CN102737148B - 一种将路谱缩减为模式块循环矩阵的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种将路谱缩减为模式块循环矩阵的方法，包括以下步骤：检查路谱，根据载荷路谱创建损伤矩阵，判断载荷路谱中三个通道载荷的相位关系，将载荷路谱分为有相位关系的载荷路谱和无相位关系的载荷路谱；在损伤矩阵基础上分别建立有相位关系的载荷路谱的损伤矩阵和无相位关系载荷路谱的损伤矩阵；将有相位关系的载荷路谱的损伤矩阵编辑为多轴模式块循环矩阵，将无相位关系的载荷路谱的损伤矩阵编辑为单轴模式块循环矩阵；将多轴模式块循环矩阵和单轴模式块循环矩阵合并得到模式块循环矩阵；将模式块循环矩阵进行统计后设定模式块循环矩阵的总循环次数；完成循环后得到模式块循环矩阵；优点是保证了路谱的真实性，节省了资源，降低了成本。

Description

一种将路谱缩减为模式块循环矩阵的方法

技术领域

本发明涉及一种路谱处理方法，尤其是涉及一种将路谱缩减为模式块循环矩阵的方法。

背景技术

路谱，即道路路面谱，指的是路面不平度的功率谱密度曲线。对于汽车行业，汽车上的许多部件都会产生动态应力，引起疲劳损伤，形成疲劳断裂。因此路谱的采集和处理，为工程师在实验室和多体动力学的仿真分析提供了可靠数据支持，从而使工程师对汽车部件的疲劳寿命做出准确的预测和判断。

一般来说，采集的路谱需要通过处理才能应用到仿真分析和实验室中，所以如何科学真实地处理好路谱将直接影响试验结果与实际效果的一致性。通常，处理路谱的方法有两种：第一种是定载荷幅值法，即依据路谱中的载荷信息，结合工程师个人经验选定一个恒定载荷值，用于零件的疲劳试验；第二种是路谱迭代模拟法，即将采集的路谱经过简单的筛选，采用迭代的方法在实验室中进行疲劳试验。上述第一种方法虽然能快速找到疲劳失效区域，但试验的准确度较低，个人经验因素较多，主观性太强；而第二种方法能真实体现零件的实际受载情况，但试验周期较长，一般一个周期需要一个月以上，成本高，资源利用率低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种准确度高，成本低，资源利用率高的将路谱缩减为模式块循环矩阵的方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种将路谱缩减为模式块循环矩阵的方法，包括以下步骤：

①检查路谱，获取适用于实验室和仿真分析的载荷路谱；

②根据载荷路谱创建损伤矩阵，并同时判断载荷路谱中三维坐标系中沿X轴方向、Y轴方向和Z轴方向三个通道载荷的相位关系，将载荷路谱分为有相位关系的载荷路谱和无相位关系的载荷路谱；

③在损伤矩阵基础上分别建立有相位关系的载荷路谱的损伤矩阵和无相位关系载荷路谱的损伤矩阵；

④应用损伤等效的方法将有相位关系的载荷路谱的损伤矩阵编辑为多轴模式块循环矩阵，将没有相位关系的载荷路谱的损伤矩阵编辑为单轴模式块循环矩阵；

⑤将多轴模式块循环矩阵和单轴模式块循环矩阵合并得到模式块循环矩阵；

⑥将步骤⑤中得到的模式块循环矩阵进行统计，根据统计结果设定模式块循环矩阵的总循环次数；

⑦循环重复步骤④和步骤⑤，并判定是否达到总循环次数，如果没有达到，则继续循环，如果达到，则将步骤⑤中的模式块循环矩阵输出，得到最终的模式块循环矩阵。

所述的步骤②中创建损伤矩阵包括以下步骤：

②-①应用雨流计数法将输入的载荷路谱进行统计，建立载荷雨流矩阵；

②-②将载荷雨流矩阵转换为位移矩阵，并对需要考察的零件进行有限元分析，得到相应的应变寿命曲线；

②-③根据位移矩阵、有限元分析结果和应变寿命曲线创建损伤矩阵。

所述的步骤②中采用线性回归方法来判断载荷路谱中三个通道载荷的相位关系。

所述的步骤⑥中的总循环次数为200000-300000。

与现有技术相比，本发明的优点在于根据载荷路谱创建损伤矩阵，在损伤矩阵基础上分别建立有相位关系的载荷路谱的损伤矩阵和无相位关系载荷路谱的损伤矩阵，并应用损伤等效的方法将有相位关系的载荷路谱的损伤矩阵编辑为多轴模式块循环矩阵，将没有相位关系的载荷路谱的损伤矩阵编辑为单轴模式块循环矩阵；然后将多轴模式块循环矩阵和单轴模式块循环矩阵合并得到模式块循环矩阵；并根据模式块循环矩阵的统计结果设定模式块循环矩阵的总循环次数；经过循环最后将路谱缩减为模式块循环，有效的保证了路谱的真实性，大量减少了试验时间，节省了资源，降低了成本；

