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| 編輯推薦： |
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适用于从事动力学设计和抗疲劳设计的工程技术人员参考，并可作为高等院校机械工程或工程力学等相关专业的研究生教学用书。
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| 內容簡介： |
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本书从振动疲劳的观点出发，系统地阐述了含裂纹构件的振动疲劳耦合理论、疲劳寿命估算和裂纹扩展预测方法，完整地总结了著者十年来在振动疲劳理论、计算与试验方面的发展与创新。本书适用于从事动力学设计和抗疲劳设计的工程技术人员参考，并可作为高等院校机械工程或工程力学等相关专业的研究生教学用书。
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| 目錄：
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前言
第１章 绪论……………………………………………………………………………………………………１
１.１ 振动疲劳的基本概念………………………………………………………………………………………１
１.１.１ 结构振动疲劳的定义…………………………………………………………………………………１
１.１.２ 飞机结构振动疲劳现象………………………………………………………………………………３
１.１.３ 振动疲劳类型及其特点………………………………………………………………………………３
１.１.４ 振动疲劳研究主要问题………………………………………………………………………………４
１.２ 振动疲劳寿命估算…………………………………………………………………………………………５
１.２.１ 振动疲劳试验研究……………………………………………………………………………………５
１.２.２ 振动疲劳寿命估算理论………………………………………………………………………………８
１.２.３ 尚需解决的难题………………………………………………………………………………………９
１.３ 振动疲劳损伤识别…………………………………………………………………………………………９
１.３.１ 振动疲劳损伤识别类型………………………………………………………………………………９
１.３.２ 振动疲劳损伤识别方法……………………………………………………………………………１０
１.３.３ 振动疲劳损伤识别算法……………………………………………………………………………１１
１.４ 抗振动疲劳设计…………………………………………………………………………………………１２
１.４.１ 飞机结构抗振动疲劳设计…………………………………………………………………………１２
１.４.２ 抗振动疲劳设计动力学优化………………………………………………………………………１３
参考文献…………………………………………………………………………………………………………１４
第２章 基于模态频率的缺口梁裂纹扩展预测………………………………………………………１８
２.１ 缺口梁的振动疲劳试验…………………………………………………………………………………１８
２.１.１ 试验件………………………………………………………………………………………………１８
２.１.２ 试验方法……………………………………………………………………………………………２０
２.１.３ 试验结果……………………………………………………………………………………………２１
２.２ 疲劳裂纹扩展理论………………………………………………………………………………………２３
２.２.１ 裂纹扩展控制曲线…………………………………………………………………………………２３
２.２.２ 裂纹扩展速率模型…………………………………………………………………………………２３
２.２.３ 考虑频率的裂纹扩展模型…………………………………………………………………………２５
２.３ 基于模态频率的裂纹扩展速率模型……………………………………………………………………２６
２.３.１ 缺口梁裂纹扩展的Ｐａｒｉｓ模型………………………………………………………………………２６ ２.３.２ 基于模态频率的裂纹扩展速率模型………………………………………………………………２７
２.３.３ 裂纹扩展速率预测误差……………………………………………………………………………２９
２.４ 基于模态频率的裂纹扩展寿命预测……………………………………………………………………３０
２.４.１ 裂纹损伤模型………………………………………………………………………………………３０
