东北大学机械工程专业硕士学位论文

东北大学机械工程专业硕士学位论文内容摘要：

r 模型 (BM) .............................................................................. 41 Fatemi和 Socie 模型 (FS)................................................................................. 41 Smith, Watson 和 Topper 模型 (SWT) .............................................................. 42 程序实现 .................................................................................................................... 42 小结 ............................................................................................................................ 44 第 7 章 界面设计 ............................................................................................................ 45 曲线拟合界面的设计与应用 .................................................................................... 45 多轴载荷的显示 ........................................................................................................ 47 加载路径 .......................................................................................................... 47 最大剪应变变化 .............................................................................................. 49 多轴临界平面确定的界面设计与应用 .................................................................... 51 多轴载荷压缩与雨流变程计数的界面设计与应用 ................................................ 53 应变花确定应变的界面设计 与应用 ........................................................................ 56 多轴等效变程计数的界面设计与应用 .................................................................... 58 多轴疲劳寿命预测的界面设计与应用 .................................................................... 59 界面 设计 .......................................................................................................... 59 应用举例 .......................................................................................................... 60 第 8 章 结论与展望 ....................................................................................................... 67 结论 ............................................................................................................................ 67 展望 ............................................................................................................................ 67 参考文献 .............................................................................................................................. 69 致谢 ........................................................................................................................................ 73 攻读硕士学位期间发表论文情况 ............................................................................ 75 东北大学硕士学位论文 第 1 章 绪 论 1 第 1 章 绪 论 本课题研究的目的与意义 由于经典的疲劳理论满足不了高科技产品的强度和寿命等需求，因而近年来疲劳界对更为符合实际的多轴疲劳研究普遍重视起来。 多轴疲劳是指疲劳损伤发生在多轴载荷条件下的材料失效过程。 多轴循环载荷至少有两个或三个方向上施加的应变（或应力）独立地随时间发生变化。 它们变化可以是比例的，也可以是非比例的。 载荷的非同相，非同频，不同波形，均值的存在都将引起非比例载荷。 