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加速疲劳试验的疲劳编辑技术

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加速疲劳试验的疲劳编辑技术 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 加速疲劳试验的疲劳编辑技术 Ian M. A usten 博士 Ian M. A u sten 林晓斌 译     摘要 疲劳编辑技术可用来预估零部件疲劳测试周期, 浓缩载荷信号以 加速在实验室里用单通道、多通道等技术进行的疲劳耐久性试验。结合一个 实例介绍了多种工程上常用的疲劳编辑技术的思路及特点。 ...
加速疲劳试验的疲劳编辑技术
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 加速疲劳试验的疲劳编辑技术 Ian M. A usten 博士 Ian M. A u sten 林晓斌 译     摘要 疲劳编辑技术可用来预估零部件疲劳测试周期, 浓缩载荷信号以 加速在实验室里用单通道、多通道等技术进行的疲劳耐久性试验。结合一个 实例介绍了多种工程上常用的疲劳编辑技术的思路及特点。 关键词 疲劳试验加速 载荷信号浓缩 台架疲劳试验 中国图资料分类法分类号 T P202 收稿日期: 1998—09—03   疲劳试验是产品开发设计阶段的一个重要环 节, 但非常耗时。缩短疲劳试验时间将意味着缩短 产品开发周期、节省资金, 最终提高产品的竞争 力。疲劳编辑技术通常应用疲劳损伤等效原理, 删 除信号中的无损伤部分, 实现试验的加速。 合理的疲劳编辑至少应当具备, ①原始载荷 输入信号和经疲劳编辑后的信号所产生的疲劳总 损伤值基本一致; ②上述两种信号所产生的损伤 分布基本一致。过去, 通过线性放大载荷信号, 或 利用“等效”常幅模拟构造一个等效的常幅载荷谱 来加速疲劳试验是两种诱人的方法, 但这两种方 法通常不符合上面所提到的第二点。最近, 随着计 算机技术的发展, 一些比较合理并且“合法”的疲 劳编辑技术已经被发展, 下面结合一个例子介绍 一些主要方法。 1 实验室模拟 尽管计算机辅助设计已在设计阶段得到 愈来愈广泛的应用, 但用试验验证设计, 建立对新 产品的信心仍然是必需的。 实验室模拟试验机有单通道和多通道之分, 见图1和图2。单通道试验机可用于试样或一些简 图1 单通道模拟试验示意图 单的零部件试验, 而复杂的多通道试验机能对整 个构件同时施加几十个载荷。本文介绍的疲劳编 辑技术对单通道和多通道将区别对待。单通道编 辑通常只对响应信号进行, 因为可以反馈编辑后 的响应信号至驱动器, 通过叠代产生所需的驱动 图2 多通道模拟试验示意图 信号。而多通道的疲劳编辑一般需要同步编辑响 应信号和驱动信号。 为了更好地说明下面的疲劳编辑技术, 本文 使用了一个编辑例子——从一车辆中已采集到4 个车轴位置的加速度信号, 一个支杆关键点附近 的应变响应信号, 见图3。信号长度为39 s, 从1104 km 的典型路面上测得。支杆的材料为 H Y2 PR ESS23, 应力集中系数为1. 35, 用局部应变法 (具有 Sm ith2W atson2Topper, SW T 应力修正) 预 估的关键点疲劳寿命为52 500个信号重复块。 图3 编辑前的响应信号和驱动信号 2 疲劳编辑技术 2. 1 “峰谷”抽取 ·72· 加速疲劳试验的疲劳编辑技术—— Ian M. A usten © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 常规的疲劳分析一般基于循环的概念, 组成 循环主要是信号中的拐点, 因此删除时域信号中 的非拐点通常不影响疲劳损伤结果, 见图4, 但可 以缩短信号的长度, 从而使得试验加速。如果频率 不太重要, 共振疲劳不发生, 那么这一技术既可用 于单通道, 也可用于多通道加载情况。多通道“峰 谷”抽取需要同步抽取所有各个通道 (响应信号和 驱动信号)中的峰谷及其对应点。在进行“峰谷”抽 取时, 可以通过设置门槛值过滤掉一些小的循环, 以进一步压缩信号。合理的门槛值可以通过对响 应信号的疲劳分析进行选取, 其原则是过滤掉非 损伤循环周。 图4 “峰谷”抽取示意图 拐点抽取后的响应信号见图5。结果分别对应 于3种抽取过程: ①单通道无门槛值; ②多通道无 门槛值; ③多通道设门槛值 (门槛值为4513% 的最 大变幅)。可以验证, 从这3个响应信号算得的疲劳 寿命和根据原始信号获得的结果一致。这些经过 拐点抽取后的输出文件, 可用作试验台架试验的 第一个目标。从图5中可以看出, 具有4513% 范围 过滤的多通道拐点抽取技术可使得信号长度大大 缩短, 其加速因子为13. 4。 图5 拐点抽取后的响应信号 (a) 单通道无门槛值  (b) 多通道无门槛值  (c)多通道45% 门槛值 2. 2 设置 SW T 损伤门槛值技术 这一技术当前只适用于用“峰谷”载荷信号进 行的单轴零部件试验。