CN108007802A - 一种基于快速傅里叶变换的材料动态疲劳测试系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于快速傅里叶变换的材料动态疲劳测试系统及方法，一种基于快速傅立叶变换的动态疲劳测试方法，实现该方法的测试系统包括材料动态疲劳测试装置、高频响力信号和位移信号产生器和高速数据采集装置；该系统的软件部分包含提取材料的疲劳测试频率、计算材料的损失因子和单周期能量损失。本发明的测试方法不需要数以万次的疲劳实验破坏试样得到疲劳结果，可以实现实时的精准的力‑位移疲劳测试，减少了实验周期，节省实验时间，并且能够模拟现在多功能材料高频率应用环境；可以实时分析得到多功能材料的粘弹性性能及其能量损耗圆；本发明既适用于橡胶复合材料拉伸、剪切、扭转的性能测试，也适应于其它材料的高速疲劳特性的测试。

Description

一种基于快速傅里叶变换的材料动态疲劳测试系统及方法
技术领域
本发明涉及一种基于快速傅里叶变换的多功能材料动态疲劳测试方法，尤其是适用于具有高频测试需求的橡胶、塑料、金属以及复合材料的动态疲劳测试，本文以桥梁、高速铁路用复合橡胶弹簧的动态疲劳性能测试为例进行阐述。
背景技术
随着高速铁路、航空航天等工业技术的迅猛发展，各种特种材料，尤其是先进复合材料得到广泛应用。同时，材料的应用环境也向着高性能、高功能，如极限温度、高速、真空等极端条件发展。针对这一情况，对先进复合材料的性能检测要求也大大提高。目前传统的橡胶、金属等材料的疲劳性能测试通常是采用液压驱动、低频运转，测试结果多为疲劳裂纹观察、疲劳计数等方式。针对先进树脂基复合材料、金属基复合材料、碳基复合材料和陶瓷基复合材料为代表的先进复合材料，本身制造工艺非常复杂，应用环境也多为高速、高温以及多干扰环境，传统的材料特性参数和经验参数已经不能满足其应用的需求。
当前，由于测量方法和测量手段的限制，缺乏对疲劳过程中的力值、变形等检测以及测量信号的实时精准分析。大多数疲劳测试过程中的力值、变形等的测量信号是正弦信号基波及其谐波以及噪声的叠加，而其中表征疲劳破坏的只是某些固定频率下的信号，即需要准确提取并分析基波分量以及特定的谐波分量，所以需要寻求一个能够将基波及谐波各自的正弦曲线提取出来的实时测试方法。
而在数学分析中，应用傅里叶变换可以把信号从时域转换到频域，从而得到不同频率下的谐波信号。采用快速傅里叶变换(即FFT)方法，可以将周期信号中的非周期噪声过滤，获得稳定的基频信号。如果把FFT方法用来实时处理材料疲劳试验中的周期运动状态和动态力信号，必将大大提高测试精度和稳定性。因此有必要研究一种基于FFT的材料动态疲劳测试的实时分析方法。
国外在材料的疲劳测试方面起步较早，且已经有成熟的产品，如美国MTS、德国申克、英国INSTRON等企业推出了液压式静载测试系统，这类系统通过外界的交变应力作用使试样产生疲劳裂纹或者疲劳破坏，观察试样产生裂纹的时间，出现裂纹的位置以及绘制S-N图像。但是上述的液压系统不能用于高频测试，且不能实时监测载荷。1995年，KumhoPrecision Ind公司提出了一种用于硫化橡胶的动态疲劳试验机，该设备只能较精确的测量橡胶试件的疲劳度，未涉及高频测量及信号处理。2011年，Steghen R.Cragg等人提出了一种针对车轮可动部件动态疲劳特性的测试方法(专利号US 8037773 B2)，该方法测量轮子上加载的弯矩预测轮子的寿命，实现了材料的动态测试，不足之处是没有对信号进行去噪处理。
