CN113569332B - 托带轮疲劳可靠度计算系统、方法、履带车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种托带轮疲劳可靠度计算系统、方法、履带车辆，应用于履带车辆技术领域，基于工况分散性，通过多体动力学仿真模型、损伤响应面模型和MATLAB程序计算履带车辆托带轮的疲劳可靠度，解决了传统车辆结构疲劳可靠度预计方法无法基于工况强随机性和载荷强非线性的问题，该方法计算简便、易懂、运算量小，成本低，具有较强工程适用性。

Description

托带轮疲劳可靠度计算系统、方法、履带车辆
技术领域
本发明涉及履带车辆技术领域，具体涉及一种履带车辆托带轮疲劳可靠度计算系统、方法、履带车辆。
背景技术
履带车辆托带轮属于履带车辆行动系统，其功能是通过托带轮支架安装在车体侧甲板上，用于托举履带上支段，以保持车辆行驶过程中履带的总体形态。履带车辆行驶过程中，履带受路面不平度激励，对托带轮施加垂直于地面方向的交变载荷。在交变载荷的作用下，由于表面粗糙度、托带轮本身的缺陷和设计机构等原因，托带轮支架与车体侧甲板连接位置存在应力集中的部位将产生损伤并逐渐积累导致裂纹的产生、裂纹扩展直到造成托带轮断裂从而发生疲劳损伤失效，直接影响车体可靠性。
疲劳损伤失效对零部件的使用条件和外部环境非常敏感。在履带车辆行驶过程中，复合路面不平度与车辆结构载荷具有一致的随机性，它是车辆结构产生疲劳损伤的重要原因。但随着车速的提高和路面等级的降低，路面激励引起的路面动位移逐渐增加，而增加趋势是非线性的。对此，现有技术中存在一种结合粒子群算法和模糊数学理论对系统的可靠性进行研究的方法，或者采用多体动力学仿真与有限元分析相结合的方法对履带车辆结构进行疲劳分析，但是其仍然无法解决工况强随机性和载荷强非线性的问题，而且计算方式复杂，运算量大。因此，需要提出一种解决上述问题的托带轮支架疲劳可靠度计算方法及系统。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种托带轮疲劳可靠度计算系统、方法、履带车辆，能够解决传统车辆结构疲劳可靠度预计方法无法基于工况强随机性和载荷强非线性的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种履带车辆托带轮疲劳可靠度计算系统，包括第一确定单元、第二确定单元、第三确定单元、模型建立单元、统计分布确定单元和可靠度计算单元，其中：
所述第一确定单元用于检测及确定给定任务剖面涉及的不同工况类型及不同工况类型下的里程占比分布；
所述第二确定单元用于基于履带车辆托带轮结构疲劳机理分析及工况参数的显著性分析，确定履带车辆托带轮的薄弱单元及对应的工况敏感参数；
所述第三确定单元用于在基于工况分散性的前提下，利用履带车辆托带轮的多体动力学仿真模型，获取履带车辆托带轮载荷谱并确定履带车辆托带轮的薄弱单元单位里程疲劳损伤量；
所述模型建立单元用于基于所述履带车辆托带轮的薄弱单元单位里程疲劳损伤量与所述工况敏感参数确定二者之间的定量关系，建立所述不同工况类型下的响应面模型；
所述统计分布确定单元用于对所述工况敏感参数进行离散化处理，确定所述不同工况类型下的工况敏感参数对应的统计分布；
所述可靠度计算单元用于从所述工况敏感参数对应的统计分布中随机抽取n个样本，代入响应面模型中确定履带车辆托带轮的单位里程疲劳损伤量，基于所述单位里程疲劳损伤量计算所述任务剖面下的累积疲劳损伤量，将所述累积疲劳损伤量与损伤阈值进行比较，然后经过n次抽取和n次比较，统计未失效样本数量，计算所述任务剖面下的履带车辆托带轮疲劳可靠度。
