CN105784339B - 非线性结构零件损伤循环计数方法及其疲劳寿命分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了非线性结构零件损伤循环计数方法及其疲劳寿命分析方法，属于零件疲劳寿命分析领域，其解决了现有非线性结构零件在多轴随机载荷下无法预测其疲劳寿命的问题。本发明的循环计数方法包括：1)采集多轴随机载荷并建立载荷谱；2)对载荷谱逐点进行采样，形成一个包含方向和大小的载荷空间矢量；3)建立空间坐标系，将步骤2)中载荷空间矢量归并到等角度间隔的若干个方向，在各个方向按矢量的时间顺序形成该方向上的单轴载荷谱；4)计算步骤3)中单轴载荷谱下的主应变或主应力，形成应变谱或者应力谱；6)对步骤5)中应变谱或应力谱进行循环计数。本发明能够准确预测非线性结构零件在多轴随机载荷下的疲劳寿命，分析效率高。

Description

非线性结构零件损伤循环计数方法及其疲劳寿命分析方法

技术领域

本发明属于零件疲劳寿命分析领域，具体地说，涉及非线性结构零件损伤循环计数方法及其疲劳寿命分析方法。

背景技术

非线性结构零件如橡胶隔振器或者密封器，在实际工况中承受复杂的载荷，载荷一般是多轴变幅随机载荷，在这种交变的载荷作用下，橡胶部件很容易产生疲劳破坏，影响其使用，对采用该橡胶部件的整个系统产生很大的影响。针对金属材料的循环计数已经提出了较多，最常用的为雨流计数法，可以处理单轴载荷或者多轴比例载荷；Wang-Brown法是比较常用的多轴随机谱的载荷计数方法，在金属材料的疲劳载荷谱的处理上得到了一定的应用，由于橡胶材料和金属材料的损伤机理不同，该方法尚不能直接用于橡胶材料。同时上述循环计数方法是对应变谱的计数，对于金属材料，该方法同样适用于载荷循环计数，但由于橡胶材料的非线性，该方法不适用。

中国专利申请号200910054257.4，公开日2009年12月2日的专利申请文件，公开了一种预测汽车后悬架多轴疲劳的方法，基于单轴循环应力应变关系进行后悬架弹塑性有限元分析，并对后悬架进行二轴性分析，确定后悬架承受多轴非比例载荷状态，并确定其可能的裂纹扩展形式，选择选用基于临界面法的BANNANTINE模型和WANG-BROWN模型进行测试后悬架的多轴疲劳寿命。该发明的优点是避免了传统的单轴疲劳寿命测试中不能真实考虑汽车后悬架的实际载荷状态，考虑了后悬架结构非线性因素、橡胶连接件的非线性因素、车轮轮胎的非线性因素、轮胎和地面接触条件等，提高计算精度。

中国专利申请号201210353293.2，公开日2014年3月26日的专利申请文件，公开了一种车用发动机载荷谱编制方法，主要由以下步骤组成：基准参数选取、峰谷值检测、小载荷去除、多参数峰谷值计数、发动机载荷序列谱、载荷过渡时间矩阵、载荷保持时间矩阵、发动机载荷时间谱。该发明可以解决车用发动机载荷谱编制，将载荷谱作为发动机设计、试验、定型、定寿和延寿的规范的技术问题。

上述两份专利申请公开的技术方案都是针对金属材料进行的载荷循环计数，至今为止，尚没有针对橡胶材料等非线性结构零件在多轴随机载荷下的应变循环计数方法，无法实现多轴随机工况下的橡胶部件的疲劳寿命分析，严重地影响了橡胶部件的设计和使用，导致橡胶零件不能满足各种交通运输工具、机械设备设计的需要。

发明内容

1、要解决的问题

针对现有非线性结构零件在多轴随机载荷下无法预测其疲劳寿命，导致非线性结构零件使用范围受限的问题，本发明提供非线性结构零件损伤循环计数方法及其疲劳寿命分析方法，能够准确预测非线性结构零件在多轴随机载荷下的疲劳寿命，分析效率高，精度高，为非线性结构零件在设计使用上扫除了障碍，有利于非线性结构零件的推广使用。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