国内在多功能材料的疲劳测试方面展开了相关研究并取得了一些成果。1999年哈尔滨工业大学的田振辉，刘宇艳，万志敏等人比较了疲劳载荷下橡胶复合材料的变形和损伤积累特性的测试方法，使用液压伺服试验机进行拉伸，不足之处是无法实现高频测试。2016年侯鹏亮、吴卫东等人发明了一套弯曲疲劳测试系统(专利号CN 106404571 A)，该测试系统主要针对金属元件的弯曲疲劳，实现了疲劳测试仪器及数据处理的实时处理，可以全程动态监测测试过程，所采集数据为原始信号，但未进行去噪处理，也不能够进行高频测试。2017年史新妍、廉成波等人提出了一种橡胶复合材料的动态疲劳测试方法(专利号CN104502276A)，该方法可以模拟真实受力下粘合疲劳破坏的过程，实现了各种交变载荷和交变频率下的疲劳模拟过程，过程包含利用传感器进行信号采集模块，但未对信号进行进一步的分析。
上述的疲劳测试方法中均采用原始测量信号作为疲劳产生的全部来源，未能进行有效的降噪处理。因此，本发明提出采用快速傅立叶变换的方法进行材料动态高频的疲劳测试，可准确测定疲劳产生的主要来源。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的材料动态疲劳测试的缺点，通过安装高频响力传感器及键相传感器，采用FFT方法获得材料的动态高频疲劳测试结果，模拟实际工作环境，以提高测试结果的准确度和测试效果，有助于新材料研制、改进以及寿命预测。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是一种基于快速傅立叶变换的动态疲劳测试方法，实现该方法的测试系统包括材料动态疲劳测试装置、高频响力信号和位移信号产生器和高速数据采集装置；该系统的软件部分包含提取材料的疲劳测试频率、计算材料的损失因子和单周期能量损失。
材料动态疲劳测试装置包括：偏心轮1、连杆3、下夹具4、上夹具5、材料试样7、钢架外壳8和电机9，电机9通过驱动偏心轮1转动带动连杆3产生上下往复运动，连杆3连接下夹具4，上夹具5固定在机架上，待测材料试样7安装在下夹具4和上夹具5之间，通过使材料试样7产生动态疲劳。
电机9能够变频调速，通过改变电机9的转动频率来获得不同的测试频率；偏心轮1的偏心距离能够自由调节，从而适应性调整测试的行程，实现材料试样7拉伸、剪切、压缩三种测试试验。
所述的高频响力信号和位移信号产生器包括电磁式脉冲传感器2和S型双向拉压传感器6。电磁式脉冲传感器2安装在钢架外壳8上，电磁式脉冲传感器2的位置能够随偏心轮1的偏心距离不同而改变，在偏心轮1的侧面安装有一个键相测点，用以获得键相脉冲信号，电磁式脉冲传感器2与键相测点的距离始终保持2mm～3mm，电磁式脉冲传感器2使用外部激励，激励电压为5V。S型双向拉压传感器6通过接触式安装在上夹具5上，当上夹具5对材料试样7施加拉压力时，通过上夹具5传递到S型双向拉压传感器6上，S型双向拉压传感器6也使用外部激励，激励电压为5V。
高速数据采集装置包括机箱、采集卡和PC端，电磁式脉冲传感器2和S型双向拉压传感器6均与采集卡连接，采集卡通过电磁式脉冲传感器2产生的模拟信号直接接入采集卡，S型双向拉压传感器6产生的模拟信号经变送器后接入采集卡，采集卡接收模拟信号后以一定的采样率和采样数传送到上位机。上位机安装在机箱中，上位机将采集到的参数输出至PC端，PC端中装有Labview软件，通过Labview分析记录采集到的参数。
一种基于快速傅立叶变换的动态疲劳测试方法，高速数据采集装置的信号处理流程如图2所示：包括计算动态疲劳测试频率、采用等间隔脉冲法获取整周期的力值信号F(t)、对整周期信号进行快速傅立叶变换获得材料特性参数，材料特性参数包括弹性力F1，粘性力F2以及损耗因子τ、采用等比例法拟合同频率整周期位移信号X(t)、绘制整周期力值信号F(t)与整周期位移信号X(t)的能量损耗圆曲线并进行能量损耗面积计算。
计算动态疲劳测试频率即先将采集到的脉冲信号进行脉冲测量，将两脉冲之间的时间差计算出来，得到脉冲周期即得到动态疲劳测试的频率f，如附图3中的脉冲曲线所示。