进一步地，给定总里程数，根据所述里程占比分布确定不同工况类型下的里程数；所述工况类型为路面等级。
进一步地，所述工况敏感参数为在对所述薄弱单元的疲劳损伤影响最大的工况影响因素。
进一步地，所述第三确定单元根据所述载荷谱进行雨流计数法，确定所述履带车辆托带轮的薄弱单元单位里程疲劳损伤量。
进一步地，所述响应面模型为变量为不同路面等级下的履带车辆托带轮单位里程疲劳损伤量与行驶速度的多项式响应面模型；所述不同路面等级包括4种，分别为C级路面、D级路面、E级路面和F级路面，其中，
Qc＝1.991×10-7×Vc-5.12×10-6
式中，Qc表示C级路面下单位里程疲劳损伤量，Vc表示C级路面下履带车辆行驶速度；
Qd＝3.256×10-8×Vd 2-2.641×10-6×Vd+5.675×10-5
式中，Qd表示D级路面下单位里程疲劳损伤量，Vd表示D级路面下履带车辆行驶速度；
Qe＝-5.539×10-10×Ve 3+4.723×10-8×Ve 2-3.079×10-5
式中，Qe表示E级路面下单位里程疲劳损伤量，Ve表示E级路面下履带车辆行驶速度；
Qf＝-4.727×10-9×Vf 3+6.993×10-7×Vf 2-3.313×10-5×Vf+0.0005293
式中，Qf表示F级路面下单位里程疲劳损伤量，Vf表示F级路面下履带车辆行驶速度，其中，行驶速度单位为km/h。
进一步地，所述任务剖面下的累积疲劳损伤量为Qmi，
Qmi＝Yci×Qci+Ydi×Qdi+Yei×Qei+Yfi×Qfi
式中，Yci表示第i个样本在C级路面的里程，Qci表示第i个样本在C级路面的单位里程损伤量；Tdi表示第i个样本在D级路面的里程，Qdi表示第i个样本在D级路面的单位里程损伤量；Yei表示第i个样本在E级路面的里程，Qei表示第i个样本在E级路面的单位里程损伤量；Yfi表示第i个样本在F级路面的里程，Qfi表示第i个样本在F级路面的单位里程损伤量。
进一步地，所述履带车辆托带轮疲劳可靠度为R，
R＝1-m/M
其中，m为所述履带车辆托带轮疲劳失效样本数，M为根据所述工况敏感参数统计分布进行抽样的次数。
一种基于所述的履带车辆托带轮疲劳可靠度计算系统的计算方法，该方法具体步骤如下：
步骤S101：检测及确定给定任务剖面涉及的不同工况类型及不同工况类型下的里程占比分布；
步骤S102：基于履带车辆托带轮结构疲劳机理分析及工况参数的显著性分析，确定履带车辆托带轮的薄弱单元及对应的工况敏感参数；
步骤S103：在基于工况分散性的前提下，利用履带车辆托带轮的多体动力学仿真模型，获取履带车辆托带轮载荷谱并确定履带车辆托带轮的薄弱单元单位里程疲劳损伤量；
步骤S104：基于所述履带车辆托带轮的薄弱单元单位里程疲劳损伤量与所述工况敏感参数确定二者之间的定量关系，建立不同工况类型下的响应面模型；
步骤S105：对所述工况敏感参数进行离散化处理，确定不同工况类型下工况敏感参数对应的统计分布；
步骤S106：通过MATLAB程序从所述工况敏感参数统计分布中随机抽取n个样本，代入响应面模型中确定履带车辆托带轮的单位里程疲劳损伤量，基于所述单位里程疲劳损伤量计算任务剖面下的累积疲劳损伤量，将所述累积疲劳损伤量与损伤阈值进行比较，然后经过n次抽取和n次比较，统计未失效样本数量，计算所述任务剖面下的履带车辆托带轮疲劳可靠度。
一种履带车辆，所述履带车辆包括托带轮及如上述的履带车辆托带轮疲劳可靠度计算系统。
