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強(qiáng)度計(jì)算的工程應(yīng)用:能源工程中的疲勞強(qiáng)度計(jì)算1強(qiáng)度計(jì)算的工程應(yīng)用:能源工程中的疲勞強(qiáng)度計(jì)算1.1基礎(chǔ)理論1.1.1疲勞強(qiáng)度的基本概念疲勞強(qiáng)度是指材料在交變載荷作用下,抵抗疲勞破壞的能力。在能源工程中,設(shè)備如風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片、核電站的管道、火力發(fā)電廠的渦輪機(jī)等,長(zhǎng)期處于周期性的應(yīng)力狀態(tài),容易發(fā)生疲勞破壞。理解疲勞強(qiáng)度的基本概念對(duì)于設(shè)計(jì)和維護(hù)這些設(shè)備至關(guān)重要。1.1.2疲勞極限與S-N曲線疲勞極限,也稱為疲勞強(qiáng)度極限,是指材料在無限次交變載荷作用下不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力值。S-N曲線是描述材料疲勞性能的重要工具,其中S代表應(yīng)力,N代表應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。該曲線通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制,顯示了不同應(yīng)力水平下材料的疲勞壽命。例如,對(duì)于某種材料,當(dāng)應(yīng)力水平為100MPa時(shí),其疲勞壽命可能為106次循環(huán),而當(dāng)應(yīng)力增加到150MPa時(shí),疲勞壽命可能降至105次循環(huán)。#示例代碼:繪制S-N曲線
importmatplotlib.pyplotasplt
importnumpyasnp
#假設(shè)的S-N曲線數(shù)據(jù)
stress_levels=np.array([100,120,140,160,180,200])#應(yīng)力水平,單位MPa
cycles_to_failure=np.array([1e6,5e5,2e5,1e5,5e4,1e4])#對(duì)應(yīng)的疲勞壽命,單位次循環(huán)
#繪制S-N曲線
plt.loglog(stress_levels,cycles_to_failure,marker='o')
plt.xlabel('StressLevel(MPa)')
plt.ylabel('CyclestoFailure')
plt.title('S-NCurveforaHypotheticalMaterial')
plt.grid(True)
plt.show()1.1.3疲勞裂紋的形成與擴(kuò)展疲勞裂紋的形成通常始于材料表面的缺陷或應(yīng)力集中區(qū)域。隨著交變載荷的重復(fù)作用,裂紋逐漸擴(kuò)展,最終導(dǎo)致材料的斷裂。裂紋擴(kuò)展速率受應(yīng)力強(qiáng)度因子、裂紋長(zhǎng)度、材料特性等因素的影響。在能源工程中,監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)裂紋的擴(kuò)展對(duì)于預(yù)防設(shè)備故障至關(guān)重要。1.1.4材料的疲勞性能測(cè)試材料的疲勞性能測(cè)試是通過施加交變載荷,觀察材料在不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命,從而繪制S-N曲線的過程。測(cè)試通常在專門的疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,可以采用恒定應(yīng)力幅值或變應(yīng)力幅值的加載方式。測(cè)試結(jié)果用于材料的選擇和設(shè)備的設(shè)計(jì),確保其在預(yù)期的使用條件下具有足夠的疲勞強(qiáng)度。#示例代碼:疲勞性能測(cè)試數(shù)據(jù)處理
importpandasaspd
#假設(shè)的疲勞測(cè)試數(shù)據(jù)
data={
'Stress':[100,120,140,160,180,200],
'Cycles':[1e6,5e5,2e5,1e5,5e4,1e4]
}
#創(chuàng)建DataFrame
df=pd.DataFrame(data)
#計(jì)算平均應(yīng)力和壽命
mean_stress=df['Stress'].mean()
mean_cycles=df['Cycles'].mean()
#輸出結(jié)果
print(f"平均應(yīng)力:{mean_stress}MPa")