等间隔脉冲法获取的整周期力值信号F(t)实现方法如下：将采集卡采集到的连续力值信号使用脉冲信号等间隔截取获得整周期力值信号F(t)，提取方式如附图3力值信号曲线和脉冲曲线，由于力值信号和脉冲信号的频率、采样率、采样数均是一致的，将采集到的脉冲信号数据按0～n-1编号，n为采集模块的采样率，在连续的脉冲信号数据中提取每个脉冲点的数据编号，然后以相邻脉冲点数据编号为截取点截取力值信号即得到整周期力值信号，然后对整周期力值信号进行快速傅立叶变换，得到弹性力F1、粘性力F2以及损耗因子τ。
等比例法拟合同频率整周期位移信号X(t)是：试样拉压、剪切、扭转的位移不能由高速数据采集装置直接采样得出，所以需要拟合出一条材料试样的位移曲线。首先确定的是位移曲线是一条正弦曲线，即：
其中振幅A为偏心轮1的偏心距离，ω＝2πf，f是脉冲频率，ω是脉冲周期；
相位角采用一种等比例近似求法：
其中，m为脉冲信号首个脉冲点的数据编号，n为每个周期总数据点数。
拟合位移曲线信号的采样信息与脉冲信号、力值信号的采样信息一致，以便绘制能量损耗圆以及进行面积计算。
其中，能量损耗圆的绘制是以拟合整周期位移函数为x轴，以整周期力值函数信号为y轴绘制图像，得到材料的迟滞回线，迟滞回线的面积即为材料在动态测试中每个周期的能量损失，称为能量损耗圆，能量损耗圆的图像如附图4所示，能量损耗圆的面积计算如附图3所示。
本方法的实施顺序如下：
S1疲劳测试前的准备：制作材料试样7，将材料试样7固定装载在上夹具5(可以同时满足拉伸、剪切、扭转，本文以拉伸为例)上，装载时使待测材料处于绷紧状态。
S2动态疲劳测试：电机9驱动偏心轮1转动并带动连杆3使下夹具4上下运动，从而使待测材料在测试装置中按设定的频率下做拉伸运动。
S3实时数据分析：
S3.1电磁式脉冲传感器采集偏心轮1的运动信号，运动信号经过电磁式脉冲传感器处理后输出模拟信号，模拟信号通过采集卡输入到PC端，使用Labview编程语言获得实时测试脉冲频率f。
S3.2S型双向拉压传感器监测材料拉伸的力值变化，并将模拟信号通过采集卡输入到PC端，通过S3.1中得到的周期获得整周期的力值信号F(t)。
S3.3通过傅立叶变换分析S3.2得到拉伸复合力F(t)信号进而获取弹性力F1和粘性力F2的值，以及损耗因子τ；
整周期共有力值n个点，整周期力值信号F(t)中每个点的值为F(i)，i＝0～n-1
τ＝F2/F1 (5)
S3.4根据S3.1中获得的频率f、整周期力值信号F(t)的相位角以及偏心轮1的偏心距离A拟合出试样拉伸的位移信号：
S3.5以S3.4中得到的X(t)为横坐标，S3.1中得到的与X(t)对应的整周期力值信号F(t)为纵坐标绘制能量椭圆，能量椭圆的面积即为整周期多功能材料疲劳测试的能量损失。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
1、相比传统的疲劳测试，本方法不需要数以万次的疲劳实验破坏试样进而得到疲劳结果，可以实现实时的精准的力-位移疲劳测试，减少了实验周期，节省了实验时间，并且能够模拟现在多功能材料高频率应用环境。
2、相比普通的没有应用傅立叶变换的测试方法，本方法可以实时分析得到多功能材料的粘弹性性能。
3、测试结果中能量损耗圆就是一个完整周期中动态力和动态位移绘制的迟滞回线，迟滞回线的本质就是材料连续应力—应变的封闭曲线。迟滞回线的面积表示了材料在变形过程中吸收能量及释放能量之差，所以迟滞回线也可称为能量损耗圆。
4、本发明既适用于橡胶复合材料拉伸、剪切、扭转的性能测试，也适应于其它材料的高速疲劳特性的测试。
附图说明
图1高速动态疲劳测试方法示意图。
图2信号处理模块流程图。
图3整周期信号及能量损耗圆面积示意图。
图4能量损耗圆。
