CN110287619B - 一种多轴随机载荷疲劳寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多轴随机载荷疲劳寿命预测方法，其特征是：针对构件所受各随机载荷，通过有限元方法获得结构危险点位置并提取关键载荷，对关键载荷进行分级；基于主导载荷，构建与关键载荷对应的组合载荷谱块；基于线性损伤累积原则，以多轴常幅载荷疲劳寿命估算方法预测多轴随机载荷下的疲劳寿命。本发明对多轴随机载荷疲劳寿命预测精度较高，能有效提高运算效率，有利于工程应用。

Description

一种多轴随机载荷疲劳寿命预测方法

技术领域

本发明涉及一种多轴疲劳寿命预测方法，更具体地说是在多轴随机载荷作用下构件的疲劳寿命预测方法。

背景技术

多轴疲劳是指构件在多向应力或应变作用下的疲劳。当构件受力情况复杂时，其结构危险点的应力状态往往表现为多轴应力状态，有两个或三个应力(或应变)分量随时间独立发生周期性变化。

目前主要的多轴疲劳研究方法有临界平面法、等效应力应变法和能量法；其中，临界平面法基于断裂模型和裂纹萌生机理，因其具有明确的物理意义，被认为是现今较为有效的一种分析方法。基于临界平面法，国内外学者根据不同损伤参量提出不同的多轴疲劳寿命预测模型。但这些模型的适用范围都有一定的局限性，例如有的适合高周疲劳，有的适合低周疲劳；有的适合多轴比例加载，有的适合多轴非比例加载。迄今还没有一种普适的多轴疲劳寿命预测模型。另外，由于多轴载荷下材料的附加强化作用、载荷的加载路径、载荷平均应力等对多轴疲劳寿命预测具有很大的影响，所以相对于单轴疲劳研究，多轴疲劳研究是一个难点，也是一个亟需突破的领域。

多轴疲劳分析根据载荷形式的不同可分为多轴比例分析和多轴非比例分析，针对多轴比例分析，可根据静强度理论将其等效为单轴状态，利用单轴疲劳理论预测多轴疲劳寿命，实际证明此处理方法是有效的。针对多轴非比例分析，目前主要是借助多轴雨流计数法对结构危险点的应力应变历程进行循环计数，提取各损伤参量的循环信息，结合多轴寿命预测模型进行疲劳分析。但多轴雨流计数是一个及其复杂的过程，临界平面的确定也需要同时对多个参数进行循环遍历，整个分析流程对时间和空间复杂度的要求特别高，尤其是在载荷数据庞大时。此外，现今工程应用中多轴疲劳分析仪器设备成本高，精度要求严苛，人力物力耗费大；而目前的多轴随机载荷寿命预测方法计算量大，占用机时多，工程应用意义不太明显。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种多轴随机载荷疲劳寿命预测方法，将复杂的多轴随机载荷等效为多段组合载荷谱块，用多轴常幅载荷寿命预测方法替代多轴随机载荷寿命预测方法，从而简化多轴疲劳寿命预测流程，缩短时间和空间复杂度，减少多轴疲劳寿命预测成本，以利于工程应用。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明多轴随机载荷疲劳寿命预测方法的特点是：针对构件所受各随机载荷，通过有限元方法获得结构危险点位置并提取关键载荷，对关键载荷进行分级；基于主导载荷，构建与关键载荷对应的组合载荷谱块；基于线性损伤累积原则，以多轴常幅载荷疲劳寿命估算方法预测多轴随机载荷下的疲劳寿命。

本发明多轴随机载荷疲劳寿命预测方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1：针对构件所受各随机载荷，按如下方法获取构件结构危险点及关键载荷，并对关键载荷进行分级；

1.1.建立构件有限元模型，在有限元分析软件中，对所述构件有限元模型同时施加各随机载荷，取构件有限元模型中Von-Mises等效应力最大的点为结构危险点；在静力学分析环境下，将各随机载荷取不同数值单独施加在所述构件有限元模型上，获得构件结构危险点的Von-Mises等效应力随各随机载荷的变化关系；将其中对构件结构危险点的Von-Mises等效应力影响最大的随机载荷定义为第一关键载荷，次之为第二关键载荷；

