振動疲勞的主要意義

來源：FESIM有限元分析

作者：飛賽團隊

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從人們發現疲勞現象以來，疲勞研究經歷了以不同學科為理論基礎的研究階段，表達了疲勞破壞理論不斷發展與完善的過程。

疲勞研究最初以材料力學為理論基礎，後來為滿足工程實踐對疲勞設計精度不斷增長的需求，逐步發展為以彈塑性力學、斷裂力學等為理論基礎。學術界與工程界對疲勞展開了大量的研究，進展飛速，但在研究結構疲勞時，都忽略了結構動態特性（例如，固有頻率、結構阻尼等）的影響。由於現代工業的蓬勃發展，工程結構所處的振動環境日趨複雜，仍然採用常規的疲勞破壞理論已難以精確地估算結構的疲勞壽命，或者無法解釋工程上某些結構疲勞破壞問題。

理論上，疲勞研究應該是同時考慮靜、動載荷引起的疲勞，但是實際上以往的疲勞強度理論只考慮了總載荷中「相對」靜載荷部分的疲勞問題。

長時間以來，疲勞問題的研究一直採用靜力學的處理方法。振動和疲勞作為工程結構遇到的兩大問題，它們的研究被孤立起來了，忽略兩者之間的耦合作用。從全局的觀點出發，振動和疲勞之間相互耦合，把兩者孤立起來研究是不符合實際的。

因此，工程結構振動疲勞現象對疲勞理論的發展提出了以下新的研究目標：

• 共振條件下，結構疲勞壽命是否發生突變；
• 頻率、阻尼和結構疲勞壽命之間具有怎樣的內在規律。

其研究成果對工業發展，尤其是航空科學技術的發展具有深刻的理論意義與工程應用價值，簡要敘述如下：

1. 考慮疲勞與振動之間的耦合影響，合理解釋工程結構振動疲勞現象。

深入了解結構振動疲勞現象的本質，可進一步在工程結構設計中定性分析及定量計算結構所經受的疲勞程度。結合振動疲勞破壞機理及其設計準則，對提高工程結構抗疲勞設計精度，特別是飛機結構的疲勞定壽、延壽及保證安全可靠性具有重要意義。

2. 揭示結構疲勞破壞與其動態特性之間的內在規律。

首先，全面了解疲勞破壞過程與結構動態特性之間的變化規律，對發展基于振動理論的結構健康監測技術具有重要的理論意義。

其次，深入了解加載頻率對疲勞破壞的影響，可為基於疲勞損傷理論的加速振動強度試驗技術的發展提供理論基礎。

3. 確定結構振動疲勞損傷和失效的外在原因。

根據振動疲勞損傷的外在原因，可預防工程結構振動疲勞、規範機械操作和限定使用環境。同時，對優化機械結構設計、改進位造工藝以及結構最小重量設計具有重要的工程應用價值。

4. 解決振動與疲勞研究之間的盲區。

隨著對振動疲勞現象認識的深入和普及，振動疲勞研究將引導人們對種種疲勞破壞行為產生認識方面的飛躍。