２.４.２ 裂纹扩展寿命预测…………………………………………………………………………………３１
２.４.３ 裂纹扩展寿命预测误差……………………………………………………………………………３２
参考文献………………………………………………………………………………………………………… ３３
第３章 含横向裂纹弹性梁的刚度模型…………………………………………………………………３５
３.１ 裂纹分类与断裂模式……………………………………………………………………………………３５
３.１.１ 裂纹的分类…………………………………………………………………………………………３６
３.１.２ 裂纹断裂模式………………………………………………………………………………………３６
３.２ 应力强度因子……………………………………………………………………………………………３７
３.２.１ 裂纹尖端应力场和位移场…………………………………………………………………………３７
３.２.２ 应力强度因子的计算………………………………………………………………………………３８
３.２.３ 疲劳断裂准则………………………………………………………………………………………３９
３.３ 横向裂纹局部柔度理论…………………………………………………………………………………４０
３.３.１ 应变能释放率………………………………………………………………………………………４０
３.３.２ 位能原理……………………………………………………………………………………………４１
３.３.３ 局部柔度系数………………………………………………………………………………………４２
３.３.４ 裂纹类型对局部柔度的影响………………………………………………………………………４３
３.４ 含裂纹弹性梁的刚度模型………………………………………………………………………………４６
３.４.１ 张开式裂纹梁的刚度模型…………………………………………………………………………４６
３.４.２ 呼吸式裂纹梁的刚度模型…………………………………………………………………………４６
３.５ 基于振幅变化的刚度模型………………………………………………………………………………４８
３.５.１ 含裂纹弹性梁的多项式刚度模型…………………………………………………………………４９
３.５.２ 振幅变化对刚度的影响……………………………………………………………………………５０
３.６ 裂纹对弹性构件振动的影响……………………………………………………………………………５１
参考文献…………………………………………………………………………………………………………５１
第４章 含裂纹悬臂梁的振动疲劳耦合理论…………………………………………………………５３
４.１ 弹性梁的振动理论………………………………………………………………………………………５３
４.１.１ 弹性梁的弯曲振动方程……………………………………………………………………………５４
４.１.２ 弹性梁的自由振动…………………………………………………………………………………５４
４.１.３ 弹性梁的受迫振动…………………………………………………………………………………５６
４.２ 含裂纹悬臂梁的特征方程………………………………………………………………………………５８
４.２.１ 模型描述……………………………………………………………………………………………５８
４.２.２ 考虑阻尼的弹性梁运动方程………………………………………………………………………５９
４.２.３ 考虑裂纹扩展的悬臂梁特征方程…………………………………………………………………６０
４.３ 含裂纹悬臂梁的动力响应………………………………………………………………………………６１
４.３.１ 裂纹位置的动应力…………………………………………………………………………………６１
４.３.２ 动应力强度因子……………………………………………………………………………………６４
４.４ 结构动力学与裂纹扩展耦合理论………………………………………………………………………６４
４.４.１ 振动疲劳同步分析法………………………………………………………………………………６４
４.４.２ 振动疲劳失效判据…………………………………………………………………………………６５
４.４.３ 振动疲劳耦合机理研究……………………………………………………………………………６５
参考文献…………………………………………………………………………………………………………６８
第５章 呼吸式裂纹梁的振动疲劳耦合理论…………………………………………………………７０
５.１ 呼吸式裂纹梁的振动分析………………………………………………………………………………７０
５.１.１ 呼吸式裂纹梁的单自由度模型……………………………………………………………………７０
５.１.２ 呼吸式裂纹梁的模态频率计算……………………………………………………………………７１
