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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）外 文 參 考 資 料 及 譯 文
譯文題目： A probabilistic method to predict fatigue crack initiation用概率的方法去預(yù)測(cè)疲勞裂紋萌生
學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)：
專(zhuān) 業(yè)：
所在學(xué)院：
指導(dǎo)教師：
職 稱：
20xx年 2月 27日
用概率的方法去預(yù)測(cè)疲勞裂紋萌生
摘要：在這篇文章，提出了疲勞損傷，所以可以用一種概率的方法去預(yù)測(cè)宏觀裂紋萌生。聲學(xué)非線性用來(lái)量化宏觀裂紋萌生。這些數(shù)據(jù)被用來(lái)概率分析裂紋損傷。這種概率裂紋損傷分析包括合理選擇損傷破壞模型和計(jì)算裂紋萌生概率的步驟。它評(píng)估靠重要性采樣的蒙特卡洛方法。模擬裂紋損傷的概率性被提出，并且與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果做比較。
關(guān)鍵字：聲學(xué)非線性，裂紋萌生，損傷演變，疲勞，概率性方法，結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)
1、 介紹
傳統(tǒng)的部件使用壽命預(yù)測(cè)是依賴于安全法則和線性積累的Palmgren和Miner法則。在金屬損傷的安全法則里，使用壽命預(yù)測(cè)是基于疲勞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)里。當(dāng)失效的可能性達(dá)到一個(gè)規(guī)定的值，即使一些部件還有運(yùn)用的價(jià)值和意義，一種結(jié)構(gòu)（房屋）的部件也要被替代。因此，經(jīng)濟(jì)處罰是一個(gè)保守的做法。為了避免這種刑罰，“破壞寬容”的做法往往是一個(gè)合適的替代壽命預(yù)測(cè)方法。這種方法是特別有用的，當(dāng)損失率的積累是很好的理解，并可以監(jiān)測(cè)用定量無(wú)損評(píng)價(jià)技術(shù)。然而，在某些材料，如高強(qiáng)度鋼，如那些用于旋翼機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)，在裂紋檢測(cè)的臨界損傷但非常小的長(zhǎng)度，通常發(fā)生在一個(gè)組件的壽命末期。當(dāng)一個(gè)可檢測(cè)的裂紋已經(jīng)發(fā)展出的微觀損傷過(guò)程，它生長(zhǎng)到一個(gè)不可接受的長(zhǎng)度，與組件的總壽命相比是一個(gè)短的時(shí)間。用周期性的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)控，但是，顯著提高了安全性的損傷容限的方法。特別是，如果預(yù)裂紋損傷可以監(jiān)測(cè)和相關(guān)的裂紋形成的分析性疲勞損傷過(guò)程，可以得到大量的安全和成本效益。有了這個(gè)目標(biāo)，計(jì)算方法基于原位測(cè)量周期宏觀裂紋萌生的幾率是本文提出的。該方法基本上由兩個(gè)部分組成：一種結(jié)構(gòu)壽命監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)疲勞過(guò)程。在本方法中，聲學(xué)二次諧波產(chǎn)生（見(jiàn)2節(jié)）是用來(lái)監(jiān)測(cè)疲勞過(guò)程中積累的損害。
概率疲勞損傷過(guò)程，將數(shù)據(jù)從壽命監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輸入，計(jì)算裂紋萌生的概率作為輸出。概率損傷過(guò)程包括選擇一個(gè)合適的損傷演化方程模型的累積損傷（見(jiàn)3節(jié)）和一個(gè)程序計(jì)算宏觀裂紋萌生的概率（見(jiàn)4節(jié)）。
程序計(jì)算裂紋萌生的幾率是能夠更新基于最新的檢測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)測(cè)。使用這種方法，宏觀裂紋萌生的概率計(jì)算為來(lái)源于文獻(xiàn)，并且結(jié)果在第5節(jié)。
2. 聲二次諧波發(fā)生
在一個(gè)組件進(jìn)行疲勞的過(guò)程要量化損傷的積累，最重要的可觀察的變量是損傷積累。在試樣中，所累積的損害是由引入材料非線性組成部分的微觀結(jié)構(gòu)的變化引起的。為了表征材料的非線性特性，由換能器（發(fā)生器）所產(chǎn)生的一個(gè)單一的頻率的超聲波的發(fā)送通過(guò)試樣和接收換能器接收的信號(hào)進(jìn)行了分析。材料的非線性失真，使單頻波形失真，導(dǎo)致二次諧波和高次諧波的產(chǎn)生。其結(jié)果是，接收到的信號(hào)的接收器不僅包括在發(fā)送（基波）的頻率，但也二次和高次諧波的振幅增加作為材料的非線性增加的一個(gè)組件。因此，材料非線性和潛在的累積損傷的特征可以通過(guò)對(duì)二次諧波的振幅A2的A1的振幅比。這比率以后稱為A2、A1和預(yù)計(jì)將增加累積損傷的進(jìn)展。注意，A2/A1的聲學(xué)非線性特性（見(jiàn)奧吉等人，2001）用在這里是不同于通常在文獻(xiàn)中找到（例如見(jiàn)莫里斯等人，1979）。
