薄壁圆管空间结构的热疲劳可靠性分析.pdfVIP

第34卷第4期 固体力学学报 V01．34No．4 CHINESE OFSOLIDMECHANICS 2013年8月 JOURNAL 2013 August 薄壁圆管空间结构的热疲劳可靠性分析。 阎 彬” 陈建军 方永锋 曹鸿钧 (西安电子科技大学电子装备结构设计教育部重点实验室，西安，710071) 摘要针对薄壁圆管的空间结构，分析其在交变热载荷下的疲劳可靠性问题．为同时考虑由截面平均温度 和截面温差造成的疲劳损伤，提出了综合利用剩余强度和疲劳累积损伤模型的分析方法．首先根据疲劳累积损伤 相等原理，将截面温差造成的多级扰动应力载荷作用频次等效为平均温度下的常幅应力载荷作用次数，从而将两 者产生的热应力载荷统一为一常幅载荷，再利用剩余强度模型基于动态应力强度干涉理论对疲劳可靠度进行分 析，得到了结构在综合考虑两种热疲劳状态下的动态可靠度．该方法可避免直接利用疲劳累积损伤理论临界损伤 值难以确定的问题，且能体现金属疲劳损伤的真实情况．最后以哈勃望远镜为例，分析了其主梁随疲劳热载荷循环 作用下的动态可靠度，得出了一些有意义的结论． 关键词 空间结构，疲劳可靠性，疲劳累积损伤，剩余强度．动态可靠度 0 引言 问结构热疲劳可靠性方面的研究尚鲜见． 空问结构在太空环境中的主要失效模式之一为 本文以文献[1—3]的空间结构为对象，考虑其交 交变热载荷作用下的热疲劳失效．由于疲劳失效是 变的平均温度和扰动温度两种热疲劳失效形式．虽 ·个长期的往复过程，不易察觉和诊断，故此类故障 然前者为热疲劳失效的主要因素，但若只考虑此因 时有发生，如哈勃太空望远镜上太阳能帆板主梁每 素，将不能完全体现出热疲劳失效的真实状况，实际 隔三年一次的检修，其有部分因素足由于热疲劳导 中扰动温度造成的热振动在考虑热结构耦合时会产 致的结构功能失效，无法精确的完成工作任务．另外 生一定的颤振，使振幅有所加强，由此造成的疲劳损 考虑到由于诸多不确定性因素的影响，如结构物性 伤也是不容忽视的，为此本文综合考虑这两种情况， 参数、作用载荷以及疲劳强度等取值所具有的分散 将平均温度下的热疲劳应力载荷近似为等幅随机载 性，故有必要对空间结构的热疲劳可靠性问题开展 荷情况，而扰动温度下则为变幅随机应力载荷，综合 研究． 应用疲劳累积损伤理论和剩余强度模型，将两种载 空间结构多为薄壁圆管单元构成，文献[1，2]根 荷情况统一起来，并利用动态应力一强度于涉理论构 据经典的薄壁圆管梁在热诱发下的振动理论，利用 建极限状态方程，分析了空间结构的热疲劳可靠性． 傅立叶展开的有限元方法对空间结构的热致振动进 1 空间结构热动力学有限元模型 行了分析．文献[3—5]分析了空问结构热问题，并对 1．1热传导有限元模型 考虑热动力学耦合关系下的空间结构热振动及颤 以受到空间热辐射的薄壁圆管为分析对象，如 振进行了研究．文献[6]利用累积损伤理论分析了结 图1所示(图中亭为圆管轴向无量纲化坐标搴一z／z 构在交变热载荷下的疲劳可靠性，其中热载荷产生 (z为圆管长度))．在对其建立热平衡方程中，同时 的交变热应力视为等效的机械应力，从而将热疲劳 考虑太阳对结构的辐射热流输入(在此考虑了热一结 问题转化为常规的结构疲劳问题．文献[7]详细阐述 构的耦合关系，即转角位移的变化对净辐射热流量 了结构的疲劳可靠性问题