５.２ 裂纹表面摩擦阻尼……………………………………………………………………………………… ７２
５.２.１ 裂纹表面摩擦模型…………………………………………………………………………………７２
５.２.２ 摩擦阻尼损耗因子…………………………………………………………………………………７４
５.３ 呼吸式裂纹梁的参数振动………………………………………………………………………………７６
５.３.１ 参数振动方程………………………………………………………………………………………７６
５.３.２ 增量谐波平衡法……………………………………………………………………………………７８
５.３.３ 求解方法……………………………………………………………………………………………７９
５.４ 呼吸式裂纹梁的非线性振动……………………………………………………………………………８０
５.４.１ 三次非线性振动方程………………………………………………………………………………８０
５.４.２ 多尺度法求解………………………………………………………………………………………８１
５.４.３ 含裂纹梁的稳态响应………………………………………………………………………………８２
５.４.４ 含裂纹梁的非线性幅频响应………………………………………………………………………８４
５.５ 呼吸式裂纹梁的振动疲劳耦合…………………………………………………………………………８７
５.５.１ 呼吸式裂纹梁的动应力……………………………………………………………………………８７
５.５.２ 广义Ｆｏｒｍａｎ方程……………………………………………………………………………………８９ ５.５.３ 裂纹扩展失效判据…………………………………………………………………………………９０
５.５.４ 呼吸式裂纹梁的振动疲劳耦合机理研究…………………………………………………………９０
参考文献…………………………………………………………………………………………………………９２
第６章 含裂纹板的振动疲劳耦合理论…………………………………………………………………９４
６.１ 含裂纹板的振动建模……………………………………………………………………………………９４
６.１.１ 弹性板的振动方程…………………………………………………………………………………９４
６.１.２ 含裂纹板的建模策略………………………………………………………………………………９５
６.１.３ 含裂纹板振动疲劳耦合模型………………………………………………………………………９８
６.２ 含裂纹板的振动特性……………………………………………………………………………………９９
６.２.１ 含裂纹板的单自由度模型…………………………………………………………………………９９
６.２.２ 含裂纹板的模态频率………………………………………………………………………………１０１
６.３ 含裂纹板的振动非线性…………………………………………………………………………………１０４ ６.３.１ 非线性幅频响应方程………………………………………………………………………………１０４
６.３.２ 非线性幅频响应影响因素…………………………………………………………………………１０６
６.４ 含裂纹板的动应力响应…………………………………………………………………………………１０８ ６.４.１ 动应力响应计算方法………………………………………………………………………………１０８
６.４.２ 裂纹尖端动应力响应………………………………………………………………………………１０９
６.５ 含裂纹板的振动疲劳耦合机理…………………………………………………………………………１１０ ６.５.１ 疲劳裂纹扩展方程…………………………………………………………………………………１１０
６.５.２ 失效准则……………………………………………………………………………………………１１１
６.５.３ 振动疲劳裂纹扩展预测……………………………………………………………………………１１１
参考文献………………………………………………………………………………………………………１１３
第７章 加筋构件的振动疲劳寿命试验与估算………………………………………………………１１５
７.１ 加筋构件的振动疲劳寿命试验…………………………………………………………………………１１５ ７.１.１ 试验系统……………………………………………………………………………………………１１５
７.１.２ 试验件及其安装……………………………………………………………………………………１１６
７.１.３ 振动疲劳试验方法…………………………………………………………………………………１１７
７.１.４ 试验工况……………………………………………………………………………………………１１９
７.２.２ 振动疲劳寿命影响因素讨论………………………………………………………………………１２１