非线性结构零件损伤循环计数方法，包括如下步骤：

1)采集非线性结构零件使用中受到的多轴随机载荷，并建立载荷谱；

2)对步骤1)中载荷谱逐点进行采样，将相同时刻的载荷合成为总的载荷，标记为一个包含方向和大小的载荷空间矢量；

3)建立空间坐标系，将步骤2)中载荷空间矢量归并到等角度间隔的若干个方向，在各个方向按矢量的时间顺序形成该方向上的单轴载荷谱；

4)计算步骤3)中单轴载荷谱下的主应变/主应力；

5)将步骤4)中获得的主应变/主应力按照步骤3)中的方法形成应变谱/应力谱；

6)对步骤5)中应变谱/应力谱进行循环计数。

优选地，所述的步骤1)中载荷谱是非线性结构零件某一方向及该方向附近所承受的随时间变化的载荷历程。

优选地，所述的步骤3)中归并载荷空间矢量的具体方法为：将空间坐标系等角度分为若干个方向，落在各方向区间内的载荷空间矢量合并到邻近的方向上，形成若干方向上的单轴载荷谱。

优选地，所述的若干方向上的单轴载荷谱通过比较载荷幅值大小、滤掉较小幅值的循环、合并对称方向的载荷，进一步缩减单轴载荷谱的方向数目。

优选地，所述的步骤4)中具体计算方法为：按坡道加载的方法对单轴载荷谱进行一次最大幅值的循环加载分析，获取从载荷最小值到最大值、一定间隔上载荷作用下的载荷值-结构响应的对应关系，按照单轴载荷谱，根据载荷值-结构响应的对应关系，计算出载荷作用下，结构表面各点的三个或两个主应变/主应力。

优选地，所述的步骤5)中按照步骤3)中的方法，将主应变/主应力作为矢量，再按一定角度将主应变/主应力矢量归并到等角度间隔的若干个方向上，然后在这些方向上对载荷进行计数，获得三个或两个主应变/主应力在各个方向上的应变谱/应力谱。

优选地，所述的步骤3)中归并载荷空间矢量的具体方法为：将空间坐标系按10°等分为36个方向，落在各方向区间内的载荷空间矢量合并到邻近的方向上，形成36个方向上的单轴载荷谱。

优选地，所述的36个方向上的单轴载荷谱通过载荷幅值大小，滤掉较小幅值的循环，合并对称方向的载荷，进一步缩减单轴载荷谱的方向数目为18。

优选地，所述的步骤4)中具体计算方法为：按坡道加载的方法对单轴载荷谱进行一次最大幅值的循环加载分析，获取从载荷最小值到最大值、一定间隔上载荷作用下的载荷值-结构响应的对应关系，按照单轴载荷谱，根据载荷值-结构响应的对应关系，计算出载荷作用下，结构表面各点的三个主应力，按照步骤3)中的方法，将主应力作为矢量，再按一定角度将主应力矢量归并到等角度间隔的若干个方向上，然后在这些方向上对载荷进行计数，获得三个主应变在各个方向上的应力谱。

非线性结构零件疲劳寿命分析方法，包括上述非线性结构零件损伤循环计数方法。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明能够实现橡胶类非线性结构的多轴随机载荷谱的循环计数，通过将多轴随机载荷转为空间矢量在若干个方向上的单轴随机载荷，将单轴随机载荷转化为若干个单轴的主应变谱；由于是在主应变方向讨论损伤，多轴载荷下的疲劳参数可直接通过多轴疲劳加载实验拟合得到；该方法具有计算效率高，切实可行的特点；

(2)本发明步骤4)中如按照雨流计数法进行计数，计数前首先滤除低幅值波，由于橡胶材料的非线性和结构的非线性，直接采用雨流计数得出不同循环的主应变方向不一致，即对应的危险面很多，需要对每一种循环单独分析，在数量众多的危险面上计算和累积损伤，计算量太大，不容易在工程中实用，故本发明解决了上述问题，起到了计算量小、计算精确、效率高，容易在工程实用中推广的效果；

(3)本发明实现了多轴随机载荷工况下的橡胶部件等非线性结构的疲劳寿命分析，对橡胶部件等非线性结构的设计和使用起到了重要参考作用，使之能够满足各种交通运输工具、机械设备设计的需要。

附图说明

图1是一个两维随机载荷谱的示意图；

图2是载荷谱的按方向分解的原理图；

图3是计算流程图。

图中：1、2、3、4为载荷谱中的对应点。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1

本实施例对一种橡胶零件在二轴载荷作用下进行损伤循环计数。

一种橡胶零件损伤循环计数方法，包括如下步骤：

1)采集橡胶零件在使用中受到的二轴随机载荷，并建立如图1所示的一个二轴随机载荷谱，x方向载荷和y方向载荷，随着时间在各自变化，如果一个橡胶零件受此二轴随机载荷，将有可能发生疲劳破坏，为计算橡胶构件在此载荷谱下的寿命，需要对该载荷谱进行分解；

