CN114330042A - 基于sn曲线的程序载荷谱编制方法、系统和存储介质 - Google Patents

基于sn曲线的程序载荷谱编制方法、系统和存储介质 Download PDF

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CN114330042A CN202111300033.4A CN202111300033A CN114330042A CN 114330042 A CN114330042 A CN 114330042A CN 202111300033 A CN202111300033 A CN 202111300033A CN 114330042 A CN114330042 A CN 114330042A
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Abstract

本发明公开了一种基于SN曲线的程序载荷谱编制方法，包括：获得构件的应力‑载荷函数关系，转化为等效应力谱再转化为第一指定形式雨流矩阵；外推计算得到最大应力幅值和第二指定形式的外推雨流矩阵；将外推后应力幅值和应力均值的二维应力谱等效为均值为0的一维应力谱；反推计算出每一级应力幅值；将所述一维应力谱进行分级，完成随机应力谱载荷的分级；将每一级的应力幅值换算为载荷幅值，得到一维的程序载荷谱；指定程序块循环次数，确定载荷块中每一级载荷的次数，对载荷程序块进行指定排列，完成程序载荷的编制。本发明还公开了一种基于SN曲线的程序载荷谱编制系统和一种用于执行基于SN曲线的程序载荷谱编制方法中步骤的计算机可读存储介质。