７.３ 单向双筋板的振动分析…………………………………………………………………………………１２２ ７.３.１ 单向双筋板的有限元建模…………………………………………………………………………１２２
７.３.２ 振动响应计算………………………………………………………………………………………１２３
７.４ 单向双筋板的振动疲劳寿命估算………………………………………………………………………１２６ ７.４.１ 振动疲劳耦合理论…………………………………………………………………………………１２６
７.４.２ 振动疲劳寿命预测实例……………………………………………………………………………１２６
７.４.３ 误差分析……………………………………………………………………………………………１２７
参考文献………………………………………………………………………………………………………１２８
第８章 基于频率的含裂纹梁损伤识别………………………………………………………………１３０
８.１ 基于频率的损伤识别理论………………………………………………………………………………１３０ ８.１.１ 频率变化比法………………………………………………………………………………………１３０
８.１.２ 频率平方变化比法…………………………………………………………………………………１３１
８.２ 含裂纹梁的模态频率研究………………………………………………………………………………１３２ ８.２.１ 含裂纹梁的运动方程………………………………………………………………………………１３２
８.２.２ 含裂纹梁的模态频率方程…………………………………………………………………………１３３
８.２.３ 裂纹对梁模态频率的影响…………………………………………………………………………１３５
８.３ 基于频率误差的裂纹识别………………………………………………………………………………１３９ ８.３.１ 频率误差函数………………………………………………………………………………………１３９
８.３.２ 裂纹识别结果………………………………………………………………………………………１４０
８.３.３ 误差分析与讨论……………………………………………………………………………………１４２
８.４ 基于频率等高线的裂纹识别……………………………………………………………………………１４４ ８.４.１ 频率等高线识别原理………………………………………………………………………………１４４
８.４.２ 裂纹识别结果………………………………………………………………………………………１４５
８.４.３ 误差分析与讨论……………………………………………………………………………………１５０
参考文献………………………………………………………………………………………………………１５１
第９章 基于模态应变能的含裂纹构件损伤识别……………………………………………………１５３ ９.１ 弹性构件的模态应变能…………………………………………………………………………………１５４ ９.１.１ 损伤识别模态应变能法……………………………………………………………………………１５４
９.１.２ 弹性梁的模态应变能………………………………………………………………………………１５４
９.１.３ 弹性板的模态应变能………………………………………………………………………………１５５
９.２ 基于模态应变能的损伤指标……………………………………………………………………………１５５ ９.２.１ 含裂纹梁的损伤指标………………………………………………………………………………１５５
９.２.２ 含裂纹板的损伤指标………………………………………………………………………………１５７
９.２.３ 损伤指标的归一化…………………………………………………………………………………１５７
９.３ 含裂纹梁的损伤识别案例………………………………………………………………………………１５８ ９.３.１ 简支梁的损伤位置识别……………………………………………………………………………１５８
９.３.２ 简支梁轻微损伤的识别……………………………………………………………………………１６０
９.３.３ 连续跨度梁的损伤识别……………………………………………………………………………１６０
９.３.４ 弹性梁损伤识别的实验证实………………………………………………………………………１６２
９.４ 含裂纹板的损伤识别案例………………………………………………………………………………１６３ ９.４.１ 板的几何模型………………………………………………………………………………………１６３
９.４.２ 板的损伤识别………………………………………………………………………………………１６５
参考文献……………………………………………………………………………………………………… １６７
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| 內容試閱：
