CN111707528B - 一种基于累积损伤等效的动力学环境时频转换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种基于累积损伤等效的动力学环境时频转换方法，基于累积损伤等效的设计原则，构建载荷‑循环方程，采用雨流计数的载荷谱统计方法，提出了一种复杂动力学环境条件下的时频转换技术，并详细阐述了具体时频转换的过程及步骤。该方法改进了当前普遍采用量值等效的设计理念，合理改善产品复杂动力学环境下地面模拟试验的“过试验”程度，可应用于运载火箭、航天器、交通运输、机械制造等领域的动力学环境试验条件设计，为适应高精度设备的研制需求，提高产品竞争力提供解决途径。

Description

一种基于累积损伤等效的动力学环境时频转换方法
技术领域
本发明涉及一种复杂动力学环境条件下的时频转换技术，具体是基于累积损伤等效原则，将复杂时域动力学环境转换为频域动力学环境，便于地面开展动力学环境模拟试验，提升产品总体设计水平，可适用于运载火箭、航天器、交通运输、机械制造等领域的动力学环境试验条件设计。
背景技术
产品在工作期间都会经历各种各样的复杂动力学环境，为保证产品能够经历复杂的动力学环境后能够正常工作，需在地面开展相应的动力学环境模拟试验。例如，卫星等航天产品在工作前需经历运载发射段的复杂动力学环境，为验证产品的设计能力，需要在地面开展正弦振动、随机振动等动力学环境模拟试验，以考核产品承受复杂动力学环境的能力。
为更好模拟真实动力学环境，产品力学环境模拟试验条件的设计，既要使试验达到预定的目的，又要使试验易于实现、费用较低，往往包含有某种简化，抓住最主要的环境效应，或是将同时作用的集中环境加以分解，分别进行模拟。例如，在我国航天器研制流程中，采用正弦扫频振动试验模拟航天器上升段的低频飞行力学环境，其条件设计过程为：将器箭耦合分析(或遥测实测数据)中器箭界面加速度时域响应，按照2.5％或5％的模态阻尼比进行冲击响应谱变换，得到器箭界面的等效正弦谱，再进行平滑包络处理作为航天器的正弦振动试验条件，这实际上是一种基于量值等效的设计原则。
由于对力学环境预示不准确及条件设计方法偏保守，从安全性与可靠性角度出发，传统工程型号研制过程中通常采用直接包络并增加一定安全余量的方式，使得产品研制总体部门之间出现层层加码，出现较严重的“过设计”和“过试验”现象。然而，随着我国国民经济的飞速发展，面向新任务需求的各类新型、复杂、精密等产品设备对动力学环境的适应能力逐步降低，采用传统的动力学环境分析及条件设计方法无法满足实际工程需求，对改善产品力学环境模拟试验条件设计方法的需求越来越紧迫，力学环境条件设计技术已经成为制约我国航天器荷载比提高、总体设计水平的瓶颈技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于累积损伤等效的动力学环境时频转换方法，将复杂时域动力学环境转换为频域动力学环境，便于地面开展动力学环境模拟试验，改善产品地面动力学环境模拟“过试验”程度，提升产品总体设计水平。
本发明提供了一种基于累积损伤等效的动力学环境时频转换方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，对动力学环境下的加速度时域信号a1(t)进行滤波处理，保留加速度时域信号a1(t)中100Hz以下的低频信号成分，得到加速度时域信号a2(t)；
步骤2，将滤波后的加速度时域信号a2(t)施加到振荡器上，计算得到振荡器振子的加速度时域信号a3(t)，同时，将与振荡器频率一致的初始相位为0的正弦时域加速度信号施加到该振荡器上，得到振荡器振子的时域信号a4(t)；
步骤3，采用雨流计数法，统计加速度时域信号a3(t)和a4(t)的载荷谱幅值及其各自的循环次数；
步骤4，针对采用雨流计数方法得到的加速度时域响应a3(t)对应的载荷谱幅值，利用加速度稳态载荷修正公式，得到修正后的载荷谱幅值；
步骤5，利用载荷循环方程，计算不同幅值载荷下的损伤，统计加速度时域信号a3(t)和a4(t)的累积损伤，将加速度时域信号a3(t)和a4(t)累积损伤一致时的正弦信号幅值，作为加速度时域信号a1(t)在该振荡器频率下的等效正弦振动试验量级；
步骤6，依次变化振荡器频率，重复步骤2～步骤5，得到基于累积损伤等效的加速度时域信号a1(t)的低频正弦振动试验条件。
优选地，所述步骤2中，引入的振荡器为弹簧振子模型。
优选地，所述步骤3中，采用雨流计数方法，可实现对任意加速度时域信号进行载荷幅值和循环次数进行统计。
优选地，所述步骤4中，针对采用雨流计数法统计的任意加速度时域信号的载荷谱幅值进行稳态载荷修正的公式为：
Figure BDA0002587442210000031
其中，Am——稳态载荷；Ab——设计载荷；A——雨流计数统计的载荷幅值；A0——修正后的载荷幅值。
优选地，所述步骤5中，进行累计损伤统计的载荷循环方程如式(2)，总累积损伤计算如式(3)；
Figure BDA0002587442210000032
其中，A∞为疲劳极限载荷；N为疲劳失效时的循环次数；m为对数应力-循环曲线斜率的倒数，通常取13；
Figure BDA0002587442210000033
其中，D为总累计损伤；Ni为第i个载荷幅值对应的循环次数。
本发明的有益效果：
本发明提出的一种基于累积损伤等效的动力学环境时频转换方法，基于累积损伤等效设计原则，考虑了整个动力学时域过程的综合作用，通过构建载荷-循环方程、雨流计数法进行载荷谱统计和迈纳法则计算累积损伤等流程，制定产品低频正弦振动试验条件，实现改进传统冲击响应谱量值等效的设计方法