Description

基于SN曲线的程序载荷谱编制方法、系统和存储介质
技术领域
本发明涉及交通运输领域，特别涉及一种用于各类车辆底盘载荷计算中使用的基于SN曲线的程序载荷谱编制方法；以及，一种用于各类车辆底盘载荷计算中使用的基于SN曲线的程序载荷谱编制系统，一种用于执行所述基于SN曲线的程序载荷谱编制方法中各步骤的计算机可读存储介质。
背景技术
SN曲线是以材料标准试件疲劳强度为纵坐标，以疲劳寿命的对数值lg N为横坐标，表示一定循环特征下标准试件的疲劳强度与疲劳寿命之间关系的曲线，也称应力－寿命曲线。
雨流计数结果通常采用矩阵的形式进行描述，每一个矩阵单元的行和列代表了一个特定的循环参数对，其中初值-终值(From-To)雨流矩阵、幅值-均值(Range-Mean)雨流矩阵和最小值-最大值(Min-Max)雨流矩阵是最为常见的三种。From-To雨流矩阵中，主对角线以下的载荷循环表征载荷转折点极大值发生于载荷转折点极小值之前，主对角线以上的载荷循环表征载荷转折点极小值发生于载荷转折点极大值之前。在损伤计算中，区分转折点极大值或极小值的先后顺序并无太大必要，可将这部分信息略去，主对角线上下的载荷循环合并，形成Min-Max雨流矩阵。Range-Mean雨流矩阵包含了具体载荷的幅值和均值分布信息。
在程序加载试验中，需要将随机载荷频谱用程序载荷谱来模拟，一般可以编制4～16级的程序载荷谱，这要根据载荷谱水平和级数对疲劳寿命的影响大小而定。一般来说，试验寿命与随机载荷谱的误差，4级载荷谱要比8级载荷谱大，而超过8级的载荷谱则和8级载荷谱极为相近，一般用8级程序载荷谱。8级程序载荷谱中各级载荷大小的划分一般有等间隔法和幅值比(某级载荷值与最大载荷值之比)系数法，常按Conover幅值比系数1.0、0.95、0.85、0.725、0.575、0.425、0.275、0.125分级。
现有技术用8级程序载荷谱来模拟随机载荷谱，比值系数采用固定值，该比值系数与随机载荷谱的特性无关。对于一些特殊的随机载荷谱，会产生较大的误差。疲劳寿命对数值大的幅值比较敏感，对数值大的幅值分较多的级数能够减小疲劳计算的误差。而现有技术中的幅值比值系数固定，不能够在数值大的幅值范围分更多的级数，且不能控制由分级引起的疲劳寿命误差的大小。现有技术的解决方案是：同时考虑载荷和频次的影响，对两载荷级间的频次进行分配，改善了用区域面积近似相等方法使损伤效应比原载荷谱小的情况，和用两载荷级间频次上下两级平分使损伤效应比原工作载荷谱大的情况。对两级间的载荷频次进行合理分配，计算过程较复杂。采用等间隔法将传统8级谱的强化载荷再次分级形成10级谱，反映了低载荷的强化效应。仍然无法控制由分级方法引起疲劳寿命计算误差的范围。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念,该简化形式的概念均为本领域现有技术简化，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
本发明要解决的技术问题是提供一种基于材料的SN曲线，能控制分级疲劳寿命计算误差，并能根据分级疲劳寿命计算误差要求获得不同程序载荷谱分级方案的程序载荷谱编制方法。
相应的，本发明还提供了一种用于执行所述基于SN曲线的程序载荷谱编制方法中各步骤的计算机可读存储介质；
以及，一种基于材料的SN曲线能控制分级疲劳寿命计算误差，并能根据分级疲劳寿命计算误差要求获得不同程序载荷谱分级方案的程序载荷谱编制系统。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于SN曲线的程序载荷谱编制方法，包括以下步骤：
S1，建立构件的有限元计算模型，进行构件受力点的受力仿真获得构件最大受力位置的应力-载荷数据，将应力-载荷数据进行拟合得到应力-载荷函数关系；
S2，利用应力-载荷函数关系将构件试验场测得的随机载荷谱转化为等效应力谱；
S3，将等效应力谱转化为第一指定形式雨流矩阵；
S4，将第一指定形式雨流矩阵外推计算得到最大应力幅值，并以第二指定形式的雨流矩阵表示外推得到的雨流矩阵；
S5，根据构件材料极限强度SUTS,将外推后的应力幅值和应力均值的二维应力谱等效为均值为0的一维应力谱，该一维应力谱的最大应力幅值为σmax，该一维应力谱的最小应力幅值为σmin；
S6，指定疲劳寿命误差控制因子p％，确定构件材料每一级应力幅值σi对应的疲劳寿命为Ni，再根据公式(1)结合材料SN曲线反推出每一级应力幅值σi；
Ni＝Ni-1*(1+p％)＝N1*(1+p％)(i-1) 公式(1)；
其中，第1级的应力幅值σ1＝σmax，根据构件的材料SN曲线，第1级的应力幅值σ1对应的疲劳寿命为N1，则第i级的应力幅值为σi，对应的疲劳寿命为Ni，疲劳寿命误差控制因子p％；
S7，将所述一维应力谱进行分级，应力幅值数值在相邻两级σi、σi+1数值之间，将其出现的频次归为第i+1级或第i级，应力幅值为σi+1或σi,统计每级应力幅值σi出现的频次ni，完成随机应力谱载荷的分级；