有益效果：
1、本发明基于工况分散性，通过多体动力学仿真模型、损伤响应面模型和MATLAB程序计算履带车辆托带轮的疲劳可靠度，解决了传统车辆结构疲劳可靠度预计方法无法基于工况强随机性和载荷强非线性的问题，该方法计算简便、易懂、运算量小，成本低，具有较强工程适用性。
2、本发明提供了托带轮类产品任务疲劳可靠度计算模型，为同类产品任务疲劳可靠度计算提供了方法依据，该方法科学合理、可操作性强，可直接用于工程实践。
附图说明
图1为履带车辆托带轮结构组成示意图。
图2是本发明疲劳可靠度计算系统组成框图。
图3是本发明疲劳可靠度计算方法流程图。
图4是本发明任务可靠度抽样仿真流程图。
其中，1-托带轮总成、2-托带轮悬臂、3-托带轮支架、4-车体侧甲板、5-焊缝、101-第一确定单元、102-第二确定单元、103-第三确定单元、104-模型建立单元、105-统计分布确定单元、106-可靠度计算单元。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明的托带轮疲劳可靠度计算系统以履带车辆托带轮为对象，如图1所示，履带车辆托带轮结构包括托带轮总成1、托带轮悬臂2、托带轮支架3、车体侧甲板4和托带轮支架3与车体侧甲板4之间的焊缝5。
一种履带车辆托带轮疲劳可靠度计算系统，基于工况分散性，应用在履带车辆托带轮控制装置中。履带车辆包括托带轮及履带车辆托带轮疲劳可靠度计算系统。本实施例还提供了一种计算机程序产品，包括用于执行该履带车辆托带轮疲劳可靠度计算系统的计算机程序代码。
具体地，如图2所示，托带轮疲劳可靠度计算系统包括第一确定单元101、第二确定单元102、第三确定单元103、模型建立单元104、统计分布确定单元105、可靠度计算单元106，其中：
第一确定单元101，用于检测及确定给定任务剖面涉及的不同工况类型及不同工况类型下的里程占比分布。
第二确定单元102，用于基于履带车辆托带轮结构疲劳机理分析及工况参数的显著性分析，确定履带车辆托带轮的薄弱单元及对应的工况敏感参数。
第三确定单元103，用于在基于工况分散性的前提下，利用履带车辆托带轮的多体动力学仿真模型，获取履带车辆托带轮载荷谱并确定履带车辆托带轮的薄弱单元单位里程疲劳损伤量。
模型建立单元104，用于基于履带车辆托带轮的薄弱单元单位里程疲劳损伤量与工况敏感参数确定二者之间的定量关系，建立不同工况类型下的响应面模型。
统计分布确定单元105，用于对工况敏感参数进行离散化处理，确定不同工况类型下工况敏感参数对应的统计分布。
可靠度计算单元106，用于通过MATLAB程序从工况敏感参数统计分布中随机抽取n个样本，代入响应面模型中确定履带车辆托带轮的单位里程疲劳损伤量，基于单位里程疲劳损伤量计算任务剖面下的累积疲劳损伤量，将累积疲劳损伤量与损伤阈值进行比较，然后经过n次抽取和n次比较，统计未失效样本数量，计算该任务剖面下的履带车辆托带轮疲劳可靠度。
此外，本发明还提供了一种基于工况分散性的履带车辆托带轮疲劳可靠度计算方法，如图3所示，该方法具体步骤如下：
步骤S101：任务剖面分析：检测及确定给定任务剖面涉及的不同工况类型及不同工况类型下的里程占比分布，如图3所示，某履带车辆托带轮任务剖面的分析结果如表1所示，不同工况类型包括4种路面等级，分别为C级路面、D级路面、E级路面和F级路面。四种路面等级按面层材料的组成、结构强度、路面所能承担的交通任务和使用品质进行划分，可以为高级路面、次高级路面、中级路面和低级路面，其中C-F级路面与划分的路面等级相对应。给定总里程数，根据里程占比分布确定不同工况类型下的里程数，本实施例中，任务剖面总里程为10000km，C级路面里程数为1000km，D级路面里程数为3000km，E级路面里程数为3000km，F级路面里程数为3000km。通过不同工况类型下的里程数考虑工况分散性，避免因工况强随机性影响疲劳可靠度计算。