2)对图1所示载荷谱逐点进行采样，将相同时刻的载荷合成为总的载荷，标记为一个包含方向和大小的载荷空间矢量；

3)如图2所示，建立二维坐标系，将步骤2)中载荷空间矢量归并到等角度间隔的若干个方向，在各个方向按矢量的时间顺序形成该方向上的单轴载荷谱；具体方法为：将空间坐标系等角度分为若干个方向，落在各方向区间内的载荷空间矢量合并到邻近的方向上，形成若干方向上的单轴载荷谱；本实施例中按30度间隔将空间划分为12个区域(作为一个具体的实施例，此处按30度间隔划分，可以根据计算的精度和计算的效率选用其它角度)，落在区域上的矢量按就近原则归并到分割线上，对载荷谱进行逐点采样，就在分割线上得到一系列的点，如图中0度分割线上的点1、点2、点3和点4；在同一分割线上的点按时间先后形成了一个新的单向载荷谱；如在0度分割线的点形成0度方向的载荷谱，30度分割线的点形成30度方向的载荷谱；至此一个二维的随机载荷谱被拆分成6个方向上的载荷谱(正、负向分割线在一条直线上的，实际可看作一个方向)：0度、30度、60度、90度、120度、150度，6个方向的单轴载荷谱；

如图2中的阈值线以内的矢量可以忽略掉，该阈值线对应材料的疲劳极限载荷；均值较大，但幅值很小的载荷循环也可以过滤掉；这时可以在各个方向对载荷进行循环计数，譬如采用雨流计数法形成完整循环的计数，如图3中的虚线箭头所示流程；但这种方法计数后循环的幅值、均值的大小仍然很分散；本发明另外提出步骤4)所示解决方案：

4)计算步骤3)中单轴载荷谱下的主应变，具体为：找出某方向的载荷的最小值和最大值，然后通过仿真模拟载荷从最小值逐步加载到最大值这一过程，得出从最小值到最大值一些列载荷值上的结构响应，譬如最小载荷是-4000N，最大载荷是3000N，经过仿真得到-4000N、-3000N、-2000N、-1000N、0N、1000N、2000N、3000N载荷的结构响应，然后使用这些载荷值通过插值近似得到载荷谱上载荷对应的结构响应，求得这些载荷值下的结构内部应变；按照载荷谱上载荷的时间顺序，将结构上每点的主应变(每个点共三个主应变，但大多数疲劳问题只考虑两个就行)作为矢量画到矢量空间上；

5)将步骤4)中获得的主应变按照步骤3)中同样的方法，将主应变作为矢量，再按一定角度归并到等角度间隔的若干个方向上，然后在这些方向上对载荷进行计数，形成结构零件每个点上三个主应变各自在若干个方向上的应变谱；

6)将步骤5)中获得的应变谱进行循环计数，具体是：对这些应变谱进行循环计数，如按照雨流法进行计数，得到各个方向的应变循环，将这些循环计数；

一种橡胶零件疲劳寿命分析方法，根据上述循环计数方法获得循环计数结果，使用最大主应变的损伤参数，形成损伤参数时间历程，实现疲劳寿命预测，计算出该循环的损伤并累积即可计算寿命。

本发明能够实现橡胶类非线性结构的多轴随机载荷谱的循环计数，通过将多轴随机载荷转为空间矢量在若干个方向上的单轴随机载荷，将单轴随机载荷转化为若干个单轴的主应变谱；由于是在主应变方向讨论损伤，多轴载荷下的疲劳参数可直接通过多轴疲劳加载实验拟合得到；该方法具有计算效率高，切实可行的特点。

实施例2

一种橡胶零件损伤循环计数方法，与实施例1相同，所不同的是：

步骤3)中建立二维坐标系，将矢量的空间坐标系按一定间隔划分，本实施例中按10度间隔将空间划分为36个区域，落在区域上的矢量按就近原则归并到分割线上，对载荷谱进行逐点采样，就在分割线上得到一系列的点，在同一分割线上的点按时间先后形成了一个新的单向载荷谱；如在0度分割线的点形成0度方向的载荷谱，30度分割线的点形成30度方向的载荷谱；至此一个两维的随机载荷谱被拆分成18个方向上的载荷谱(正、负向分割线在一条直线上的，实际可看做一个方向)：0度、10度、20度、30度……160度、170度，18个方向的单轴载荷谱；