图中：1、偏心轮，2、电磁式脉冲传感器，3、连杆，4、下夹具，5、上夹具，6、S型双向拉压传感器，7、试样，8、钢架外壳，9、电机。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。本发明的一种基于快速傅立叶变换的材料动态疲劳测试方法，针对测试方法的实际使用情况，本发明的快速傅立叶变换和能量损耗圆面积计算过程如下：
实施例1
针对图3中的整周期力值信号曲线F(t)进行快速傅立叶变换变换获取弹性力F1、粘性力F2以及损耗因子τ的方法是：
τ＝F2/F1 (9)
n是整周期力值信号数据点总数；
x(i)为每个数据点对应的力值F，i＝0～n-1。
实施例2
针对附图4中，整周期力值-位移信号曲线的能量损耗圆，其面积计算方法是：给待拟合的整周期位移数据进行编号，确保拟合位移曲线时采样信息与脉冲信号一致，整周期位移信号的数据点与脉冲信号也一致，共有n个数据点。检测位移最大值及最小值的数据编号分别为附图3与附图4中的d与e，用编号d与e去截取整周期内相对应的力值信号数据段如附图3所示。即得到试样从位移最大值运动到位移最小值期间的力值信号段，截取的力值信号数据段每个数据用d、d+1、d+2、d+3……e表示，同时每两个数据点之间的位移表示为：
a＝4A/n (10)
其中A为位移函数的幅值
所以当试样从位移最大值运动到位移最小值时在能量损耗圆中划过的面积E1：
其中，x(i)是力值信号第i个数据点。
同理，试样从位移最小值运动到位移最大值期间的信号段每个数据用e、e+1、e+2……n-1、0……d-1表示，则试样在位移最小值运动到位移最大值在能量损耗圆中划过的面积E2为：
其中，x(i)是力值信号第i个数据点。
能量损耗圆的面积E为：
E＝|E1-E2| (13)
能量损耗圆的面积即为试样在一个周期运动内的能量损失，所以E1表示试样从位移最大值运动到位移最小值释放的能量，E2表示试样从位移最小值运动到位移最大值吸收的能量，两者差的绝对值E则表示能量损失。

Claims (4)

1.一种基于快速傅立叶变换的动态疲劳测试系统，其特征在于：包括材料动态疲劳测试装置、高频响力信号和位移信号产生器和高速数据采集装置；该系统的软件部分包含提取材料的疲劳测试频率、计算材料的损失因子和单周期能量损失；
材料动态疲劳测试装置包括：偏心轮(1)、连杆(3)、下夹具(4)、上夹具(5)、材料试样(7)、钢架外壳(8)和电机(9)，电机(9)通过驱动偏心轮(1)转动带动连杆(3)产生上下往复运动，连杆(3)连接下夹具(4)，上夹具(5)固定在机架上，待测材料试样(7)安装在下夹具(4)和上夹具(5)之间，通过使材料试样(7)产生动态疲劳；
电机(9)能够变频调速，通过改变电机(9)的转动频率来获得不同的测试频率；偏心轮(1)的偏心距离能够自由调节，从而适应性调整测试的行程，实现材料试样(7)拉伸、剪切、压缩三种测试试验；
所述的高频响力信号和位移信号产生器包括电磁式脉冲传感器(2)和S型双向拉压传感器(6)；电磁式脉冲传感器(2)安装在钢架外壳(8)上，电磁式脉冲传感器(2)的位置能够随偏心轮(1)的偏心距离不同而改变，在偏心轮(1)的侧面安装有一个键相测点，用以获得键相脉冲信号，电磁式脉冲传感器(2)与键相测点的距离始终保持2mm～3mm，电磁式脉冲传感器(2)使用外部激励，激励电压为5V；S型双向拉压传感器(6)通过接触式安装在上夹具(5)上，当上夹具(5)对材料试样(7)施加拉压力时，通过上夹具(5)传递到S型双向拉压传感器(6)上，S型双向拉压传感器(6)也使用外部激励，激励电压为5V；
高速数据采集装置包括机箱、采集卡和PC端，电磁式脉冲传感器(2)和S型双向拉压传感器(6)均与采集卡连接，采集卡通过电磁式脉冲传感器(2)产生的模拟信号直接接入采集卡，S型双向拉压传感器(6)产生的模拟信号经变送器后接入采集卡，采集卡接收模拟信号后以一定的采样率和采样数传送到上位机；上位机安装在机箱中，上位机将采集到的参数输出至PC端，PC端中装有Labview软件，通过Labview分析记录采集到的参数。