技术思路为, 对响应信号用 考虑应力影响的 SW T 局部应变法进行疲劳分 析; 设置一个 SW T 损伤参量门槛值, 过滤掉小于 该门槛值的疲劳周; 将过滤后的“峰谷”响应信号 反馈至载荷驱动器, 实现试验的加速。SW T 寿命 曲线方程为Ρm axΕa = Ε′f Ρ′f (2N f ) b+ c + Ρ′2fE (2N f ) 2b (1) 式中, Ρm ax 为一个循环中的最大应力; Εa 为循环应 变振幅; Ρm axΕa 为 SW T 参量。 基于上述技术思路, nCode 专门发展了一个 计算机程序[1 ] , 可以自动获得保持100% 或一个指 定百分比的疲劳损伤门槛值, 并直接输出编辑后 的信号。用这一程序对本例中的响应信号进行分 析可知, 原始信号中的1 992个循环对损伤有贡献 的只有8个, 过滤这些无损伤循环周可使得模拟试 验所需时间降低到11 h, 相对于原始响应信号的 加速因子为497。 2. 3 时间关联编辑技术 这一编辑技术同样基于疲劳损伤概念, 其思 路如下: 对响应信号进行应变寿命 (Ε—N ) 或应 力寿命 (S —N ) 分析, 将每一循环周产生的损伤 值对分至组成循环周的“波峰”和“波谷”, 获得一 个叠加后总的时间关联损伤分布图, 见图6。以这 一损伤图为参考, 同步移去响应信号和驱动信号 中的无损伤或损伤小于某一门槛值的时间段, 见 图6。一个信号段删除后, 可能在新的连接处有一 图6 时间关联损伤图 (a)时间损伤图  (b)时间关联损伤图 个突然的信号跳跃, 为了避免这一情况, 一般需要 插入一个递减或连接信号。实践证明, 这一编辑方 法非常有效, 能显著减少疲劳试验时间, 当前已在 疲劳模拟测试试验中得到广泛应用。nCode 已经 ·82· 中国机械工程1998年第9卷第11期 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 专门发展了基于上述原理的计算机商用程序[1 ]。 编辑可以按照损伤保留或试验加速因子自动进 行。程序通过指定一个一定宽度的时间片搜索出 无损伤时间区域。 图7示了本例编辑前后的载荷驱动信号。在 编辑过程中, 一个半正弦波被用来作为连接信号, 损伤保留度取为100% , 即编辑前后损伤一致, 搜 索区域宽度为0. 2 s。值得指出的是, 使用 nSoft2E 也可以对驱动信号进行手动交互编辑[2 ]。 图7 编辑前后驱动信号对比 2. 4 频率关联编辑技术 伺服液压试验机对所模拟信号中的频率一般 有限制, 太高的频率不能实现。但经验表明, 许多 高频信号往往振幅较小, 因此可能是无损伤信号。 鉴别信号中各个频带对损伤的贡献, 可以用来指 导过滤哪些频带使得总的疲劳损伤得以保持。过 滤非损伤频带可以减少试验台的不必要磨损。疲 劳分析可以用来估计信号中一个指定的频带被过 滤后所引起的损伤变化, 这种变化可以用寿命增 加因子或损伤百分比表达。前者为该频带被滤掉 后的信号所引起的损伤与原始信号引起的总损伤 之比; 而后者则为该频带过滤后信号的损伤占原 始信号总损伤的百分比。计算和分析这两个因子 即可进行频率编辑。需要指出, 该技术过滤的是频 率而不是信号中的时间段, 所以不能缩短试验时 间。 nCode 已经发展了一个专门用来计算频率与 损伤关系的程序[1 ]。图8表示了用该程序对本例的 分析结果。可以看出, 移去信号中30~ 40 H z 以及 高于70 H z 的频带将不会对疲劳损伤产生多大影 响。因为这些频带的寿命增加因子为1。利用 nSoft2E 中的Bu tterw o rth 频率过滤模块[2 ] , 可以 将70 H z 以上的频率滤掉, 然后重新用局部应变 法计算过滤后信号的疲劳寿命, 结果为614 000重 图8 频率关联损伤图 复块, 即预测的寿命比原始信号约增加22%。所 以, 正如前面所述, 频率过滤不能缩短试验时间。 2. 5 设置循环幅度门槛值 无论在分析时域信号还是在在线获取数据过 程中, 均可以在雨流循环计数时设置一个合适的 循环幅度门槛值, 将一些小循环过滤掉, 门槛值的 选取应根据前面所述的疲劳损伤等效原则。 2. 6 基于损伤的直方图编辑 用雨流计数法在线记录循环直方图信号在测 试汽车时经常用到, 因为它可以大大节省记录设 备的存储空间。以这一信号作为输入的疲劳编辑 技术已得到了发展, 其思路如下: ①用局部应变法 或名义应力法, 对循环直方图进行疲劳分析, 获得 对应的损伤直方图。图9a、图9b 所示的即为对应 于本例的响应信号循环周数直方图或根据这一直 方图计算的损伤分布直方图; ②比较循环直方图 和损伤直方图, 在循环直方图中将那些无损伤循 环移走 (将循环数置0即可)。图9c 为以变幅为横 坐标的这两个分布的比较, 从中可清楚地看出, 哪 些循环周为非损伤循环周。据此, 可以用 nSoft2E 中的直方图编辑器移走那些非损伤循环; ③根据 编辑后的循环直方图重构一个只有“峰谷”的随机 时域信号[3 ] , 作为载荷控制信号。图10表示了这样 一个重构的应变时域信号。