1.2.以第一关键载荷的载荷数据的最小值N为下边界，最大值M为上边界，定义差值A为：A＝M-N,将第一关键载荷的数值大小划分为八级，分别是：[N,N+0.125A)、[N+0.125A,N+0.275A)、[N+0.275A,N+0.425A)、[N+0.425A,N+0.575A)、[N+0.575A,N+0.725A)、[N+0.725A,N+0.850A)、[N+0.850A,N+0.950A)、[N+0.950A,M]；统计第一关键载荷的载荷数据在每一级中的载荷点数，分别为M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7和M8，以及每级中的载荷点数占第一关键载荷的总载荷点数的比例；

1.3.按照与步骤1.2同样的方式将第二关键载荷的数值大小划分为八级，并获得第二关键载荷的载荷数据在每一级中的载荷点数，以及每一级中的载荷点数占第二关键载荷的总载荷点数的比例；

步骤2：按如下方式获得关键载荷的各组合载荷谱块：

2.1.根据步骤1.2第一关键载荷分级情况，定义F_i为第一关键载荷第i级特征值，其数值大小为第一关键载荷第i级上边界值；

为第一关键载荷第i级载荷点数占第一关键载荷总载荷点数的比例；根据步骤1.3第二关键载荷分级情况，定义f_j为第二关键载荷第j级特征值，其数值大小为第二关键载荷第j级上边界值；

为第二关键载荷第j级载荷点数占第二关键载荷总载荷点数的比例；定义载荷组合(F_i,f_j)的发生概率P_ij如式(1)所示，其中i,j∈[1,2,3,4,5,6,7,；

2.2.将所述第一关键载荷作为主导载荷，取第一关键载荷为F₁，在有限元分析软件静力学分析环境下，对构件有限元模型分别施加载荷组合(F₁,f₁)；(F₁,f₂)；...(F₁,f₈)，记录各载荷组合下结构危险点位置；提取所述各载荷组合下结构危险点位置中与步骤1.1中所得结构危险点位置一致且发生概率P_1j最大的载荷组合(F₁,f_max1)，其中max1∈[1,2,3,4,5,6,7,8]，作为第一关键载荷为F₁时的特征载荷组合；

2.3.基于特征载荷组合(F₁,f_max1)，以正弦曲线的形式近似构建第一组合载荷谱块，循环次数为M1，单个循环如式(2)所示：

其中，F是第一组合载荷谱块中第一关键载荷单个循环；f是第一组合载荷谱块中第二关键载荷单个循环；ω＝2πf,f为载荷数据采样频率；

2.4.取第一关键载荷为F₂，重复2.2获得载荷组合(F₂,f_max2)，并重复2.3构建第二组合载荷谱块；

2.5.同理获得载荷组合(F₃,f_max3)；(F₄,f_max4)；(F₅,f_max5)；(F₆,f_max6)；(F₇,f_max7)；(F₈,f_max8)，及其所对应的组合载荷谱块；

步骤3：按以下方式获得构件在随机载荷下的多轴疲劳预测寿命：

3.1.在有限元分析软件中，将步骤2.3-2.5中所述8段组合载荷谱块分别施加在构件有限元模型上，在静力学分析环境下，提取步骤1.1中结构危险点在各组合载荷谱块下的应力应变历程；

3.2.基于临界平面法，结合多轴常幅载荷疲劳寿命预测模型，获得各组合载荷谱块下单个循环结构危险点的疲劳寿命N_f(I)，则第I个组合载荷谱块下的疲劳损伤d(I)如式(3)所示，其中I∈[1,2,3,4,5,6,7,8]；