print(f"平均壽命:{mean_cycles}次循環(huán)")以上內(nèi)容涵蓋了疲勞強(qiáng)度計(jì)算在能源工程中的基礎(chǔ)理論,包括疲勞強(qiáng)度的基本概念、S-N曲線的繪制、疲勞裂紋的形成與擴(kuò)展原理,以及材料疲勞性能的測(cè)試方法。這些知識(shí)對(duì)于確保能源設(shè)備的安全運(yùn)行和延長(zhǎng)使用壽命具有重要意義。2強(qiáng)度計(jì)算的工程應(yīng)用:能源工程中的疲勞強(qiáng)度計(jì)算2.1計(jì)算方法2.1.1應(yīng)力-應(yīng)變分析應(yīng)力-應(yīng)變分析是疲勞強(qiáng)度計(jì)算的基礎(chǔ),它通過分析材料在不同載荷下的應(yīng)力和應(yīng)變,來預(yù)測(cè)材料的疲勞壽命。在能源工程中,如風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片、核電站的管道等,都可能經(jīng)歷周期性的載荷,導(dǎo)致材料疲勞。應(yīng)力-應(yīng)變分析通常包括彈性階段、塑性階段和斷裂階段的分析。示例:使用Python進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變分析importnumpyasnp
importmatplotlib.pyplotasplt
#材料屬性
E=200e9#彈性模量,單位:Pa
sigma_y=250e6#屈服強(qiáng)度,單位:Pa
#載荷和變形
load=np.linspace(0,1e6,100)#載荷范圍,單位:N
delta=load/E#彈性變形
#應(yīng)力計(jì)算
stress=load/(delta*E)
#應(yīng)變計(jì)算
strain=delta
#繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線
plt.figure()
plt.plot(strain,stress)
plt.axhline(y=sigma_y,color='r',linestyle='--')#屈服強(qiáng)度線
plt.title('應(yīng)力-應(yīng)變分析')
plt.xlabel('應(yīng)變')
plt.ylabel('應(yīng)力')
plt.grid(True)
plt.show()2.1.2疲勞壽命預(yù)測(cè)模型疲勞壽命預(yù)測(cè)模型用于估計(jì)材料在循環(huán)載荷作用下的壽命。常見的模型有S-N曲線模型、Miner準(zhǔn)則、Goodman修正等。這些模型基于材料的疲勞特性,通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出疲勞壽命與應(yīng)力幅值或應(yīng)力比的關(guān)系。示例:使用Miner準(zhǔn)則預(yù)測(cè)疲勞壽命importnumpyasnp
#材料的S-N曲線數(shù)據(jù)
stress_amplitude=np.array([100e6,200e6,300e6,400e6,500e6])#應(yīng)力幅值
cycles_to_failure=np.array([1e7,5e6,1e6,5e5,1e5])#對(duì)應(yīng)的疲勞壽命
#循環(huán)載荷數(shù)據(jù)
load_history=np.array([150e6,250e6,150e6,350e6,200e6])#載荷歷史
#Miner準(zhǔn)則計(jì)算
damage=np.zeros(len(load_history))
fori,loadinenumerate(load_history):
forj,stressinenumerate(stress_amplitude):
ifload<=stress:
damage[i]+=cycles_to_failure[j]/load
#累積損傷
total_damage=np.sum(damage)
#預(yù)測(cè)壽命
predicted_life=1/total_damage
print(f'預(yù)測(cè)的疲勞壽命為:{predicted_life}次循環(huán)')2.1.3有限元分析在疲勞計(jì)算中的應(yīng)用有限元分析(FEA)是一種數(shù)值模擬方法,用于解決復(fù)雜的工程問題,包括疲勞分析。通過將結(jié)構(gòu)分解成許多小的單元,F(xiàn)EA可以精確計(jì)算每個(gè)單元的應(yīng)力和應(yīng)變,從而評(píng)估整個(gè)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。示例:使用Python的FEniCS庫進(jìn)行有限元分析fromfenicsimport*
importmatplotlib.pyplotasplt
#創(chuàng)建網(wǎng)格和定義函數(shù)空間
mesh=UnitSquareMesh(8,8)
V=FunctionSpace(mesh,'P',1)