表1某履带车辆托带轮任务剖面分析表
步骤S102：工况敏感参数分析：在步骤S101的基础上，结合履带车辆托带轮的性能参数和结构原理，托带轮焊缝5处在不同路况下均易出现局部应力集中，且断裂频率高，即确定托带轮焊缝5处为薄弱单元，易发生疲劳断裂。基于薄弱单元出发计算托带轮的疲劳可靠度，保证托带轮整体结构的可靠性，避免因部分结构失效影响整体结构可靠性。在基础上，进行工况显著性分析，分析结果显示，路面等级和行驶速度对托带轮焊缝5处疲劳损伤影响最为剧烈，因此，将路面等级和行驶速度作为工况敏感参数。
步骤S103：疲劳损伤计算：在步骤S102的基础上，建立履带车辆托带轮的多体动力学模型，获取履带车辆托带轮载荷谱并确定履带车辆托带轮的薄弱单元单位里程疲劳损伤量。以总里程10000km为前提，开展全因子仿真试验，并计算各试验条件下履带车辆托带轮焊缝5处的单位里程疲劳损伤量，结果如表2所示。
表2履带车辆车体托带轮焊缝处疲劳损伤量仿真结果
步骤S104：响应面模型构建：在步骤S103的基础上，确定单位里程疲劳损伤量与工况敏感参数之间的定量关系，构建对应工况类型下的响应面模型，具体地即路面等级下的响应面模型。
根据表2仿真结果进行多项式拟合，进一步获得各路面等级下的变量为履带车辆托带轮单位里程疲劳损伤量与行驶速度的多项式响应面模型。
Qc＝1.991×10-7×Vc-5.12×10-6 (1)
式中，Qc表示C级路面下单位里程疲劳损伤量，Vc表示C级路面下履带车辆行驶速度，单位为km/h。
Qd＝3.256×10-8×Vd 2-2.641×10-6×Vd+5.675×10-5 (2)
式中，Qd表示D级路面下单位里程疲劳损伤量，Vd表示D级路面下履带车辆行驶速度，单位为km/h。
Qe＝-5.539×10-10×Ve 3+4.723×10-8×Ve 2-3.079×10-5 (3)
式中，Qe表示E级路面下单位里程疲劳损伤量，Ve表示E级路面下履带车辆行驶速度，单位为km/h。
Qf＝-4.727×10-9×Vf 3+6.993×10-7×Vf 2-3.313×10-5×Vf+0.0005293 (4)
式中，Qf表示F级路面下单位里程疲劳损伤量，Vf表示F级路面下履带车辆行驶速度，单位为km/h。
步骤S105：工况随机分布确定：在步骤S104的基础上，将工况敏感参数离散化处理，选取不同工况类型下的对应的统计分布。即对一个给定的参数值，赋予它一个离散系数，形成包含此参数值的一个参数域，进行离散化处理后确定一个随机分布的相关参数值。下面假设履带车辆在该地域行驶时，在不同路面级别下行驶速度均服从正态分布，给出各路面等级的统计分布的示意如下：
C级路面下，行驶速度Vc服从均值为45km/h，标准差为10km/h的正态分布，即Vc～Nc(45,10)；
D级路面下，行驶速度Vd服从均值为40km/h，标准差为15km/h的正态分布，即Vd～Nd(40,15)；
E级路面下，行驶速度Ve服从均值为35km/h，标准差为15km/h的正态分布，即Ve～Ne(35,15)；
F级路面下，行驶速度Vf服从均值为25km/h，标准差为20km/h的正态分布，即Vf～Nf(25,20)。
