工程结构的振动疲劳问题

　　1　引　言

　　1·1　振动疲劳的定义

　　早在十九世纪中叶,随着蒸汽机的发明和铁路建设的发展,人们发现了机车车轮结构可以在远小于其静强度极限载荷时发生交变应力破坏现象,由提出并发展了有别于结构静强度破坏的结构疲破坏问题,随后就把结构在交变载荷或重复应力作用下发生的破坏称为结构疲劳破坏。由于工业、交通和国防技术的需要,结构疲劳技术及后来发展的断裂力学已在航空、航天、能源、交通、建筑、化工等领域得到深入的发展和广泛应用。现在,我们又注意到在结构疲劳破坏中包含的一类重要问题,那就是如果交变载荷的频率与结构的某一和某几阶共振频率一致或相接近时,结构将会发生共振,这时一定的激励将会产生更大的响应,以致更加易于产生破坏;问题涉及到结构共振响应,显然需要利用结构动力学技术加以研究,从而可以揭示一些与结构动态特性有关的规律,下面将这一问题称为振动疲劳或动态疲劳问题。迄今为止,有关文献中关于振动疲劳的研究较少,有的文献即使提到振动疲劳一词[1,3],但并没有明确振动疲劳的定义、破坏特点及其与静态疲劳问题的区别,因而国内外一些人士仍然沿用静态疲劳技术处理振动疲劳问题。

　　上一世纪六十年代,S.H.Crandall[3]首先将振动载荷作用下产生的具有不可逆且累积性的结构损伤或破坏称为振动疲劳,这一定义对传统的疲劳方法,并没有带来显著的改变也没有涉及振动疲劳现象的动力学本质。为了揭示结构振动疲劳问题的动力学特性,我根据大量的使用和实验中结构振动破坏现象[9]提出以下的定义。

　　振动疲劳是结构所受动态交变载荷(如振动、冲击、噪声载荷等)的频率分布与结构固有频率分布具有交集或相接近,从而使结构产生共振所导致的疲劳破坏现象,也可以直接说成是结构受到重复载荷作用激起结构共振所导致的疲劳破坏。所以,只有结构在共振带宽内或其附近受到激励导致的共振破坏才属于振动疲劳破坏,否则都属于静态疲劳问题。

　　1·2　振动疲劳问题的特点及其与静态疲劳问题的区别

　　1)　由于结构共振是在动态外载作用下,外力与结构惯性力、弹性力及阻尼力的综合平衡现象,其特点是结构中发生了模态惯性力和阻尼力,其中阻尼力分布是决定结构共振响应大小的重要因素,结构共振破坏将直接决定于结构优势共振响应模态的应变模态分布特征,或者说成是取决于起主要贡献作用的应变模态分布特征。这是静态疲劳分析所难以考虑的,因为它既不考虑阻尼,也不考虑模态响应。

　　2)　工程中常将结构共振分为整体共振、部件共振和局部共振,共振疲劳更多的与部件共振或局部共振有关,一些动态载荷激励常常引起局部模态与载荷的振动耦合作用,而破坏的部位往往是局部共振中应变大且有缺陷或应力集中的部位。破坏起因于局部共振与应力集中两种因素的共同作用,这也是只考虑应力集中一项因素的静态疲劳分析所难以考虑的。