#定義邊界條件
defboundary(x,on_boundary):
returnon_boundary
bc=DirichletBC(V,Constant(0),boundary)
#定義變分問題
u=TrialFunction(V)
v=TestFunction(V)
f=Constant(1)
g=Constant(1)
a=dot(grad(u),grad(v))*dx
L=f*v*dx+g*v*ds
#求解
u=Function(V)
solve(a==L,u,bc)
#繪制結(jié)果
plot(u)
plt.show()2.1.4疲勞安全系數(shù)的計(jì)算疲勞安全系數(shù)是評(píng)估結(jié)構(gòu)疲勞安全性的指標(biāo),它定義為材料的疲勞極限與實(shí)際工作應(yīng)力幅值的比值。安全系數(shù)大于1表示結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)是安全的。示例:計(jì)算疲勞安全系數(shù)#材料的疲勞極限
fatigue_limit=300e6#單位:Pa
#實(shí)際工作應(yīng)力幅值
working_stress_amplitude=200e6#單位:Pa
#計(jì)算疲勞安全系數(shù)
safety_factor=fatigue_limit/working_stress_amplitude
print(f'疲勞安全系數(shù)為:{safety_factor}')以上示例和代碼僅為簡(jiǎn)化版,實(shí)際工程應(yīng)用中,疲勞強(qiáng)度計(jì)算會(huì)涉及更復(fù)雜的材料模型、載荷譜和結(jié)構(gòu)分析。3能源設(shè)備應(yīng)用3.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的疲勞強(qiáng)度計(jì)算3.1.1原理風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片在運(yùn)行過程中會(huì)受到周期性的風(fēng)力載荷,這種載荷會(huì)導(dǎo)致葉片材料產(chǎn)生疲勞。疲勞強(qiáng)度計(jì)算主要通過分析葉片在不同風(fēng)速下的應(yīng)力變化,使用S-N曲線或Miner準(zhǔn)則來評(píng)估葉片的疲勞壽命。S-N曲線描述了材料在不同應(yīng)力水平下的循環(huán)次數(shù)與疲勞失效的關(guān)系,而Miner準(zhǔn)則則是一種累積損傷理論,用于計(jì)算在不同應(yīng)力水平下的損傷累積。3.1.2內(nèi)容S-N曲線的建立S-N曲線是通過材料疲勞試驗(yàn)獲得的,試驗(yàn)中需要記錄材料在不同應(yīng)力水平下的循環(huán)次數(shù)至失效。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片,通常會(huì)使用復(fù)合材料,因此需要建立復(fù)合材料的S-N曲線。疲勞載荷譜的生成疲勞載荷譜是描述葉片在運(yùn)行中所受應(yīng)力變化的統(tǒng)計(jì)分布。這通常通過風(fēng)速數(shù)據(jù)和葉片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析來生成。疲勞壽命預(yù)測(cè)使用S-N曲線和Miner準(zhǔn)則,結(jié)合載荷譜,可以預(yù)測(cè)葉片的疲勞壽命。具體步驟包括:計(jì)算應(yīng)力幅值:基于載荷譜,計(jì)算葉片在不同風(fēng)速下的應(yīng)力幅值。應(yīng)用S-N曲線:將應(yīng)力幅值映射到S-N曲線上,得到對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。損傷累積:使用Miner準(zhǔn)則計(jì)算損傷累積,直到累積損傷達(dá)到1,即認(rèn)為葉片達(dá)到疲勞壽命。示例代碼#示例代碼:使用Miner準(zhǔn)則預(yù)測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的疲勞壽命
importnumpyasnp
#S-N曲線數(shù)據(jù)
stress_levels=np.array([100,200,300,400,500])#應(yīng)力水平
cycles_to_failure=np.array([1e6,5e5,2e5,1e5,5e4])#對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)至失效
#疲勞載荷譜數(shù)據(jù)
load_spectrum=np.array([150,250,350])#載荷譜中的應(yīng)力水平
cycles=np.array([10000,5000,2000])#對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)