其应力的主方向和主值比在一个加载循环内或一个加载块中是变化的，使材料循环应力应变特性，裂纹的取向，形状，扩展方向，扩展速率及疲劳寿命等都收到更多因素的影响。 相对单轴 疲劳，多轴疲劳无论在力学方面，实验研究方面，还是物理机制方面都更为复杂。 因此多轴疲劳研究是进一步认识疲劳损伤机制和失效过程不可或缺的部分。 随着对疲劳领域研究的深入，遇到的疲劳数值计算等都开始繁杂起来，疲劳数据等的处理也就越来越棘手了，这就阻碍了疲劳理论和疲劳技术等的发展，所以现在越来越多的研究工作人员都开始利用各种平台开发各种软件来寻求更好的突破口。 随着社会的进步和计算机语言的发展， MATLAB 在解算问题方面要比 C 语言和 FORTRAN 语言等更加简单便捷，并且其支持 C、 FORTRAN、 C++、 JAVA 等多种 语言。 MATLAB 语言在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如 C、 FORTRAN）的编辑方式，是当今最优秀的科技应用之一，也一直是国际科学界应用和影响最广范的三大计算机语言之一。 它以强大的科学计算与可视化功能，特别是所附带的 30 多种面向不同的领域的工具箱支持，使得它成为应用开发的基本工具和首选平台 [19]。 本文选用 MATLAB 作为系统的开发平台，编写一套多轴疲劳寿命预测工具箱，使其既适用于工程技术人员对关键结构部件的疲劳寿命进行预测，又适用于研究工作者以其为平台，对疲劳理论进行深入的研究。 而且，本 文是国家自然基金的研究内容之一，所以基于 MATLAB 多轴疲劳寿命预测工具箱开发具有重要的理论意义与实用价值。 国内外发展状况 MATLAB 工具箱的发展 （ 1） MATLAB 的简介 美国 The Math Works 公司推出的 MATLAB 语言一直是国际科学界应用和影响广泛的三大科学计算机数学语言之一。 从某种意义来讲，在纯数学以外的领域中， MATLAB东北大学硕士学位论文 第 1 章 绪 论 2 语言有着其他两种计算机数学语言 Mathematica 和 Maple 无法比拟的优势和适用面。 在很多领域， MATLAB 语言是首选的计算机数学语言。 目前 MATLAB 产品族可以用来进行：数值分析 ， 数值和符号计算 ， 工程与科学绘图 ， 控制系统的设计与仿真 ， 数字图像处理 ， 数字信号处理 ， 通讯系统设计与仿真 ， 财务与金融工程。 MATLAB Compiler 是一种编译工具，它能够将那些利用 MATLAB 提供的编程语言——M 语言编写的函数文件编译生成为函数库、可执行文件、 COM 组件等等，这样就可以扩展 MATLAB 功能，使 MATLAB 能够同其他高级编程语言例如 C/C++语言进行混合应用，取长补短，以提高程序的运行效率，丰富程序开发的手段。 MATLAB 开放的产品体系使 MATLAB 成为了诸多领域的开发首选软件，并且，MATLAB 还具有 300 余家第三方合作伙伴，分布在科学计算、机械动力、化工、计算机通讯、汽车、金融等领域。 接口方式包括了联合建模、数据共享、开发流程衔接等等。 MATLAB 是一个功能十分强大的系统，且是具有很强的功能扩展能力，可以依据自己专业需求编制各种程序包乃至工具箱。 本文选用 MATLAB 语言进行编制各种程序，调试的各个程序分别集中于各个文件夹中，使用时只需要把这些文件通过 ‘ set path’ 设置在搜索路径中就可以，以后调用这些程序就像使用 MATLAB 自身带 有的函数一样方便。 MATLAB 结合第三方软硬件产品组成了在不同领域内的完整解决方案，实现了从算法开发到实时仿真再到代码生成与最终产品实现的完整过程。 （ 2） MATLAB 的 GUI 设计 随着面向对象技术兴起，图形用户界面设计变得更加流行。 许多程序设计软件纷纷推出图形用户界面设计功能，大大减轻了程序设计软件纷纷推出图形用户界面设计功能，大大减轻了程序设计者的负担，加快了设计者程序设计工作。 图形用户界面 (GUI)是与计算机程序之间的交互方式，它是包含图形的对象，如窗口，图标，菜单和文本以及工具栏的用户界面。 用户以某种方式选择或激活图形对象而引起动作或发生变化。 通过图形用户界面，用户可以非常直观，轻松地与计算机交互，而且用户不必了解应用程序是如何执行各条命令的，只要掌握图形界面的各个组件的使用方 法即可。 MATLAB 为用户设计图形界面提供了一个高效，方便的集成环境。 在 MATLAB 中，基本的图形对象，下拉菜单对象和内容式菜单对象。 用户可以通过这些对象设计出界面友好，功能强大，操作简单的图形用户界面。 实现一个 GUI 主要包括 GUI 界面设计和 GUI 组件编程两项工作。 整个 GUI 的实现东北大学硕士学位论文 第 1 章 绪 论 3 过程可以分为以下几步 [10]： ①通过设置 GUIDE 应用程序的选项来进行 GUIDE 组态； ②使用界面设计编辑器来进行 GUI 界面设计； ③理解应用程序 M 文件中所使用的编程技术； ④编写用户 GUI 组件行为响应控制（即回调函数）代码。 （ 3） MATLAB 的 工具箱开发 利用 M 语言还开发了相应的 MATLAB 专业工具箱函数供用户直接使用。 这些工具箱应用的算法是开放的可扩展的，用户不仅可以查看其中的算法，还可以针对一些算法进行修改，甚至允许开发自己的算法扩充工具箱的功能。 目前 MATLAB 产品的工具箱有四十多个，分别涵盖了数据采集、科学计算、控制系统设计与分析、数字信号处理、数字图像处理、金融财务分析以及生物遗传工程等专业领域。 MATLAB 工具箱主要分为功能性工具箱和学科工具箱。 前者主要用来扩充MATLAB 的 符号计算功能、可视化建模仿真功能、文字处理功能以及与实时控制功能等。 而后者是专业性很强的，如控制系统工具箱 (Control System Toolbox)、通讯工具箱(Communication Toolbox)、信号处理工具箱 (Signal Processing Toolbox)、财政金融工具箱 (Financial Toolbox)等。 疲劳分析软件的发展 （ 1）国外疲劳软件的发展 ANSYS FESAFE 一直是多轴疲劳分析解决方案的领导者，算法先进，功能全面细致，是世界公认精度最高的疲劳分 析软件。 它 既支持基于疲劳试验测试应力和应变信号的疲劳分析技术，也支持基于有限元分析计算的疲劳仿真设计技术。 它还 具有完整的材料库、灵活多变的载荷谱定义方法、实用的疲劳信号采集与分析处理功能以及丰富先进的疲劳算法，完整的输出疲劳结果。 特色功能 ： 拥有基于应力应变测试信。