对重构的信号再进行 疲劳计算, 可知疲劳寿命略有增加, 但试验所需的 时间已大大缩短, 加速因子为120。 必须指出, 因为循环直方图信号已不包含时 间因素, 所以无法用它重构实际的时域信号, 上述 技术所获得的只是一个损伤等效的伪随机信号。 根据经验, 这种编辑技术一般能够大大缩短试验 时间, 但只适用于单通道情况。对于时域输入信 号, 上述方法同样可用, 此时, 只需用雨流技术将 它先转化为循环直方图。 2. 7 组合编辑方法 ·92· 加速疲劳试验的疲劳编辑技术—— Ian M. A usten © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图9 循环及损伤直方图 图10 重构的应变信号 将上面所述的方法进行组合通常是可能的。 例如, 先用频率关联编辑方法将试验机不能模拟 的频率滤掉, 然后再用时间关联编辑技术缩短试 验机的加载信号。另外一个比较复杂的组合编辑 应用见文献[ 4 ]。 2. 8 其它方法 疲劳试验前常用的一些信号处理方法, 如减 少采样点, 信号线性平整, 肉眼鉴别删除小幅度信 号段等, 也可作为编辑方法, 但必须验证编辑前后 信号的疲劳损伤值及分布是否一致。 3 编辑结果比较 表1总结了用各种方法对本例进行疲劳编辑 的结果。可以看出, 单通道的试验加速非常显著, 基于 SW T 损伤计算的方法可使加速因子达到 497。除了频率编辑技术, 其它技术都能实现试验 的加速。 表1 编辑结果比较 编辑方法 信号长度3 (点) 预测疲劳寿命 (重复块) (时间) 加速 因子 未编辑 8 000 (39s) 505 000 228d 1 单通道峰谷抽取 3 984 50 5000 113. 5d 2 多通道峰谷抽取 (未设门槛值) 7 448 50 5000 212. 2d 1. 1 多通道峰谷抽取 (门槛值= 45% ) 598 505 000 17d 13. 4 SW T 损伤 16 522 000 11h 497 时间关联编辑3 3 2 002 522 000 59d 3. 86 频率关联编辑 8 000 614 000 277d 0. 82 直方图编辑 44 767 000 1. 9d 1203 1s 信号= 205个信号点; 3 3 搜索区间宽度为0. 2s。 4 结束语 简单介绍了多种试验加速技术, 描述了各自 的特点。这些技术可以总结如下: (1)可以推荐的一般技术 减少采样点、信号 平整、频率过滤、无损伤时间段删除、“峰谷”抽取、 设置循环门槛值。 (2)适用于单通道的技术 时间关联损伤编 辑、SW T 损伤门槛值设置、循环直方图编辑。 (3)适用于多通道的技术 “峰谷”抽取 (可用 于频率不重要但相位重要的情况)、时间关联损伤 编辑。 (4)一种理想的组合编辑 先进行频率 过滤, 再进行时间关联的损伤编辑。 (5)不推荐使用的技术 信号线性放大、“等 效”常幅模拟、从频率谱重构时域信号。 ( 6) nSoft 软件 提供了所有以上推荐编辑 技术所需的计算工具。 参 考 文 献 1 nCode In ternational L td. Fatim as2Edit M anual. 1997. 2 nCode In ternational L td. nSoft2E M anual. 1997. 3  Kho srovaneh A K, Dow ling N E. Fatigue L oading H isto ry R econstruction Based on the R ainflow T ech2 nique. In ternational Journal of Fatigue, 1990, 12: 90~ 106 4 P lask it t R J , 林晓斌. 多通道疲劳试验加速实例. 中国 机械工程, 1998, 9 (11) : 31~ 34 Ian M. Austen 男 英国 nCode 国际有限公司副总裁、nCode 疲 劳学院院长。详见本期第7页。 ·03· 中国机械工程1998年第9卷第11期 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net analysis resu lts. T h is paper b rief ly ou t lines the fa t igue life est im at ion u sing fin ite elem en t analy2 sis resu lts,w ith focu s on variou s m ethods of cal2 cu la t ing elast ic st ressesöst ra in s in componen ts from loading t im e h isto ries, and fu rther est iam t2 ing elast ic2p last ic st ressesöst ra in s from the elas2 t ic ones w ith con sidera t ion