第
４４
卷第
１
期
２０１２
年
２
月
南 京 航 空 航 天 大 学 学 报
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ＆Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ
Ｖｏｌ．４４Ｎｏ．１
Ｆｅｂ．２０１２
基于频域法的随机振动载荷下飞机结构疲劳分析
孟凡涛 胡愉愉
（
中航工业西安飞机工业集团公司技术中心
，
西安
，７１００８９）
摘 要
：
针 对 飞 机 结 构 疲 劳 特 性
，
提 出 了 基 于 频 率 域 信 息 的 随 机 载 荷 历 程
——
功 率 谱 密 度 函 数
（
Ｐｏｗｅｒｓｐｅｅｔｒａｌ
ｄｅｎｓｉｔｙ
，
ＰＳＤ
）
估算结构振动疲劳的一种新的计算方法
。
首先对结构进行频率响应计算
，
得到结构的传递函数
；
将
此传递 函数与 输入的 功率谱 相乘
，
获得结 构的应 力功率 谱密度
；
再结合 材料 参 数
，
选择 合 适的 疲 劳损 伤 模型
，
利
用 频 域方 法 计算 结 构的 疲 劳强 度
。
对某 型 飞机 机 翼
，
采用 本 文 方 法
，
应 用 有 限 元 分 析
（
Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ
，
ＦＥＡ
）
获得了应力响应功率谱密度函数
，
并对机翼在随机振动载荷下的强度特性进行了模拟 与分析
，
给出了 分析
结果
。
关键词
：
功率谱密度
；
随机载荷
；
振动疲劳
；
有限元分析
中图分类号
：
Ｖ
２２４
文献标识码
：
Ａ
文章编号
：１００５２６１５（２０１２）０１００３２０５
基金项目
：
工信部
“
新涡桨支线飞机前期研究项目
（
工联装
［２００９］６４４）
支持项目
”
资助项目
。
收稿日期
：２０１１０４０６；
修订日期
：２０１１０６２８
通讯作者
：
孟凡涛
，
男
，
高级工程师
，１９７９
年
９
月生
，
Ｅ
ｍａｉｌ
：
ｍｆｔｓｊｓ
１１２＠
ｙａｈｏｏ
．
ｃｏｍ
．
ｃｎ
。
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爩牉牕牋爡牃牕爴牃牗
，
爣牣牁牣牪牣
（
ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｅｎｔｅｒ
，
ＣｈｉｎａＡｖｉａｔｉｏｎＩｎｄｕｓｔｒｙＸｉ
ａｎＡｉｒｃｒａｆｔＧｒｏｕｐ
，
Ｘｉ
ａｎ
，７１００８９，
Ｃｈｉｎａ
）
﹢┈┉┇┉
：
Ａ ｎｅｗｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ
，
ｎａｍｅｄｔｈｅｐｏｗｅｒｓｐｅｃｔｒａｌｄｅｎｓｉｔｙ
（
ＰＳＤ
），
ｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｆｏｒｅｓｔｉｍａｔｉｎｇｓｔｒｕｃ
ｔｕｒａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎｆａｔｉｇｕｅ
．
Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｉｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｏｍａｉｎｏｆｒａｎｄｏｍ ｌｏａｄ
ｉｎｇｈｉｓｔｏｒｙ
．
Ｆｉｒｓｔｌｙ
，
ｔｈｅｔｒａｎｓｆｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃ
ｔｕｒｅ
．
Ｓｅｃｏｎｄｌｙ
，
ｔｈｅｔｒａｎｓｆｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎｉｓｍｕｌｔｉｐｌｅｄｗｉｔｈｔｈｅｉｎｐｕｔｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｓｐｅｃｔｒｕｍ ｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅ
ｐｏｗｅｒｓｐｅｃｔｒａｌｄｅｎｓｉｔｙｏｆｔｈｅｓｔｒｅｓｓｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
，
ａｎｄｃｏｕｐｌｅｄｗｉｔｈｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｔｈｅ
ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｄａｍａｇｅｍｏｄｅｌ
．
Ｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｃａｃｕｌａｔｅｄｔｈｒｏｕｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
ｄｏｍａｉｎ
ｍｅｔｈｏｄ
．
Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｓｏｍｅｃｅｒｔａｉｎｓｔａｎｄａｒｄｓ
，
ｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｗｉｎｇｉｓａｎａｌｙｚｅｄｏｎｔｈｅｓｔｒｅｓｓｒｅ
ｓｐｏｎｓｅＰＳＤ ｆｕｎｃｔｉｏｎｂｙｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ
（
ＦＥＡ
）
ｕｎｄｅｒｒａｎｄｏｍ ｖｉｂｒａｔｉｏｎｌｏａｄｉｎｇｓ
．
┎┌┄┇┈
：
ｐｏｗｅｒｓｐｅｃｔｒａｌｄｅｎｓｉｔｙ
；
ｒａｎｄｏｍ ｌｏａｄｉｎｇ
；
ｖｉｂｒａｔｉｏｎｆａｔｉｇｕｅ
；
ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ
飞机结构设计中主要有两个方面的问题
，
一方
面是以静强度为主
，
只要飞机满足静强度的安全要
求
，
基本不涉及其动态疲劳
，
即振动疲劳
；
另一方面
是考虑飞机在整个服役过程中
，
必将经受各种动载
荷的影响
，
产生并承受严重的振动
、
冲击及噪声
，
由
此引起结构损伤
（
疲劳裂纹
、
冲击损伤
），
甚至导致
事故的发生
，
对飞机安全构成威胁
。
在结构的疲劳可靠性分析方法中
，
主要有基于
统计计数的时域分析方法
［１］
和基 于 功率 谱 密度 的
频域分析方法
［２］
。
由于时域分析方法需要进行循环
计数
，
数据处理量非常大
，
而频域方法计算简单
，
不
需要循环计数
，
因此
，
采用功率谱密度法估算结构
疲劳寿命的方法受到了广泛重视
。
频域分析方法根据系统的外部激扰
，
通过动态
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