CN109357957A - 一种基于极值窗口的疲劳监测计数方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于极值窗口的疲劳监测计数方法，涉及多轴疲劳强度理论领域，将传统雨流计数法的计数对象由单个时间点的等效应力极值点扩展为包含若干时间点的极值窗口，将考虑等效应力的传统雨流计数过程变为同时考虑多轴变幅载荷历程的六向应力数据的三维雨流计数过程，本发明提出了全新的循环幅值确定方法、应力极值点排除方法和极值窗口的应力历程重排检查方法及其公式，在计算每个循环幅值时，引入极值窗口以充分考虑多轴应力状态下各向应力间存在的相位差，使采用等效应力合成的传统雨流计数方法变为同时考虑六向应力的三维雨流计数方法。本发明引入了极值窗口，可同时考虑六向应力，使得多轴载荷历程的循环计数结果更为准确可靠。

Description

一种基于极值窗口的疲劳监测计数方法
技术领域
本发明涉及压力管道多轴循环计数技术领域，具体涉及一种基于极值窗口的疲劳监测计数方法。
背景技术
多轴疲劳失效是压力管道的一种主要失效形式，因其承受复杂内压、热应力等复杂多轴变幅载荷作用，经典的单轴疲劳计数方法因其没有考虑到多轴应力间潜在的相位差而无法满足多轴载荷下的计数要求。为了实现多轴载荷作用下疲劳循环的准确计数，并且能便捷有效地适用于工程实际，提出一种新的多轴计数方法势在必行。
相对于单轴疲劳，多轴的研究虽然有一些进展，但仍然有许多问题亟待解决。现有的多轴计数方法大都比较复杂，无法直接应用到实际工程。因此迫切需要一种简单有效的多轴循环计数方法。以便于在实际工程中，有效实现压力管道部件的疲劳寿命预测及服役寿命延长。
发明内容
本发明提供一种基于极值窗口的疲劳监测计数方法，
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于极值窗口的疲劳监测计数方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)：读取多轴变幅载荷历程，包括每一时间点下的六向应力分量；
步骤2)：筛选关键极值点S(k)；
2.1)：略去小于应力幅阈值δt的应力循环以缩小关键极值点的筛选范围，所述应力幅阈值由公式(1)确定：
δt＝2×P×Se (1)
其中，Se是对应材料的疲劳极限，P是根据要求设置的疲劳筛选百分数；
2.2)：依次比较应力历程中两时间点间的应力幅值σI(i，j)，找到拐点，将之定义为关键极值点S(k)，k＝1，2，..p，v，..n；
步骤3)：以关键极值点S(k)为基准，向前向后扫描附近的应力数据，将单个极值点扩展为包含若干点的极值窗口P(k)，要求窗口内任意两时间点之间的应力幅值小于应力幅阈值的一半；
步骤4)：基于关键极值点S(k)进行多轴雨流计数；
4.1)：筛选出关键极值点S(k)中，应力幅值最大的关键极值点对[S(p)，S(v)]，令S(p)作为载荷历程的起点，将待计数的应力历史重新排列；
4.2)：比较重排后的极值点序列在连接处应力幅值的大小关系，通过删减若干点使新的应力历程平滑过渡；
4.3)：基于极值窗口中关键极值点间的应力幅值σI(i，j)，应用三点法对重新排列的载荷历程进行循环计数配对；
步骤5)：在计数完成后的每组配对中，计算配对极值窗口P(k)内所有极值点间的应力幅值，将产生最大应力幅值的极值点对作为最终的极值点配对；
步骤6)：得到输入应力历程下应力极值点配对结果与相应的应力幅值，以及循环圈数。
进一步的，所述步骤(1)中，P的取值范围为(0，100％)。
进一步的，Se是基于设计时所选疲劳曲线确定。
进一步的，步骤2.2)中，应力幅值σI(i，j)由ASME第III卷NB-3216.2确定。