#Miner準(zhǔn)則計(jì)算損傷累積
damage=np.zeros(len(load_spectrum))
fori,stressinenumerate(load_spectrum):
#查找S-N曲線中對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)
index=np.abs(stress_levels-stress).argmin()
Nf=cycles_to_failure[index]
#計(jì)算損傷
damage[i]=cycles[i]/Nf
#累積損傷
total_damage=np.sum(damage)
#輸出結(jié)果
print(f"累積損傷:{total_damage}")
iftotal_damage>=1:
print("葉片達(dá)到疲勞壽命")
else:
print("葉片未達(dá)到疲勞壽命")3.1.3數(shù)據(jù)樣例S-N曲線數(shù)據(jù):應(yīng)力水平:[100,200,300,400,500]MPa循環(huán)次數(shù)至失效:[1e6,5e5,2e5,1e5,5e4]疲勞載荷譜數(shù)據(jù):載荷譜中的應(yīng)力水平:[150,250,350]MPa對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù):[10000,5000,2000]3.2核反應(yīng)堆壓力容器的疲勞分析3.2.1原理核反應(yīng)堆壓力容器的疲勞分析主要關(guān)注容器在運(yùn)行周期內(nèi)受到的熱應(yīng)力和壓力應(yīng)力。這些應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致材料的微觀損傷累積,最終可能影響容器的安全性。分析中通常會(huì)使用有限元方法來模擬容器的應(yīng)力分布,并結(jié)合材料的疲勞特性進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。3.2.2內(nèi)容熱應(yīng)力和壓力應(yīng)力的計(jì)算通過有限元分析,可以計(jì)算容器在不同運(yùn)行條件下的熱應(yīng)力和壓力應(yīng)力。這包括了容器內(nèi)外壁的溫度差和內(nèi)部壓力。材料疲勞特性的確定需要確定容器材料的疲勞特性,包括S-N曲線和疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線。疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果和材料疲勞特性,使用適當(dāng)?shù)钠诜治龇椒ǎㄈ缇€性斷裂力學(xué))來預(yù)測(cè)容器的疲勞壽命。示例代碼#示例代碼:使用有限元分析計(jì)算核反應(yīng)堆壓力容器的熱應(yīng)力
importfenics
#定義容器幾何和材料屬性
mesh=fenics.UnitSquareMesh(10,10)
V=fenics.FunctionSpace(mesh,'P',1)
u=fenics.TrialFunction(V)
v=fenics.TestFunction(V)
f=fenics.Constant(0)
k=fenics.Constant(1)
bc=fenics.DirichletBC(V,fenics.Constant(0),'on_boundary')
#定義熱傳導(dǎo)方程
a=k*fenics.dot(fenics.grad(u),fenics.grad(v))*fenics.dx
L=f*v*fenics.dx
#求解方程
u=fenics.Function(V)
fenics.solve(a==L,u,bc)
#輸出熱應(yīng)力
print("熱應(yīng)力分布:")
print(u.vector().get_local())3.2.3數(shù)據(jù)樣例容器幾何參數(shù):容器直徑為10米,壁厚為0.5米。材料屬性:熱導(dǎo)率k=15W/(m*K),彈性模量E=200GPa,泊松比ν=0.3。運(yùn)行條件:內(nèi)外壁溫差為100°C,內(nèi)部壓力為15MPa。3.3石油鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)的疲勞評(píng)估3.3.1原理石油鉆井平臺(tái)在海洋環(huán)境中運(yùn)行,會(huì)受到波浪、風(fēng)和水流的動(dòng)態(tài)載荷。疲勞評(píng)估需要分析這些載荷對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的影響,使用有限元分析和疲勞分析方法來預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。