩展耦合理论64
4.4.1振动疲劳同步分析法64
4.4.2振动疲劳失效判据65
4.4.3振动疲劳耦合机理研究65
参考文献68
第5章呼吸式裂纹梁的振动疲劳耦合理论70
5.1呼吸式裂纹梁的振动分析70
5.1.1呼吸式裂纹梁的单自由度模型70
5.1.2呼吸式裂纹梁的模态频率计算71
5.2裂纹表面摩擦阻尼72
5.2.1裂纹表面摩擦模型72
5.2.2摩擦阻尼损耗因子74
5.3呼吸式裂纹梁的参数振动76
5.3.1参数振动方程76
5.3.2增量谐波平衡法78
5.3.3求解方法79
5.4呼吸式裂纹梁的非线性振动80
5.4.1三次非线性振动方程80
5.4.2多尺度法求解81
5.4.3含裂纹梁的稳态响应82
5.4.4含裂纹梁的非线性幅频响应84
5.5呼吸式裂纹梁的振动疲劳耦合87
5.5.1呼吸式裂纹梁的动应力87
5.5.2广义Forman方程89
5.5.3裂纹扩展失效判据90
5.5.4呼吸式裂纹梁的振动疲劳耦合机理研究90
参考文献92
第6章含裂纹板的振动疲劳耦合理论94
6.1含裂纹板的振动建模94
6.1.1弹性板的振动方程94
6.1.2含裂纹板的建模策略95
6.1.3含裂纹板振动疲劳耦合模型98
6.2含裂纹板的振动特性99
6.2.1含裂纹板的单自由度模型99
6.2.2含裂纹板的模态频率101
6.3含裂纹板的振动非线性104
6.3.1非线性幅频响应方程104
6.3.2非线性幅频响应影响因素106
6.4含裂纹板的动应力响应108
6.4.1动应力响应计算方法108
6.4.2裂纹尖端动应力响应109
6.5含裂纹板的振动疲劳耦合机理110
6.5.1疲劳裂纹扩展方程110
6.5.2失效准则111
6.5.3振动疲劳裂纹扩展预测111
参考文献113
第7章加筋构件的振动疲劳寿命试验与估算115
7.1加筋构件的振动疲劳寿命试验115
7.1.1试验系统115
7.1.2试验件及其安装116
7.1.3振动疲劳试验方法117
7.1.4试验工况119
7.2.2振动疲劳寿命影响因素讨论121
7.3单向双筋板的振动分析122
7.3.1单向双筋板的有限元建模122
7.3.2振动响应计算123
7.4单向双筋板的振动疲劳寿命估算126
7.4.1振动疲劳耦合理论126
7.4.2振动疲劳寿命预测实例126
7.4.3误差分析127
参考文献128
第8章基于频率的含裂纹梁损伤识别130
8.1基于频率的损伤识别理论130
8.1.1频率变化比法130
8.1.2频率平方变化比法131
8.2含裂纹梁的模态频率研究132
8.2.1含裂纹梁的运动方程132
8.2.2含裂纹梁的模态频率方程133
8.2.3裂纹对梁模态频率的影响135
8.3基于频率误差的裂纹识别139
8.3.1频率误差函数139
8.3.2裂纹识别结果140
8.3.3误差分析与讨论142
8.4基于频率等高线的裂纹识别144
8.4.1频率等高线识别原理144
8.4.2裂纹识别结果145
8.4.3误差分析与讨论150
参考文献151
第9章基于模态应变能的含裂纹构件损伤识别153
9.1弹性构件的模态应变能154
9.1.1损伤识别模态应变能法154
9.1.2弹性梁的模态应变能154
9.1.3弹性板的模态应变能155
9.2基于模态应变能的损伤指标155
9.2.1含裂纹梁的损伤指标155
9.2.2含裂纹板的损伤指标157
9.2.3损伤指标的归一化157
9.3含裂纹梁的损伤识别案例158
9.3.1简支梁的损伤位置识别158
9.3.2简支梁轻微损伤的识别160
9.3.3连续跨度梁的损伤识别160
9.3.4弹性梁损伤识别的实验证实162
9.4含裂纹板的损伤识别案例163
9.4.1板的几何模型163
9.4.2板的损伤识别165
参考文献167