3.3.基于线性损伤累积原则，则构件结构危险点总损伤D为：

构件多轴随机载荷疲劳预测寿命

即构件在服役了随机载荷N_f次后会出现疲劳失效。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明将构件所受的复杂的多轴随机载荷，转化为与之等效的多段组合载荷谱块，再利用多轴常幅载荷寿命预测方法替代多轴随机载荷寿命预测方法。在保证工程应用要求的基础上，大大简化了多轴随机载荷寿命预测流程，提升了工程应用中复杂载荷下构件的寿命预测能力，为多轴寿命预测的普及提供借鉴。

附图说明

图1为本发明具体实施例中基于车轮六分力获取的第一关键载荷；

图2为本发明具体实施例中基于车轮六分力获取的第二关键载荷；

图3a和图3b为本发明具体实例中第一组合载荷谱块。

具体实施方式

本实施例中多轴随机载荷疲劳寿命预测方法是针对构件所受各随机载荷，通过有限元方法获得结构危险点位置并提取关键载荷；对关键载荷进行分级；基于主导载荷，构建与关键载荷对应的组合载荷谱块；基于线性损伤累积原则，以多轴常幅载荷疲劳寿命估算方法预测多轴随机载荷下的疲劳寿命。

本实施例中多轴随机载荷疲劳寿命预测方法按如下步骤进行：

步骤1：针对构件所受各随机载荷，按如下方法获取构件结构危险点及关键载荷，并对关键载荷进行分级。

1.1.取某重型商用车前车轮为研究构件，随机载荷为试车场实测车轮六分力数据。建立车轮有限元模型，在有限元分析软件中，对车轮有限元模型同时施加实测车轮六分力数据，取车轮有限元模型中Von-Mises等效应力最大的点为结构危险点；在静力学分析环境下，将车轮六分力中各载荷取不同数值单独施加在车轮有限元模型上，如垂向载荷F_z取10000N、20000N、30000N、40000N和50000N单独施加在车轮有限元模型上，获得车轮结构危险点的Von-Mises等效应力随车轮六分力各载荷的变化关系；将其中对车轮结构危险点的Von-Mises等效应力影响最大的垂向载荷F_Z定义为第一关键载荷，如图1所示；影响次之的侧倾力矩M_X为第二关键载荷，如图2所示。

1.2.以第一关键载荷的载荷数据的最小值N为下边界，最大值M为上边界，定义差值A为：A＝M-N,将第一关键载荷的数值大小划分为八级，分别是：[N,N+0.125A)、[N+0.125A,N+0.275A)、[N+0.275A,N+0.425A)、[N+0.425A,N+0.575A)、[N+0.575A,N+0.725A)、[N+0.725A,N+0.850A)、[N+0.850A,N+0.950A)、[N+0.950A,M]；统计第一关键载荷的载荷数据在每一级中的载荷点数，分别为M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7和M8，以及每级中的载荷点数占第一关键载荷的总载荷点数的比例，如表1所示。

表1第一关键载荷分级情况

1.3.按照与步骤1.2同样的方式将第二关键载荷的数值大小划分为八级，并获得第二关键载荷的载荷数据在每一级中的载荷点数，以及每一级中的载荷点数占第二关键载荷的总载荷点数的比例。

步骤2：按如下方式获得关键载荷的各组合载荷谱块：

2.1.根据步骤1.2第一关键载荷分级情况，定义F_i为第一关键载荷第i级特征值，其数值大小为第一关键载荷第i级上边界值；

为第一关键载荷第i级载荷点数占第一关键载荷总载荷点数的比例；根据步骤1.3第二关键载荷分级情况，定义f_j为第二关键载荷第j级特征值，其数值大小为第二关键载荷第j级上边界值；

为第二关键载荷第j级载荷点数占第二关键载荷总载荷点数的比例；定义载荷组合(F_i,f_j)的发生概率P_ij如式(1)所示，其中i,j∈[1,2,3,4,5,6,7,；