2.利用权利要求1所述系统进行的一种基于快速傅立叶变换的动态疲劳测试方法，其特征在于：高速数据采集装置的信号处理流程包括计算动态疲劳测试频率、采用等间隔脉冲法获取整周期的力值信号F(t)、对整周期信号进行快速傅立叶变换获得材料特性参数，材料特性参数包括弹性力F1，粘性力F2以及损耗因子τ、采用等比例法拟合同频率整周期位移信号X(t)、绘制整周期力值信号F(t)与整周期位移信号X(t)的能量损耗圆曲线并进行能量损耗面积计算；
计算动态疲劳测试频率即先将采集到的脉冲信号进行脉冲测量，将两脉冲之间的时间差计算出来，得到脉冲周期即得到动态疲劳测试的频率f；
等间隔脉冲法获取的整周期力值信号F(t)实现方法如下：将采集卡采集到的连续力值信号使用脉冲信号等间隔截取获得整周期力值信号F(t)，由于力值信号和脉冲信号的频率、采样率、采样数均是一致的，将采集到的脉冲信号数据按0～n-1编号，n为采集模块的采样率，在连续的脉冲信号数据中提取每个脉冲点的数据编号，然后以相邻脉冲点数据编号为截取点截取力值信号即得到整周期力值信号，然后对整周期力值信号进行快速傅立叶变换，得到弹性力F1、粘性力F2以及损耗因子τ；
等比例法拟合同频率整周期位移信号X(t)是：试样拉压、剪切、扭转的位移不能由高速数据采集装置直接采样得出，所以需要拟合出一条材料试样的位移曲线；首先确定的是位移曲线是一条正弦曲线，即：
其中振幅A为偏心轮(1)的偏心距离，ω＝2πf，f是脉冲频率，ω是脉冲周期；
相位角采用一种等比例近似求法：
其中，m为脉冲信号首个脉冲点的数据编号，n为每个周期总数据点数；
拟合位移曲线信号的采样信息与脉冲信号、力值信号的采样信息一致，以便绘制能量损耗圆以及进行面积计算。
3.根据权利要求2所述的一种基于快速傅立叶变换的动态疲劳测试方法，其特征在于：能量损耗圆的绘制是以拟合整周期位移函数为x轴，以整周期力值函数信号为y轴绘制图像，得到材料的迟滞回线，迟滞回线的面积即为材料在动态测试中每个周期的能量损失，称为能量损耗圆。
4.根据权利要求2所述的一种基于快速傅立叶变换的动态疲劳测试方法，其特征在于：
S1疲劳测试前的准备：制作材料试样(7)，将材料试样(7)固定装载在上夹具(5)上，装载时使待测材料处于绷紧状态；
S2动态疲劳测试：电机(9)驱动偏心轮(1)转动并带动连杆(3)使下夹具(4)上下运动，从而使待测材料在测试装置中按设定的频率下做拉伸运动；
S3实时数据分析：
S3.1电磁式脉冲传感器采集偏心轮(1)的运动信号，运动信号经过电磁式脉冲传感器处理后输出模拟信号，模拟信号通过采集卡输入到PC端，使用Labview编程语言获得实时测试脉冲频率f；
S3.2 S型双向拉压传感器监测材料拉伸的力值变化，并将模拟信号通过采集卡输入到PC端，通过S3.1中得到的周期获得整周期的力值信号F(t)；
S3.3通过傅立叶变换分析S3.2得到拉伸复合力F(t)信号进而获取弹性力F1和粘性力F2的值，以及损耗因子τ；
整周期共有力值n个点，整周期力值信号F(t)中每个点的值为F(i)，i＝0～n-1
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τ＝F2/F1 (5)
S3.4根据S3.1中获得的频率f、整周期力值信号F(t)的相位角以及偏心轮(1)的偏心距离A拟合出试样拉伸的位移信号：
S3.5以S3.4中得到的X(t)为横坐标，S3.1中得到的与X(t)对应的整周期力值信号F(t)为纵坐标绘制能量椭圆，能量椭圆的面积即为整周期多功能材料疲劳测试的能量损失。
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