当采用线性回归方法来判断载荷路谱中三个通道载荷的相位关系时，计算过程简单，可以方便的得到三个通道载荷的相位关系；

当总循环次数设定为200000-300000时，在保证体现零件的实际路谱特性的基础上，还可以有效控制试验时间，节省资源，降低成本。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为雨流计数法原理图；

图3为载荷雨流矩阵示意图；

图4为损伤矩阵示意图；

图5为三个通道载荷的相位关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，一种将路谱缩减为模式块循环矩阵的方法，包括以下步骤：

①检查路谱，获取适用于实验室和仿真分析的载荷路谱；

②根据载荷路谱创建损伤矩阵，并同时判断载荷路谱中三个通道载荷的相位关系，将载荷路谱分为有相位关系的载荷路谱和无相位关系的载荷路谱；

③在损伤矩阵基础上分别建立有相位关系的载荷路谱的损伤矩阵和无相位关系载荷路谱的损伤矩阵；

④应用损伤等效的方法将有相位关系的载荷路谱的损伤矩阵编辑为多轴模式块循环矩阵，将没有相位关系的载荷路谱的损伤矩阵编辑为单轴模式块循环矩阵；

⑤将多轴模式块循环矩阵和单轴模式块循环矩阵合并得到模式块循环矩阵；

⑥将步骤⑤中得到的模式块循环矩阵进行统计，根据统计结果设定模式块循环矩阵的总循环次数；

⑦循环重复步骤④和步骤⑤，并判定是否达到总循环次数，如果没有达到，则继续循环，如果达到，则将步骤⑤中的模式块循环矩阵输出，得到最终的模式块循环矩阵。

由于路谱一般是由主机厂安排专业的工程师在试车场进行采集获得的，而不同的主机厂所采集的路谱有一定差异，所以需要首先对采集的路谱进行检查，以确定输入的路谱是否适用于实验室和仿真分析。

上述具体实施例中，步骤②中创建损伤矩阵包括以下步骤：

②-①应用雨流计数法将输入的载荷路谱进行统计，建立载荷雨流矩阵；

②-②将载荷雨流矩阵转换为位移矩阵，并对需要考察的零件进行有限元分析，得到相应的应变寿命曲线；

②-③根据位移矩阵、有限元分析结果和应变寿命曲线创建损伤矩阵。

雨流计数法是变程计数法的一种，目前被广泛应用于疲劳设计和疲劳试验中；如图2所示，每个Block(模式块)，一般包含多个Cycle(循环)，Block载荷的大小由谷的高度(Range值)和谷的深度(Mean值)共同确定，在一定区域内动态变化。雨流计数法统计输入的载荷路谱的过程为：首先提取波峰峰谷值(图2(a))，然后从绝对值最大的点开始重组生成时域谱(图2(b))，接着从上方倒水填满整个区域(图2(c))，从最低的谷开始抽取填充的水，抽空部分为一个载荷(图2(d))，继续从最低的谷抽水(图2(e))，得到雨流计数结果，如表一所示。

表一：雨流计数结果

每个谷的高度	每个谷的深度	相同载荷出现的次数
			450	225	1
50	150	1
			100	300	2

图3为通过雨流计数法得到的载荷雨流矩阵的示意图，其中将载荷雨流矩阵转换成位移矩阵，并对需要考察的零件进行有限元分析，得到相应的应变寿命曲线，根据位移矩阵，有限元分析结果和应变寿命曲线创建的损伤矩阵如图4所示。

上述具体实施例中，步骤②中采用线性回归方法来判断载荷路谱中三个通道载荷的相位关系。在每段路谱中，受载零件都包括X/Y/Z三个通道的载荷，因此需要考虑多方向载荷的耦合情况。通常在考虑载荷耦合时，一般应用线性回归的方法，计算相关系数R-Square来确定通道之间的耦合情况。线性回归一般通过最小二乘法求得方程，类似于y＝bx+a直线，其经验拟合方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}b=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i-1}^n(x_i-\stackrel{\‾}{x_i})(y_i-\stackrel{\‾}{y_i})}{{\mathrm{\Σ}}_{i-1}^n{(x_i-\stackrel{\‾}{x_i})}^2}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i-1}^n{x}_i{y}_i-n\stackrel{\‾}{x_i}\stackrel{\‾}{y_i}}{{\mathrm{\Σ}}_{i-1}^n{x_i}^2-n{{\stackrel{\‾}{x}}_i}^2}\\ a=\stackrel{\‾}{y_i}-b\stackrel{\‾}{x_i}\end{array}\right.$