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１９６３年， 著名学者ＣＲＡＮＤＡＬＬ在其著作 机械系统的随机振动 中首次将振动疲劳定义为“振动激励下产生的一种不可逆的具有损伤累积性质的振动破坏”。２０世纪７０年代，国内学者姚起杭等根据使用和试验中的振动破坏现象，也提出了振动疲劳的定义，并积极推 进振动与疲劳的交叉研究。意思是说，振动疲劳是一种振动破坏，与传统疲劳有所不同，必须考虑振动行为与疲劳损伤之间的作用机制。但是，迄今这方面的研究工作进行得并不多，更未建立系统的理论体系。
很多文献和规范中经常出现振动疲劳一词，反映在各种结构设计手册或设计规范中对零部件的振动疲劳水平都有详细的规定。虽然不断有学者对振动疲劳进行重新定义，但是这些定义均未涉及振动疲劳的动力学本质。由于振动疲劳涉及结构振动特性，要对其准确地定义十分困难。著者认为，振动疲劳是指结构所受激励 如振动、冲击与噪声 的频率与其固有频率存在交集而激发共振，使结构萌生裂纹并发生断裂的全过程，是结构振动行为与裂纹 扩展动态耦合的结果。由此可知，振动疲劳受到结构振动行为与疲劳损伤的协同控制，持续振动会使结构萌生裂纹并逐步扩展，而裂纹的逐步扩展也将修改结构的振动行为，两者的动态耦合对振动疲劳破坏产生的效应将以非线性的形式出现。这样，著者将以“振动疲劳耦 合” 一词来区分传统疲劳的研究。
振动疲劳耦合实际上是指结构的振动特性会随疲劳损伤演变发生改变以及结构疲劳损伤演变将受振动特性变化的影响。两者之间的耦合机制比较复杂，而且呈非线性演化规律。即结构振动特性的研究不仅要考虑裂纹扩展对系统刚度的影响，也要考虑裂纹扩展引起的表面摩擦阻尼作用。反之，疲劳损伤的研究不仅要考虑系统刚度、阻尼变化引起的疲劳响应改变，也要考虑动态惯性力对疲劳响应的作用。但是在机械学科中，结构振动疲劳耦合理论对 于动力机械安全可靠性的重要意义尚未引起人们的足够重视，也没有将它作为具有广泛应用前景的研究领域开展研究。应当强调指出，从传统的结构疲劳研究转变到结构振动疲劳耦合研究，不是单纯的研究领域的扩大，而是伴随着理论基础、思维方式和研究方法等的转变。
事实上，无论是机械设计，还是动力机械装备的运行维护和状态监控，都涉及许多振动疲劳耦合方面的重要问题。为了解决这些问题，人们在长期的工程实践中也积累了丰富的经验。然而，随着动力机械的飞速发展，结构振动疲劳现象日益增多，成为制约动力机械发展的关键问题。基于这种认识，本书汇集了著者１０ 年来在含裂纹构件的振动疲劳耦合理论、计算和试验方面取得的成果，力求反映振动与疲劳交叉研究的重要性和紧迫性，希望能得到 同行们的认可。
全书共分９章：
第１章是绪论，简要地叙述了结构振动疲劳的定义、飞机结构振动疲劳现象、振动疲劳 的类型与特点、振动疲劳研究的发展和国内外的研究进展等。
第２章是缺口梁的振动疲劳裂纹扩展预测，详细探讨了影响缺口梁裂纹扩展行为和模态 频率的各种因素，建立了梁的裂纹扩展Ｐａｒｉｓ模型和基于模态频率的裂纹扩展模型，提出了基于模态频率下降率的裂纹扩展剩余寿命预测模型。
第３章是含横向裂纹弹性梁的刚度模型，推导了横向裂纹局部柔度理论，建立了基于不 同函数表达式的呼吸式裂纹梁刚度模型。
第４章是含裂纹悬臂梁的振动疲劳耦合理论，推导了含裂纹悬臂梁的运动方程，基于同 步分析方法建立了含裂纹悬臂梁的振动疲劳耦合理论。
第５章是呼吸式裂纹梁的振动疲劳耦合理论，推导了裂纹表面摩擦阻尼损耗因子，建立了呼吸式裂纹梁的非线性振动方程，探索了呼吸式裂纹梁的振动非线性响应，研究了呼吸式裂纹梁的振动疲劳裂纹扩展耦合理论。
第６章是含裂纹板的振动疲劳耦合理论，提出了含裂纹板的动力学建模策略，推导了含裂纹板的振动疲劳耦合模型，讨论了影响含裂纹板振动特性与裂纹扩展的各种因素，建立了含裂纹板的振动疲劳耦合理论。
第７章是加筋构件的振动疲劳寿命试验与估算，详细讨论了影响结构振动疲劳寿命的各种可能因素，提出了一种考虑结构裂纹扩展的振动疲劳寿命计算方法。
第８章是基于频率的含裂纹梁损伤识别，简要论述了基于频率的损伤识别原理，推导了含裂纹梁的模态频率解析方程，研究了基于模态频率误差函数和基于频率等高线的裂纹损伤识别方法。
第９章是基于模态应变能的含裂纹构件损伤识别，简要叙述了基于模态应变能的损伤识 别原理，推导了含裂纹构件的模态应变能计算公式，构建了模态应变能损伤识别指标，提出了含裂纹构件的损伤识别模态应变能法。
本书涉及的成果大部分取自著者承担的国家自然科学基金项目 编号： ５１５６５０３９ 和 江西省自然科学基金、 江西省教育厅科技项目。在此特向国家自然科学基金委员会和其他资助部门表示深切的谢意。还要特别感谢南昌航空大学先进设计技术研究团队的贺红林教授和团队研究生们的热情支持和帮助。
由于知识水平有限，加上本书毕竟是著者基于振动疲劳耦合视角撰写的一本介绍含裂纹构件振动疲劳损伤预测研究进展的书籍，书中有些观点难免有不妥甚至谬误之处，敬请广大 读者批评指正。
刘文光
２０１９ 年７ 月９ 日于南昌
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