步骤S106：考虑分散性的履带车辆托带轮疲劳可靠度计算：在步骤S104和S105的基础上，通过MATLAB程序从工况敏感参数统计分布中随机抽取n个样本，代入不同工况类型下的多项式响应面模型中，得到不同工况类型下的单位里程损伤量。
根据线性疲劳损伤累积理论，在一定里程内，若托带轮焊缝结构损伤累积大于1，则认为结构发生失效。假定在任务总里程Y内，各路面级别对应的里程分别为Yckm/h、Ydkm/h、Yekm/h和Yfkm/h。根据行驶速度的正态分布进行M次抽样，在第i次抽样时，其托带轮焊缝结构累积损伤Qmi为
Qmi＝Yci×Qci+Ydi×Qdi+Yei×Qei+Yfi×Qfi (5)
式中，Yci表示第i个样本在C级路面的里程，Qci表示第i个样本在C级路面的单位里程疲劳损伤量；Ydi表示第i个样本在D级路面的里程，Qdi表示第i个样本在D级路面的单位里程疲劳损伤量；Yei表示第i个样本在E级路面的里程，Qei表示第i个样本在E级路面的单位里程疲劳损伤量；Yfi表示第i个样本在F级路面的里程，Qfi表示第i个样本在F级路面的单位里程疲劳损伤量。
将计算获得的托带轮焊缝结构在任务剖面下的累积损伤量与Miner理论规定的损伤阈值进行比较，然后通过n次抽取和n次比较，统计未失效样本数量，确定该任务剖面下疲劳可靠度，如图4所示。
当Qmi>1时，说明此样本发生失效，累计失效数加1；当Qmi≤1时，说明此样本完好，未发生失效。直到所有样本抽取完毕，最后统计托带轮疲劳失效样本数量为m，从而得到托带轮疲劳任务可靠度R为
R＝1-m/M
其中，M为根据行驶速度的正态分布进行抽样的次数。
在给定任务剖面中，即总里程Y是10000km时，抽样1000000次，共发生189790次失效，此时，托带轮疲劳任务可靠度是0.8102。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种履带车辆托带轮疲劳可靠度计算系统，其特征在于，包括第一确定单元、第二确定单元、第三确定单元、模型建立单元、统计分布确定单元和可靠度计算单元，其中：
给定总里程数，根据里程占比分布确定不同工况类型下的里程数；所述工况类型为路面等级；
所述第一确定单元用于检测及确定给定任务剖面涉及的不同工况类型及不同工况类型下的里程占比分布；
所述第二确定单元用于基于履带车辆托带轮结构疲劳机理分析及工况参数的显著性分析，确定履带车辆托带轮的薄弱单元及对应的工况敏感参数；
所述第三确定单元用于在基于工况分散性的前提下，利用履带车辆托带轮的多体动力学仿真模型，获取履带车辆托带轮载荷谱并确定履带车辆托带轮的薄弱单元单位里程疲劳损伤量；
所述模型建立单元用于基于所述履带车辆托带轮的薄弱单元单位里程疲劳损伤量与所述工况敏感参数确定二者之间的定量关系，建立所述不同工况类型下的响应面模型；所述响应面模型为变量为不同路面等级下的履带车辆托带轮单位里程疲劳损伤量与行驶速度的多项式响应面模型；所述不同路面等级包括4种，分别为C级路面、D级路面、E级路面和F级路面，其中，
Qc＝1.991×10-7×Vc-5.12×10-6
式中，Qc表示C级路面下单位里程疲劳损伤量，Vc表示C级路面下履带车辆行驶速度；
Qd＝3.256×10-8×Vd 2-2.641×10-6×Vd+5.675×10-5
式中，Qd表示D级路面下单位里程疲劳损伤量，Vd表示D级路面下履带车辆行驶速度；
Qe＝-5.539×10-10×Ve 3+4.723×10-8×Ve 2-3.079×10-5