附图说明
本发明的一种基于累积损伤等效的动力学环境时频转换方法由以下的实施例及附图给出。
图1是一种基于累积损伤等效的特定频率下的正弦振动试验条件设计流程图；
图2是加速度时域信号施加到振荡器时计算振子时域响应示意图；
图3是正弦加速度时域信号施加到振荡器时计算振子时域响应示意图；
图4是采用雨流计数法计算振子时域响应的载荷谱及循环次数过程；
图5是载荷循环方程的一般曲线形式示意图；
图6是针对特定加速度环境下的等效正弦振动试验条件曲线。
具体实施方式
以下将结合图1～图6对本发明的一种基于累积损伤等效的动力学环境时频转换方法作进一步的详细描述。
为了达到上述的目的，本发明提供一种基于累积损伤等效的动力学环境时频转换方法，包括如下步骤：步骤1，对某特定动力学环境下的加速度时域信号进行滤波处理，保留加速度信号中100Hz以下的低频信号成分；步骤2，将滤波后的界面加速度时域曲线施加到一系列的振荡器上，计算振荡器阵子的时域响应，同时，将与振荡器频率一致的正弦时域加速度(初始相位为0)信号施加到该振荡器上，得到此时该振荡器的振子的时域响应；步骤3，采用雨流计数法，统计两种输入下振子的时域加速度的载荷谱幅值及对应循环次数；步骤4，对特定动力学环境中的加速度稳态响应进行平均载荷修正；步骤5，利用载荷循环方程，计算不同幅值载荷下的损伤，统计两种输入下振子时域加速度的累积损伤，将两种输入下振子累积损伤一致时正弦输入信号的幅值，作为该振荡器频率下的正弦振动试验条件的等效量级；步骤6，依次变化振荡器频率，重复步骤2-步骤5，得到基于累积损伤等效的低频频正弦振动试验条件。
下面，针对本实施例的一种基于累积损伤等效的动力学环境时频转换方法做具体说明。包括如下步骤：
步骤1，对某特定动力学环境下的加速度时域信号a1(t)进行滤波处理，保留加速度信号中100Hz以下的低频信号成分a2(t)；
步骤2，将滤波后的界面加速度时域曲线a2(t)施加到一系列的振荡器上，计算得到振荡器的时域响应a3(t)，如图2。同时，将与振荡器频率一致的正弦时域加速度(初始相位为0)信号施加到该振荡器上，得到此时该振荡器的振子的时域响应a4(t)，如图3；
步骤3，采用雨流计数法，统计时域响应a3(t)和时域响应a4(t)的载荷谱幅值及对应循环次数，如图4；
步骤4，对该特定动力学环境中的加速度稳态响应进行平均载荷修正；
步骤5，利用载荷循环方程，计算不同幅值载荷下的损伤，统计响应a3(t)和响应a4(t)的累积损伤，当响应a3(t)和响应a4(t)的累积损伤一致时正弦信号的幅值，作为该振荡器频率下的正弦振动试验条件的等效量级，如图5；
步骤6，依次变化振荡器频率，重复该过程，得到基于累积损伤等效的低频频正弦振动试验条件，如图6。
本发明涉及复杂动力学环境条件下的时频转换技术，目的在于针对传统冲击响应谱设计低频正弦振动试验条件所带来的“过试验”问题，提供了一种基于累积损伤的低频正弦振动条件设计方法和实施流程，可应用于运载火箭、航天器、交通运输、机械制造等领域的地面低频动力学环境模拟试验的条件设计。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种基于累积损伤等效的动力学环境时频转换方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，对动力学环境下的加速度时域信号a1(t)进行滤波处理，保留加速度时域信号a1(t)中100Hz以下的低频信号成分，得到加速度时域信号a2(t)；
步骤2，将滤波后的加速度时域信号a2(t)施加到振荡器上，计算得到振荡器振子的加速度时域信号a3(t)，同时，将与振荡器频率一致的初始相位为0的正弦时域加速度信号施加到该振荡器上，得到振荡器振子的时域信号a4(t)；
步骤3，采用雨流计数法，统计加速度时域信号a3(t)和a4(t)的载荷谱幅值及其各自的循环次数；
步骤4，针对采用雨流计数方法得到的加速度时域信号a3(t)对应的载荷谱幅值，利用加速度稳态载荷修正公式，得到修正后的载荷谱幅值；
步骤5，利用载荷循环方程，计算不同幅值载荷下的损伤，统计加速度时域信号a3(t)和a4(t)的累积损伤，将加速度时域信号a3(t)和a4(t)累积损伤一致时的正弦信号幅值，作为加速度时域信号a1(t)在该振荡器频率下的等效正弦振动试验量级；
步骤6，依次变化振荡器频率，重复步骤2～步骤5，得到基于累积损伤等效的加速度时域信号a1(t)的低频正弦振动试验条件。
2.如权利要求1所述的一种基于累积损伤等效的动力学环境时频转换方法，其特征在于，所述步骤2中，引入的振荡器为弹簧振子模型。
3.如权利要求1所述的一种基于累积损伤等效的动力学环境时频转换方法，其特征在于，所述步骤3中，采用雨流计数方法，可实现对任意加速度时域信号进行载荷幅值和循环次数的统计。
4.如权利要求1所述的一种基于累积损伤等效的动力学环境时频转换方法，其特征在于，所述步骤4中，针对采用雨流计数法统计的任意加速度时域信号的载荷谱幅值进行稳态载荷修正的公式为：
Figure FDA0004106278110000021
其中，Am——稳态载荷；Ab——设计载荷；A——雨流计数统计的载荷幅值；A0——修正后的载荷幅值。
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