3.3.2內(nèi)容動(dòng)態(tài)載荷的模擬通過海洋環(huán)境數(shù)據(jù),可以模擬平臺(tái)在不同條件下的動(dòng)態(tài)載荷。結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析使用有限元分析,計(jì)算平臺(tái)結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)載荷下的應(yīng)力分布。疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)合應(yīng)力分析結(jié)果和材料的疲勞特性,使用適當(dāng)?shù)钠诜治龇椒▉眍A(yù)測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。示例代碼#示例代碼:使用有限元分析計(jì)算石油鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力
importfenics
#定義平臺(tái)結(jié)構(gòu)幾何和材料屬性
mesh=fenics.UnitSquareMesh(10,10)
V=fenics.VectorFunctionSpace(mesh,'P',1)
u=fenics.TrialFunction(V)
v=fenics.TestFunction(V)
f=fenics.Constant((0,-10))
E=fenics.Constant(200e9)
nu=fenics.Constant(0.3)
mu=E/(2*(1+nu))
lmbda=E*nu/((1+nu)*(1-2*nu))
sigma=lmbda*fenics.tr(fenics.grad(u))*fenics.Identity(2)+2*mu*fenics.sym(fenics.grad(u))
#定義應(yīng)力平衡方程
a=fenics.inner(sigma,fenics.grad(v))*fenics.dx
L=fenics.dot(f,v)*fenics.dx
#求解方程
bc=fenics.DirichletBC(V,fenics.Constant((0,0)),'on_boundary')
u=fenics.Function(V)
fenics.solve(a==L,u,bc)
#輸出應(yīng)力分布
print("應(yīng)力分布:")
print(ject(sigma,fenics.TensorFunctionSpace(mesh,'P',1)).vector().get_local())3.3.3數(shù)據(jù)樣例平臺(tái)結(jié)構(gòu)幾何參數(shù):平臺(tái)高度為100米,寬度為50米。材料屬性:彈性模量E=200GPa,泊松比ν=0.3。動(dòng)態(tài)載荷數(shù)據(jù):波浪高度為5米,風(fēng)速為20m/s,水流速度為3m/s。3.4太陽能板支架的疲勞壽命預(yù)測(cè)3.4.1原理太陽能板支架在戶外環(huán)境中運(yùn)行,會(huì)受到風(fēng)、雪和溫度變化的載荷。疲勞壽命預(yù)測(cè)需要分析這些載荷對(duì)支架的影響,使用有限元分析和疲勞分析方法來評(píng)估支架的疲勞壽命。3.4.2內(nèi)容載荷的模擬通過氣象數(shù)據(jù),可以模擬支架在不同條件下的載荷。結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析使用有限元分析,計(jì)算支架在載荷下的應(yīng)力分布。疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)合應(yīng)力分析結(jié)果和材料的疲勞特性,使用適當(dāng)?shù)钠诜治龇椒▉眍A(yù)測(cè)支架的疲勞壽命。示例代碼#示例代碼:使用有限元分析計(jì)算太陽能板支架的應(yīng)力
importfenics
#定義支架幾何和材料屬性
mesh=fenics.UnitSquareMesh(10,10)
V=fenics.VectorFunctionSpace(mesh,'P',1)
u=fenics.TrialFunction(V)
v=fenics.TestFunction(V)
f=fenics.Constant((0,-10))
E=fenics.Constant(200e9)
nu=fenics.Constant(0.3)
mu=E/(2*(1+nu))
lmbda=E*nu/((1+nu)*(1-2*nu))
sigma=lmbda*fenics.tr(fenics.grad(u))*fenics.Identity(2)+2*mu*fenics.sym(fenics.grad(u))
#定義應(yīng)力平衡方程
a=fenics.inner(sigma,fenics.grad(v))*fenics.dx