采用以上技术方案后，本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明将传统雨流计数法的计数对象由单个时间点的极值扩展为包含若干时间点的极值窗口，使传统雨流计数过程中变为同时考虑多轴变幅载荷历程的六向应力数据的三维雨流计数过程。将关键极值点作为应力窗口的代表点，在保证配对准确度的基础上，有效降低了计算量。本发明计算过程迅速简便，易操作，针对压力管道多轴应力特点具有较好的适用性，便于工程应用。
附图说明
附图1为本发明提供的基于极值窗口的压力管道多轴循环计数方法的流程图；
附图2为本发明提供的基于极值窗口的应力历程重排检查方法的流程图；
附图3为本发明实施例1中读取的应力历程图；
附图4为本发明实施例1中筛选出的关键极值点图；
附图5为本发明实施例1得到的应力极值窗口图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
一种基于极值窗口的疲劳监测计数方法，包括如下步骤：
步骤1)：读取多轴变幅载荷历程，包括每一时间点下的六向应力分量。
步骤2)：筛选关键极值点S(k)；
2.1)：略去小于应力幅阈值δt的应力循环以缩小关键极值点的筛选范围，应力幅阈值由公式(1)确定：
δt＝2×P×Se (1)
其中，Se是对应材料的疲劳极限，P是根据要求设置的疲劳筛选百分数，P的取值范围为(0，100％)。
优选的，Se基于设计时所选的疲劳曲线确定，可以合理有效地筛去不重要的应力循环，对多轴应力历史可以实现有效的简化而不影响计数结果。
2.2)：依次比较应力历程中两时间点间的应力幅值σI(i，j)，找到拐点，将之定义为关键极值点S(k)，k＝1，2，..p，v，..n；应力幅值σI(i，j)由ASME第III卷NB-3216.2确定。
步骤3)：以关键极值点S(k)为基准，向前向后扫描附近的应力数据，将单个极值点扩展为包含若干点的极值窗口P(k)，要求窗口内任意两时间点之间的应力幅值小于应力幅阈值的一半。
步骤4)：基于关键极值点S(k)进行多轴雨流计数；
4.1)：筛选出关键极值点S(k)中，应力幅值最大的关键极值点对[S(p)，S(v)]，令S(p)作为载荷历程的起点，将待计数的应力历史重新排列；
4.2)：比较重排后的极值点序列在连接处应力幅值的大小关系，通过适当删减使新的应力历程能够平滑过渡；
4.3)：基于极值窗口中关键极值点间的应力幅值σI(i，j)，应用三点法对重新排列的载荷历程进行循环计数配对。
步骤5)：在计数完成后的每组配对中，计算配对极值窗口P(k)内所有极值点间的应力幅值，将产生最大应力幅值的极值点对作为最终的极值点配对。
步骤6)：得到输入应力历程下应力极值点配对结果与相应的应力幅值，以及循环圈数。
上述步骤2)提出的极值点筛选方法可以有效筛去不重要的应力循环，对多轴应力历史可以实现有效的简化而不影响计数结果。
步骤3)提出的极值窗口由多轴应力历史上关键极值点及其临近的时间点确定。通过设置极值窗口，使得极值窗口内的点可以有效反映多轴应力状态中各向应力间因相位差而导致的应力幅值误差，即在计算应力幅值时考虑了多轴载荷历程下六向应力间的相位差。
步骤4)提出的将关键极值点作为应力窗口代表，并用于后续一系列的计数配对操作，可以降低极值窗口间在进行计数配对时所需要的计算量，有效提高了计数效率。
步骤5)提出的计算极值窗口内有效极值点间最大应力幅值的方法，考虑了六向应力之间可能存在的非比例加载和时间相位差，使得最后得到的应力幅值更加可靠，并能充分反映多轴应力在应力空间中的变化状态。
以下为具体实施例：
实施例1
本实施例采用ANSYS有限元软件模拟316L承压管道因瞬态温度变化导致的多轴疲劳数据，对本申请所提出的疲劳循环计数方法进行验证。
如图1所示为本申请的方案流程图，本发明的技术方案为：一种基于极值窗口的三维雨流计数方法，具体计算方法如下：
步骤1)：读取有限元模拟结果的实验数据如图3所示。