of m u lt iax ia l effects. Severa l fa t igue life p redict ion app roaches in M SCöFA T IGU E and their fea tu res are b rief ly described. T he featu res and funct ionality of the M SCöFA T IGU E system are also summ arized in the paper, and fa t igue analysis on a knuck le com 2 ponen t is p resen ted to demon stra te its u se.   Key words: fa t igue design  f in ite elem en t analysis  CA E A Frequency D oma in Approach for Fa tigue L ife Estima tion  Andrew Ha lfpenny (nCode In ter- na tiona l L td. , UK) p 16-19   Abstract: T h is paper w ill review the avail2 ab le m ethods fo r perfo rm ing fa t igue analysis from pow er spectra l den sity (PSD ) and show s that the D irlik m ethod gives the best comparab le resu lts w ith the trad it ional t im e dom ain ap2 p roaches.   Key words: fa t igue analysis   pow er spec2 t ra l den sity    random loading    frequency analysis An Eng ineer ing Approach for the Pred iction of M ultiax ia l Fa tigue L ife  L in X iaob in (nCode In ternat ional L td. , U K ) Peter J. H eyes A ndrzei Buczyn sk iM ike W. B row n p , 20223   Abstract: A m ethod is ou t lined fo r m ak ing low 2cycle fa t igue life p redict ion fo r engineering componen ts sub ject to m u lt iax ia l loading. T he m ethod accep ts m easu red t im e h isto ries from stra in guage ro set tes as inpu ts, ca lcu la tes the e2 last ic2p last ic st resses and stra in s u sing a cyclic p last icity model, and then est im ates the fa t igue life from severa l crit ica l p lane dam age models. T he softw are p rogram developed can handle free su rface fa t igue p rob lem s, and its app lica t ion is il2 lu st ra ted th rough analysis of a typ ica l au tomo2 t ive componen t.   Key words: m u lt iax ia l fa t igue  non2p ro2 p ro t ional loading  fa t igue life  local st ra in app roach A Veh icle Prov ing Test Procedure with Custom er Correla tion  D avid F. En so r (nCode In terna2 t ional L td. ,U K) p 24226   Abstract: T radit ional p roving test p roce2 du res and their basis are b rief ly review ed A p ro2 cedu re tak ing in to accoun t cu stom er u sage is then described. T he techn ique p ropo rt ionally su2 perpo