2.2.根据损伤理论，大应力造成的疲劳损伤大，对构件疲劳寿命的影响也大。故将第一关键载荷作为主导载荷，取第一关键载荷为F₁，在有限元分析软件静力学分析环境下，对构件有限元模型分别施加载荷组合(F₁,f₁)；(F₁,f₂)；...(F₁,f₈)，记录各载荷组合下结构危险点位置；提取各载荷组合下结构危险点位置中与步骤1.1中所得结构危险点位置一致且发生概率P_1j最大的载荷组合(F₁,f_max1)，其中max1∈[1,2,3,4,5,6,7,8]，作为第一关键载荷为F₁时的特征载荷组合。

2.3.基于特征载荷组合(F₁,f_max1)，以正弦曲线的形式近似构建第一组合载荷谱块，图3a所示为垂向载荷，图3b为侧倾力矩载荷，循环次数为M1，单个循环如式(2)所示：

其中，F是第一组合载荷谱块中第一关键载荷单个循环；f是第一组合载荷谱块中第二关键载荷单个循环；ω＝2πf,f为载荷数据采样频率，本实施例中f＝500HZ。

2.4.取第一关键载荷为F₂，重复2.2获得载荷组合(F₂,f_max2)，并重复2.3构建第二组合载荷谱块。

2.5.同理获得载荷组合(F₃,f_max3)；(F₄,f_max4)；(F₅,f_max5)；(F₆,f_max6)；(F₇,f_max7)；(F₈,f_max8)，及其所对应的组合载荷谱块。

步骤3：按以下方式获得构件在随机载荷下的多轴疲劳预测寿命：

3.1.在有限元分析软件中，将步骤2.3-2.5中8段组合载荷谱块分别施加在车轮有限元模型上，在静力学分析环境下，提取步骤1.1中车轮结构危险点在各组合载荷谱块下的应力应变历程。

3.2.基于临界平面法，结合多轴常幅载荷疲劳寿命预测模型，获得各组合载荷谱块下单个循环车轮结构危险点的疲劳寿命N_f(I)，则第I个组合载荷谱块下的疲劳损伤d(I)如式(3)所示，其中I∈[1,2,3,4,5,6,7,8]。；

3.3.基于线性损伤累积原则，则车轮结构危险点总损伤D为：

车轮多轴随机载荷疲劳预测寿命

即车轮在服役了随机载荷N_f次后会出现疲劳失效。

具体实施例中，按本发明方法提取实测车轮六分力中关键载荷，获得与随机载荷等效的多段组合载荷谱块，应用多轴常幅载荷寿命预测方法替代多轴随机载荷寿命预测方法，简化寿命预测流程，预测车轮多轴疲劳寿命。

表2多轴随机载荷寿命预测结果

	本发明方法	常规方法	寿命预测偏差率
				多轴随机载荷疲劳预测寿命N<sub>f</sub>	9278	10353	10.38％

表2为本发明车轮多轴疲劳寿命预测结果及采用常规多轴随机载荷寿命预测方法预测结果。本发明方法寿命预测结果在可接受范围内，相对于常规方法预测结果偏保守，为工程应用中多轴寿命预测的普及提供依据。

Claims (1)

1.一种多轴随机载荷疲劳寿命预测方法，其特征是：针对构件所受各随机载荷，通过有限元方法获得结构危险点位置并提取关键载荷，对关键载荷进行分级；基于主导载荷，构建与关键载荷对应的组合载荷谱块；基于线性损伤累积原则，以多轴常幅载荷疲劳寿命估算方法预测多轴随机载荷下的疲劳寿命；

所述多轴随机载荷疲劳寿命预测方法按如下步骤进行：

步骤1：针对构件所受各随机载荷，按如下方法获取构件结构危险点及关键载荷，并对关键载荷进行分级；

1.1.建立构件有限元模型，在有限元分析软件中，对所述构件有限元模型同时施加各随机载荷，取构件有限元模型中Von-Mises等效应力最大的点为结构危险点；在静力学分析环境下，将各随机载荷取不同数值单独施加在所述构件有限元模型上，获得构件结构危险点的Von-Mises等效应力随各随机载荷的变化关系；将其中对构件结构危险点的Von-Mises等效应力影响最大的随机载荷定义为第一关键载荷，次之为第二关键载荷；