步骤2)：筛选关键极值点；
2.1)：由公式(1)确定用于略去无效应力幅的筛选阈值δt：
δt＝2×P×Se (1)
其中，Se取35MPa，P取值为100％；
2.2)：过滤掉低于阈值δt的应力循环，并得到的关键极值点如图4所示。
步骤3)：将单个极值点扩展为包含若干极值点的应力窗口；
按照任意两点之间的应力幅值小于筛选阈值一半的原则将关键极值点扩展为极值窗口，结果如图5所示。
步骤4)：基于关键极值点进行多轴雨流计数；
4.1)：筛选出应力幅值最大的应力配对，结果如表1所示；
表1最大应力幅值的应力配对
4.2)：根据步骤4.1)中的最大应力幅值配对将应力历程重排，并对新历程的连接处进行检查。本例中最大应力幅值配对为原应力历程的起点，因此重排结果没有变化，仍如图5所示；
4.3)：对重排后的历程先进行单个极值点的初步雨流计数统计，计数统计结果如表2所示。
表2初步计数结果
步骤5)：将步骤4.3)中的初步雨流计数结果在相应的应力窗口中进一步计算所有有效极值点间的应力幅值，得到最终的应力幅值结果。
步骤6)：输出最终应力历程的计数结果，包括循环圈数、应力配对、幅值、半幅值等，如表3所示。
表3三维计数结果
本发明提出的疲劳循环计数方法将传统雨流计数法的计数对象由单个时间点的极值扩展为包含若干时间点的极值窗口，使传统雨流计数过程中变为同时考虑多轴变幅载荷历程的六向应力数据的三维雨流计数过程。将关键极值点作为应力窗口的代表点，在保证配对准确度的基础上，有效降低了计算量。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于极值窗口的疲劳监测计数方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)：读取多轴变幅载荷历程，包括每一时间点下的六向应力分量；
步骤2)：筛选关键极值点S(k)；
2.1)：略去小于应力幅阈值δt的应力循环以缩小关键极值点的筛选范围，所述应力幅阈值由公式(1)确定：
δt＝2×P×Se (1)
其中，Se是对应材料的疲劳极限，P是根据要求设置的疲劳筛选百分数；
2.2)：依次比较应力历程中两时间点间的应力幅值σI(i,j)，找到拐点，将之定义为关键极值点S(k),k＝1,2,..p,v,..n；
步骤3)：以关键极值点S(k)为基准，向前向后扫描附近的应力数据，将单个极值点扩展为包含若干点的极值窗口P(k)，要求窗口内任意两时间点之间的应力幅值小于应力幅阈值的一半；
步骤4)：基于关键极值点S(k)进行多轴雨流计数；
4.1)：筛选出关键极值点S(k)中，应力幅值最大的关键极值点对[S(p),S(v)]，令S(p)作为载荷历程的起点，将待计数的应力历史重新排列；
4.2)：比较重排后的极值点序列在连接处应力幅值的大小关系，通过删减若干点使新的应力历程平滑过渡；
4.3)：基于极值窗口中关键极值点间的应力幅值σI(i,j)，应用三点法对重新排列的载荷历程进行循环计数配对；
步骤5)：在计数完成后的每组配对中，计算配对极值窗口P(k)内所有极值点间的应力幅值，将产生最大应力幅值的极值点对作为最终的极值点配对；
步骤6)：得到输入应力历程下应力极值点配对结果与相应的应力幅值，以及循环圈数。
2.根据权利要求1所述的一种基于极值窗口的疲劳监测计数方法，其特征在于：所述步骤(1)中，P的取值范围为(0,100％)。
3.根据权利要求1所述的一种基于极值窗口的疲劳监测计数方法，其特征在于：Se是基于设计时所选疲劳曲线确定。
4.根据权利要求1所述的一种基于极值窗口的疲劳监测计数方法，其特征在于：步骤2.2)中，应力幅值σI(i,j)由ASME第III卷NB-3216.2确定。
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