其中，a和b是最小二乘法的估计参数，x_i、y_i是测试数据的第i个值，是x_i的拔，是y_i的拔，n是自然数。相关系数(R-Square)的计算公式如下：

$R^2={\left(\frac{\frac{\mathrm{\Σ}(x-\stackrel{\‾}{x})(y-\stackrel{\‾}{y})}{n}}{\sqrt{\frac{\mathrm{\Σ}{(x-\stackrel{\‾}{x})}^2}{n}}\×\sqrt{\frac{\mathrm{\Σ}{(y-\stackrel{\‾}{y})}^2}{n}}}\right)}^2={\left(\frac{\mathrm{\Σ}(x-\stackrel{\‾}{x})(y-\stackrel{\‾}{y})}{\sqrt{\mathrm{\Σ}{(x-\stackrel{\‾}{x})}^2}\×\sqrt{\mathrm{\Σ}{(y-\stackrel{\‾}{y})}^2}}\right)}^2$

x是自变量，y是因变量，是x的拔(平均数)，是y的拔(平均数)，n是自然数，表示自变量和因变量的个数，R表示相关系数。相关系数R是介于0-1之间的一个值，这个值越接近1，其通道间的耦合程度越高。一般R-Square值大于0.8时，就需要考虑相位耦合。受载零件都包括X/Y/Z三个通道的载荷的相位关系示意图如图5所示，其中图5(a)为R小于0.8时X/Y/Z三个通道的载荷的相位关系，图5(b)为R大于0.8时X/Y/Z三个通道的载荷的相位关系。在得到受载零件三个通道的载荷相位关系后，在此基础上按照相关工况的次数分别建立有相位关系的载荷路谱的损伤矩阵和无相位关系载荷路谱的损伤矩阵。

上述具体实施例中，步骤④主要是进行模式块循环的损伤等效与合并，其应用损伤等效的方法将有相位关系的载荷路谱的损伤矩阵编辑为多轴模式块循环矩阵，将没有相位关系的载荷路谱的损伤矩阵编辑为单轴模式块循环矩阵。这里应用的损伤等效方法基于线性疲劳累积损伤理论，即假定材料在各个应变水平下的疲劳损伤是独立进行的，总损伤可以线性叠加，公式如下：

$\mathrm{EstCoun}{t}_{R,M}=\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{Dam}}_{\mathrm{Camp}}}{{\mathrm{Dcmage}}_{R,M}/{\mathrm{Counts}}_{R,M}}$

其中，Count_R，M是等效目标模式块的循环次数，Damage_R，M是等效目标模式块的总损伤，∑Dam_C amp是需要损伤等效的模式块的总损伤，EstCount_R，M需要损伤等效的模式块的总损伤等效为目标模式块的循环次数。

上述具体实施例中，步骤⑥中的总循环次数为200000-300000。

Claims (4)

1.一种将路谱缩减为模式块循环矩阵的方法，其特征在于包括以下步骤：

①检查路谱，获取适用于实验室和仿真分析的载荷路谱；

②根据载荷路谱创建损伤矩阵，并同时判断载荷路谱中三维坐标系中沿X轴方向、Y轴方向和Z轴方向三个通道载荷的相位关系，将载荷路谱分为有相位关系的载荷路谱和无相位关系的载荷路谱；

③在损伤矩阵基础上分别建立有相位关系的载荷路谱的损伤矩阵和无相位关系载荷路谱的损伤矩阵；

④应用损伤等效的方法将有相位关系的载荷路谱的损伤矩阵编辑为多轴模式块循环矩阵，将没有相位关系的载荷路谱的损伤矩阵编辑为单轴模式块循环矩阵；

⑤将多轴模式块循环矩阵和单轴模式块循环矩阵合并得到模式块循环矩阵；

⑥将步骤⑤中得到的模式块循环矩阵进行统计，根据统计结果设定模式块循环矩阵的总循环次数；

⑦循环重复步骤④和步骤⑤，并判定是否达到总循环次数，如果没有达到，则继续循环，如果达到，则将步骤⑤中的模式块循环矩阵输出，得到最终的模式块循环矩阵。

2.根据权利要求1所述的一种将路谱缩减为模式块循环矩阵的方法，其特征在于所述的步骤②中创建损伤矩阵包括以下步骤：

②-①应用雨流计数法将输入的载荷路谱进行统计，建立载荷雨流矩阵；

②-②将载荷雨流矩阵转换为位移矩阵，并对需要考察的零件进行有限元分析，得到相应的应变寿命曲线；

②-③根据位移矩阵、有限元分析结果和应变寿命曲线创建损伤矩阵。

3.根据权利要求1所述的一种将路谱缩减为模式块循环矩阵的方法，其特征在于所述的步骤②中采用线性回归方法来判断载荷路谱中三个通道载荷的相位关系。

4.根据权利要求1所述的一种将路谱缩减为模式块循环矩阵的方法，其特征在于所述的步骤⑥中的总循环次数为200000-300000。