奧吉等人（2001）用電磁聲換能器測(cè)量A2/A1在試樣進(jìn)行疲勞。相對(duì)于程序之前描述的測(cè)量比A2/A1–發(fā)送一個(gè)簡(jiǎn)單（基本）頻率波和測(cè)量頻率波的基波和二次諧波信號(hào)的幅值，奧吉和他的同事用了一個(gè)不同但類(lèi)似的程序。他們分別發(fā)送的兩個(gè)不同的信號(hào)，一個(gè)在共振頻率fr和另一個(gè)頻率fr / 2，制成標(biāo)本。當(dāng)信號(hào)在頻率fr傳送時(shí)，他們測(cè)量與頻率fr的接收信號(hào)的振幅為A1（FR）。當(dāng)信號(hào)傳輸頻率fr / 2他們測(cè)量與頻率fr表示A2接收信號(hào)的振幅（FR / 2）。觀察A2（FR / 2）是二次諧波的振幅。注意，本程序可以確保測(cè)量換能器的共振頻率fr都測(cè)量信號(hào)，從而更準(zhǔn)確的測(cè)量。詳細(xì)信息請(qǐng)參閱奧吉等人（2001）。他們觀察到比A2（FR / 2）/ A1（FR）增加近單調(diào)，并顯示在宏觀裂紋起始點(diǎn)不同的峰值（見(jiàn)圖1）。
這表明，在疲勞在試件破壞的狀態(tài)可以通過(guò)測(cè)量比A2/A1不同周期數(shù)的跟蹤。
3.破壞模型
本節(jié)介紹了損傷模型，它的演化是比率A2（FR / 2）/ A1（FR）（見(jiàn)2節(jié)）到宏觀裂紋起始點(diǎn)。在一個(gè)特定的周期在疲勞過(guò)程中的損傷的狀態(tài)表示由一個(gè)標(biāo)量損傷函數(shù)D（N），其中N是周期數(shù)。大小D = 0對(duì)應(yīng)于無(wú)損傷，D = 1對(duì)應(yīng)于第一裂紋的出現(xiàn)。假設(shè)下面的模型代表的損傷的演化的周期數(shù)。
在這里，數(shù)控是歸一化常數(shù)，σ在循環(huán)應(yīng)力范圍，RC（σ）耐力極限時(shí)，在一個(gè)周期的平均應(yīng)力σˉ，m＞0，n＞0，取決于材料和載荷條件，通過(guò)相關(guān)聯(lián)的比A2/A1演變至D.進(jìn)化假定RC參數(shù)的確定（σ）如下古德曼關(guān)系（見(jiàn)Goodman，1899）.
rc(σ) =rc(0)(1? σ/σult)
σULT是材料的極限抗拉強(qiáng)度。假設(shè)σ和σ不斷循環(huán)，σ/ 2總是大于混凝土中（σ），方程（1）可以寫(xiě)成
D(N)= 1? [(1?D0)n+1 – (N-N0)/ N c ((σ/2 ?rc(σ)/σ/2) m(n+ 1)]1/n+1
在周期D0里，N0代表試樣中存在的損害。
4、宏觀裂紋萌生幾率
本節(jié)描述的宏觀裂紋萌生的概率計(jì)算程序和模型的基礎(chǔ)上，在3節(jié)中描述的。首先，一些出現(xiàn)在方程（2）的數(shù)量作為隨機(jī)變量。宏觀裂紋萌生Pma的概率，即，裂紋萌生周期數(shù)的概率，將小于指定的周期數(shù)NS，由下式給出
Pma = 1?Pr(D(Ns)< 1) （3）
根據(jù)公式1
D(Ns)< 1
意味著[(1?D0)n+1 – (N-N0)/ N c ((σ/2 ?rc(σ)/σ/2) m(n+ 1)]1/n+1>0
從以前的方程，它是觀察到的?D(Ns)< 1等于
Ns
4節(jié)描述。對(duì)于正在考慮的問(wèn)題，它是假定σ，σˉ，NC固定數(shù)量而RC（0），D、M和N是隨機(jī)變量。固定數(shù)量的σ，σˉ和NC，都有相同的值，用于非線性回歸（見(jiàn)5.1節(jié)）。被假定為具有對(duì)數(shù)正態(tài)分布的隨機(jī)變量的鋼筋混凝土（0
分布的平均為180兆帕和5.4兆帕的標(biāo)準(zhǔn)偏差。在周期Ninspj隨機(jī)變量D0是假設(shè)在區(qū)間有一個(gè)截?cái)嗾龖B(tài)分布（0，1）與平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差等于0.1 Ninspj。這種分布的D0與一用于產(chǎn)生M的統(tǒng)計(jì)和N相一致（見(jiàn)5.1節(jié)）。被假定為有一個(gè)聯(lián)合對(duì)數(shù)正態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)在5.1節(jié)中給出的隨機(jī)變量。從第三檢查記錄、宏觀裂紋起始計(jì)算不同周期的概率是表3中給出的。從表3看出，概率疲勞損傷分析程序更新連續(xù)檢查裂紋起始概率。對(duì)于檢查裂紋萌生的累積概率分布圖2。數(shù)字（1，。..圖6）在圖中注明檢驗(yàn)記錄的周期數(shù)。觀察后立即檢查，宏觀裂紋萌生降到零的概率。這是由于這樣的事實(shí)，它隱含地假定的概率過(guò)程，裂紋如果存在的話，肯定會(huì)被檢測(cè)程序的檢測(cè)。
注意，疲勞問(wèn)題的描述，第一裂紋大致在34160周期的觀測(cè)（見(jiàn)奧吉等等，2001）。從表3和圖2看出，宏觀裂紋的形成是很好的預(yù)測(cè)。
6.結(jié)論
一種方法來(lái)預(yù)測(cè)裂紋萌生具有以下特點(diǎn)提出了：
1、利用聲學(xué)非線性量化損傷。
2、啟發(fā)式傷害增長(zhǎng)法。
3、材料/其他參數(shù)作為隨機(jī)變量。
4、定期測(cè)量對(duì)損壞狀態(tài)和更新?tīng)顟B(tài)的評(píng)估。
5、獲得一個(gè)樣本問(wèn)題提出的方法解決了宏觀裂紋萌生的合理結(jié)果的計(jì)算。