4)计算步骤3)中单轴载荷谱下的应变谱，具体为：按坡道加载的方法对单轴载荷谱进行一次最大幅值的循环加载分析，获取从载荷最小值到最大值、一定间隔上载荷作用下的载荷值-结构响应的对应关系，按照单轴载荷谱，根据载荷值-结构响应的对应关系，计算出载荷作用下，结构表面各点的两个主应力，按照步骤3)中的方法，将主应力作为矢量，在按一定角度将主应力矢量归并到等角度间隔的若干个方向上，然后在这些方向上对载荷进行计数，获得两个主应变在各个方向上的应力谱；

5)将步骤4)中获得的应变谱进行循环计数，具体是：对这些应力谱进行循环计数，本实施例中采用临界面法，只需考虑损伤最大的方向，进行计数，得到各个方向的应力循环，将这些循环计数；

一种橡胶零件疲劳寿命分析方法，根据上述循环计数方法获得循环计数结果，使用应变能密度的损伤参数，形成损伤参数时间历程，实现疲劳寿命预测，计算出该循环的损伤并累积即可计算寿命。

Claims (9)

1.非线性结构零件损伤循环计数方法，包括如下步骤：

1)采集非线性结构零件使用中受到的多轴随机载荷，并建立载荷谱；

2)对步骤1)中载荷谱逐点进行采样，将相同时刻的载荷合成为总的载荷，标记为一个包含方向和大小的载荷空间矢量；

3)建立空间坐标系，将步骤2)中载荷空间矢量归并到等角度间隔的若干个方向，在各个方向按矢量的时间顺序形成该方向上的单轴载荷谱；

4)计算步骤3)中单轴载荷谱下的主应变/主应力；

5)将步骤4)中获得的主应变/主应力按照步骤3)中的方法，将主应变/主应力作为矢量，再按一定角度将主应变/主应力矢量归并到等角度间隔的若干个方向上，然后在这些方向上对载荷进行计数，获得三个或两个主应变/主应力在各个方向上的应变谱/应力谱；

6)对步骤5)中应变谱/应力谱进行循环计数。

2.根据权利要求1所述的非线性结构零件损伤循环计数方法，其特征在于：所述的步骤1)中载荷谱是非线性结构零件某一方向及该方向附近所承受的随时间变化的载荷历程。

3.根据权利要求1所述的非线性结构零件损伤循环计数方法，其特征在于：所述的步骤3)中归并载荷空间矢量的具体方法为：将空间坐标系等角度分为若干个方向，落在各方向区间内的载荷空间矢量合并到邻近的方向上，形成若干方向上的单轴载荷谱。

4.根据权利要求3所述的非线性结构零件损伤循环计数方法，其特征在于：所述的若干方向上的单轴载荷谱通过比较载荷幅值大小、滤掉较小幅值的循环、合并对称方向的载荷，进一步缩减单轴载荷谱的方向数目。

5.根据权利要求4所述的非线性结构零件损伤循环计数方法，其特征在于：所述的步骤4)中具体计算方法为：按坡道加载的方法对单轴载荷谱进行一次最大幅值的循环加载分析，获取从载荷最小值到最大值、一定间隔上载荷作用下的载荷值-结构响应的对应关系，按照单轴载荷谱，根据载荷值-结构响应的对应关系，计算出载荷作用下，结构表面各点的三个或两个主应变/主应力。

6.根据权利要求3所述的非线性结构零件损伤循环计数方法，其特征在于：所述的步骤3)中归并载荷空间矢量的具体方法为：将空间坐标系按10°等分为36个方向，落在各方向区间内的载荷空间矢量合并到邻近的方向上，形成36个方向上的单轴载荷谱。

7.根据权利要求6所述的非线性结构零件损伤循环计数方法，其特征在于：所述的36个方向上的单轴载荷谱通过载荷幅值大小，滤掉较小幅值的循环，合并对称方向的载荷，进一步缩减单轴载荷谱的方向数目为18。

8.根据权利要求7所述的非线性结构零件损伤循环计数方法，其特征在于：所述的步骤4)中具体计算方法为：按坡道加载的方法对单轴载荷谱进行一次最大幅值的循环加载分析，获取从载荷最小值到最大值、一定间隔上载荷作用下的载荷值-结构响应的对应关系，按照单轴载荷谱，根据载荷值-结构响应的对应关系，计算出载荷作用下，结构表面各点的三个主应力/应力谱。

9.非线性结构零件疲劳寿命分析方法，其特征在于：包括权利要求1所述的非线性结构零件损伤循环计数方法。