式中，Qe表示E级路面下单位里程疲劳损伤量，Ve表示E级路面下履带车辆行驶速度；
Qf＝-4.727×10-9×Vf 3+6.993×10-7×Vf 2-3.313×10-5×Vf+0.0005293
式中，Qf表示F级路面下单位里程疲劳损伤量，Vf表示F级路面下履带车辆行驶速度，其中，行驶速度单位为km/h；
所述统计分布确定单元用于对所述工况敏感参数进行离散化处理，确定所述不同工况类型下的工况敏感参数对应的统计分布；
所述可靠度计算单元用于从所述工况敏感参数对应的统计分布中随机抽取n个样本，代入响应面模型中确定履带车辆托带轮的单位里程疲劳损伤量，基于所述单位里程疲劳损伤量计算任务剖面下的累积疲劳损伤量，所述任务剖面下的累积疲劳损伤量为Qmi，
Qmi＝Yci×Qci+Ydi×Qdi+Yei×Qei+Yfi×Qfi
式中，Yci表示第i个样本在C级路面的里程，Qci表示第i个样本在C级路面的单位里程损伤量；Ydi表示第i个样本在D级路面的里程，Qdi表示第i个样本在D级路面的单位里程损伤量；Yei表示第i个样本在E级路面的里程，Qei表示第i个样本在E级路面的单位里程损伤量；Yfi表示第i个样本在F级路面的里程，Qfi表示第i个样本在F级路面的单位里程损伤量；将所述累积疲劳损伤量与损伤阈值进行比较，然后经过n次抽取和n次比较，统计未失效样本数量，计算所述任务剖面下的履带车辆托带轮疲劳可靠度；所述履带车辆托带轮疲劳可靠度为R，
R＝1-m/M
其中，m为所述履带车辆托带轮疲劳失效样本数，M为根据所述工况敏感参数统计分布进行抽样的次数。
2.如权利要求1所述的履带车辆托带轮疲劳可靠度计算系统，其特征在于，所述工况敏感参数为在对所述薄弱单元的疲劳损伤影响最大的工况影响因素。
3.根据权利要求1所述的履带车辆托带轮疲劳可靠度计算系统，其特征在于，所述第三确定单元根据所述载荷谱进行雨流计数法，确定所述履带车辆托带轮的薄弱单元单位里程疲劳损伤量。
4.一种基于权利要求1-3中任一项所述的履带车辆托带轮疲劳可靠度计算系统的计算方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：
步骤S101：检测及确定给定任务剖面涉及的不同工况类型及不同工况类型下的里程占比分布；
步骤S102：基于履带车辆托带轮结构疲劳机理分析及工况参数的显著性分析，确定履带车辆托带轮的薄弱单元及对应的工况敏感参数；
步骤S103：在基于工况分散性的前提下，利用履带车辆托带轮的多体动力学仿真模型，获取履带车辆托带轮载荷谱并确定履带车辆托带轮的薄弱单元单位里程疲劳损伤量；
步骤S104：基于所述履带车辆托带轮的薄弱单元单位里程疲劳损伤量与所述工况敏感参数确定二者之间的定量关系，建立不同工况类型下的响应面模型；
步骤S105：对所述工况敏感参数进行离散化处理，确定不同工况类型下工况敏感参数对应的统计分布；
步骤S106：通过MATLAB程序从所述工况敏感参数统计分布中随机抽取n个样本，代入响应面模型中确定履带车辆托带轮的单位里程疲劳损伤量，基于所述单位里程疲劳损伤量计算任务剖面下的累积疲劳损伤量，将所述累积疲劳损伤量与损伤阈值进行比较，然后经过n次抽取和n次比较，统计未失效样本数量，计算所述任务剖面下的履带车辆托带轮疲劳可靠度。
5.一种履带车辆，其特征在于，所述履带车辆包括托带轮及如权利要求1-3中任一项所述的履带车辆托带轮疲劳可靠度计算系统。
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