ses“standard”cyclic loading inpu ts to veh i2 cle m easu red in variou s test t rack s and even ts to m atch clo sely to a cu stom er p rofile, w h ich re2 qu ires the loading m easu rem en ts in the cu stom er environm en t. T he co rrela t ion softw are developed by nCode In ternat ional is a lso described and their fea tu res are summ arized in th is paper.   Key words: p roving test cu stom er co rrela2 t ion data m an ipu la t ionø accelera ted test ing Fa tigue Ed iting Techn iques for the Accelera tion of Fa tigue Testing  Ian M. A u stem (nCode IN 2 ternat ional L td. ,U K) p 27230   Abstract: Fat igue edit ing techn ique can be u sed fo r p redict ing the du ra t ion of componen t fa2 t igue tests, and fo r sho rten ing the t im e h isto ry signals so that the fa t igue du rab ility sim u la t ion u sing single o r m u lt ip le channel test rigs in the labo ra to ry cou ld be accelera ted. U sing a p ract ica l examp le, th is paper ou t lines the p rincip les and featu res of variou s fa t igue edit ing techn iques common ly u sed in engineering.   Key words: fa t igue test accelera t ion signal reduct ion rig test A Ca se Study for Accelera ting theM ulti-Channel Fa tigue Test Robert J. P lask it t (nCode In terna2 t ional L td. ,U K) p 31234   Abstract   T h is case study look s at the st ra teg ies fo r sho rten ing the du ra t ion of a fa2 t igue test and the w ider imp lica t ion s of u sing nCode FA T IM A S2ED IT in the p roduct develop2 m en t cycle, In part icu lar, the benefits of link ing design analysis and test w hen con sidering fa t igue are h igh ligh ted as part of the " In tegraed D u ra2 b ility M anagem en t"p rocess. V ariou s fa t igue edit2 ing stra teg ies are exp lo red h igh ligh t ing the im 2 po rtance of select ing a m ethod w h ich m eets the engineering requ irem en ts.   Key words: fa t igue edit ing rig test accel2 era t ion test ing An Eng ineer ing Approach for the Pred iction of Spot-weld Fa tigue L ife Peter J. H eyes (nCode In ternat ional L td. ,U K) M ikael Fermér p 35238 ·2· CH INA M ECHAN ICAL EN G IN EER IN G vo l. 11,N o. 11, 1998
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