1.2.以第一关键载荷的载荷数据的最小值N为下边界，最大值M为上边界，定义差值A为：A＝M-N,将第一关键载荷的数值大小划分为八级，分别是：[N,N+0.125A)、[N+0.125A,N+0.275A)、[N+0.275A,N+0.425A)、[N+0.425A,N+0.575A)、[N+0.575A,N+0.725A)、[N+0.725A,N+0.850A)、[N+0.850A,N+0.950A)、[N+0.950A,M]；统计第一关键载荷的载荷数据在每一级中的载荷点数，分别为M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7和M8，以及每级中的载荷点数占第一关键载荷的总载荷点数的比例；

1.3.按照与步骤1.2同样的方式将第二关键载荷的数值大小划分为八级，并获得第二关键载荷的载荷数据在每一级中的载荷点数，以及每一级中的载荷点数占第二关键载荷的总载荷点数的比例；

步骤2：按如下方式获得关键载荷的各组合载荷谱块：

2.1.根据步骤1.2第一关键载荷分级情况，定义F_i为第一关键载荷第i级特征值，其数值大小为第一关键载荷第i级上边界值；

为第一关键载荷第i级载荷点数占第一关键载荷总载荷点数的比例；根据步骤1.3第二关键载荷分级情况，定义f_j为第二关键载荷第j级特征值，其数值大小为第二关键载荷第j级上边界值；

为第二关键载荷第j级载荷点数占第二关键载荷总载荷点数的比例；定义载荷组合(F_i,f_j)的发生概率P_ij如式(1)所示，其中i,j∈[1,2,3,4,5,6,；

2.2.将所述第一关键载荷作为主导载荷，取第一关键载荷为F₁，在有限元分析软件静力学分析环境下，对构件有限元模型分别施加载荷组合(F₁,f₁)；(F₁,f₂)；...(F₁,f₈)，记录各载荷组合下结构危险点位置；提取所述各载荷组合下结构危险点位置中与步骤1.1中所得结构危险点位置一致且发生概率P_1j最大的载荷组合(F₁,f_max1)，其中max1∈[1,2,3,4,5,6,7,8]，作为第一关键载荷为F₁时的特征载荷组合；

2.3.基于特征载荷组合(F₁,f_max1)，以正弦曲线的形式近似构建第一组合载荷谱块，循环次数为M1，单个循环如式(2)所示：

其中，F是第一组合载荷谱块中第一关键载荷单个循环；f是第一组合载荷谱块中第二关键载荷单个循环；ω＝2πf,f为载荷数据采样频率；

2.4.取第一关键载荷为F₂，重复2.2获得载荷组合(F₂,f_max2)，并重复2.3构建第二组合载荷谱块；

2.5.同理获得载荷组合(F₃,f_max3)；(F₄,f_max4)；(F₅,f_max5)；(F₆,f_max6)；(F₇,f_max7)；(F₈,f_max8)，及其所对应的组合载荷谱块；

步骤3：按以下方式获得构件在随机载荷下的多轴疲劳预测寿命：

3.1.在有限元分析软件中，将步骤2.3-2.5中所述8段组合载荷谱块分别施加在构件有限元模型上，在静力学分析环境下，提取步骤1.1中结构危险点在各组合载荷谱块下的应力应变历程；

3.2.基于临界平面法，结合多轴常幅载荷疲劳寿命预测模型，获得各组合载荷谱块下单个循环结构危险点的疲劳寿命N_f(I)，则第I个组合载荷谱块下的疲劳损伤d(I)如式(3)所示，其中I∈[1,2,3,4,5,6,7,8]；

3.3.基于线性损伤累积原则，则构件结构危险点总损伤D为：

构件多轴随机载荷疲劳预测寿命

即构件在服役了随机载荷N_f次后会出现疲劳失效。

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