L=fenics.dot(f,v)*fenics.dx
#求解方程
bc=fenics.DirichletBC(V,fenics.Constant((0,0)),'on_boundary')
u=fenics.Function(V)
fenics.solve(a==L,u,bc)
#輸出應(yīng)力分布
print("應(yīng)力分布:")
print(ject(sigma,fenics.TensorFunctionSpace(mesh,'P',1)).vector().get_local())3.4.3數(shù)據(jù)樣例支架幾何參數(shù):支架長(zhǎng)度為5米,寬度為2米。材料屬性:彈性模量E=200GPa,泊松比ν=0.3。載荷數(shù)據(jù):風(fēng)載荷為100N/m^2,雪載荷為50N/m^2,溫度變化范圍為-20°C至50°C。4實(shí)際能源設(shè)備的疲勞強(qiáng)度計(jì)算案例在能源工程領(lǐng)域,疲勞強(qiáng)度計(jì)算是確保設(shè)備長(zhǎng)期安全運(yùn)行的關(guān)鍵。本節(jié)將通過一個(gè)具體的案例,展示如何對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算。4.1案例背景風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片在運(yùn)行過程中會(huì)受到周期性的風(fēng)載荷作用,這種載荷會(huì)導(dǎo)致葉片材料產(chǎn)生疲勞損傷。為了評(píng)估葉片的疲勞強(qiáng)度,我們采用有限元分析(FEA)結(jié)合雨流計(jì)數(shù)法(RainflowCounting)和Miner線性累積損傷理論進(jìn)行計(jì)算。4.2數(shù)據(jù)準(zhǔn)備假設(shè)我們有以下數(shù)據(jù):-葉片材料屬性:彈性模量E=70GPa,泊松比ν=0.3,屈服強(qiáng)度σy=345MPa。-載荷數(shù)據(jù):從風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行記錄中提取的葉片載荷歷史數(shù)據(jù),包括不同風(fēng)速下的載荷變化。4.3計(jì)算步驟有限元分析:使用有限元軟件(如ANSYS或ABAQUS)建立葉片模型,施加載荷,計(jì)算葉片各點(diǎn)的應(yīng)力。雨流計(jì)數(shù)法:對(duì)計(jì)算得到的應(yīng)力歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,提取應(yīng)力幅和平均應(yīng)力,用于后續(xù)的疲勞分析。S-N曲線:根據(jù)材料的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù),建立S-N曲線,即應(yīng)力幅與壽命的關(guān)系曲線。Miner線性累積損傷理論:計(jì)算每個(gè)應(yīng)力循環(huán)對(duì)材料的損傷程度,累加所有損傷,判斷葉片是否達(dá)到疲勞壽命。4.4代碼示例假設(shè)使用Python進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算,以下是一個(gè)簡(jiǎn)化示例:importnumpyasnp
fromrainflowimportrainflow
#假設(shè)的應(yīng)力歷史數(shù)據(jù)
stress_history=np.array([100,120,80,150,100,120,80,150])
#雨流計(jì)數(shù)法計(jì)算應(yīng)力幅和平均應(yīng)力
ranges,means=rainflow(stress_history)
#S-N曲線參數(shù)(簡(jiǎn)化示例)
defS_N_curve(N):
return100/(N**0.1)
#Miner線性累積損傷理論計(jì)算損傷
defcalculate_damage(ranges,means,S_N):
damage=0
forrange,meaninzip(ranges,means):
stress_amplitude=range/2
ifstress_amplitude>0:
N=S_N_curve(stress_amplitude)
damage+=1/N
returndamage
#疲勞強(qiáng)度計(jì)算
damage=calculate_damage(ranges,means,S_N_curve)
print(f"累積損傷:{damage}")4.4.1代碼解釋應(yīng)力歷史數(shù)據(jù):stress_history數(shù)組模擬了葉片在一段時(shí)
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