S8，根据构件的应力-载荷函数关系，将每一级的应力幅值换算为载荷幅值，得到一维的程序载荷谱；
S9，指定程序块循环次数，确定载荷块中每一级载荷的次数，对载荷程序块进行指定排列，完成程序载荷的编制。
可选择的，进一步改进所述基于SN曲线的程序载荷谱编制方法，所述SN曲线是采用幂函数、指数函数或三参数幂函数的表达式，或试验测得的离散点。
可选择的，进一步改进所述基于SN曲线的程序载荷谱编制方法，步骤S3中，通过雨流计数将等效应力谱转化为谱“From-To”形式的雨流矩阵，总频次为N0
可选择的，进一步改进所述基于SN曲线的程序载荷谱编制方法，步骤S4中，采用非参数雨流外推算法将“From-To”形式雨流矩阵外推计算得到外推的最大应力幅值，并以第二指定形式的雨流矩阵表示外推得到的雨流矩阵。
可选择的，进一步改进所述基于SN曲线的程序载荷谱编制方法，外推到总频次为M,M≥106次，外推倍数k＝M/N0，将外推雨流矩阵以“Range-Mean”形式的雨流矩阵表示。
可选择的，进一步改进所述基于SN曲线的程序载荷谱编制方法，步骤S5中采用公式(2)进行等效处理：
Figure BDA0003337970200000041
Sa为应力幅值，Sa0为等效0均值应力，Sm为应力均值，SUTS为材料极限强度。
最大应力幅值为σmax，最小应力幅值为σmin。
可选择的，进一步改进所述基于SN曲线的程序载荷谱编制方法，步骤S7中分级下限为σmin与0.5倍构件疲劳极限中的较大值；
当σmin＜0.5σe分级至0.5σe，当σmin≥0.5σe，分级至σmin，σe为构件材料疲劳极限；
根据构件材料的SN曲线、第i级的应力幅值σi及频次ni，求出第i级对应的总损伤Di，并剔除Di可忽略不计的载荷级，压缩载荷谱再完成随机应力谱载荷的分级。
可选择的，进一步改进所述基于SN曲线的程序载荷谱编制方法，步骤S9包括：编制的载荷谱块循环次数为ω，ω≥10，每个程序块中第i级载荷的次数θi，则
Figure BDA0003337970200000042
采用低-高-低的排列方式对载荷程序块进行排列，完成程序载荷的编制。
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于执行上述任意一项所述基于SN曲线的程序载荷谱编制方法中步骤的计算机可读存储介质。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于SN曲线的程序载荷谱编制系统(其能基于计算机编程技术手段实现)，包括：
仿真拟合模块，其用于建立构件的有限元计算模型，进行构件受力点的受力仿真获得构件最大受力位置的应力-载荷数据，将应力-载荷数据进行拟合得到应力-载荷函数关系；
转换模块，其利用应力-载荷函数关系将构件试验场测得的随机载荷谱转化为等效应力谱，将等效应力谱转化为第一指定形式雨流矩阵；
外推计算模块，其用于将第一指定形式雨流矩阵外推计算得到最大应力幅值，并以第二指定形式的雨流矩阵表示外推得到的雨流矩阵；
等效模块，其根据构件材料极限强度SUTS,将外推后的应力幅值和应力均值的二维应力谱等效为均值为0的一维应力谱，该一维应力谱的最大应力幅值为σmax，该一维应力谱的最小应力幅值为σmin；
应力幅值计算模块，其根据指定疲劳寿命误差控制因子p％，确定构件材料每一级应力幅值σi对应的疲劳寿命为Ni，再根据公式(1)结合材料SN曲线反推出每一级应力幅值σi；
Ni＝Ni-1*(1+p％)＝N1*(1+p％)(i-1) 公式(1)；
其中，第1级的应力幅值σ1＝σmax，根据构件的材料SN曲线，第1级的应力幅值σ1对应的疲劳寿命为N1，则第i级的应力幅值为σi，对应的疲劳寿命为Ni，疲劳寿命误差控制因子p％；
分级模块，将所述一维应力谱进行分级，应力幅值数值在相邻两级σi、σi+1数值之间，将其出现的频次归为第i+1级或第i级，应力幅值为σi+1或σi,统计每级应力幅值σi出现的频次ni，完成随机应力谱载荷的分级；
程序载荷编制模块，其根据构件的应力-载荷函数关系，将每一级的应力幅值换算为载荷幅值，得到一维的程序载荷谱；指定程序块循环次数，确定载荷块中每一级载荷的次数，对载荷程序块进行指定排列。
可选择的，进一步改进所述所述基于SN曲线的程序载荷谱编制系统，所述SN曲线是采用幂函数、指数函数或三参数幂函数的表达式，或试验测得的离散点。
可选择的，进一步改进所述所述基于SN曲线的程序载荷谱编制系统，转换模块通过雨流计数将等效应力谱转化为谱“From-To”形式的雨流矩阵，总频次为N0
可选择的，进一步改进所述所述基于SN曲线的程序载荷谱编制系统，外推计算模块采用非参数雨流外推算法将“From-To”形式雨流矩阵外推计算得到外推的最大应力幅值，并以第二指定形式的雨流矩阵表示外推得到的雨流矩阵。
可选择的，进一步改进所述所述基于SN曲线的程序载荷谱编制系统，外推到总频次为M,M≥106次，外推倍数k＝M/N0，将外推雨流矩阵以“Range-Mean”形式的雨流矩阵表示。
可选择的，进一步改进所述所述基于SN曲线的程序载荷谱编制系统，等效模块采用公式(2)进行等效处理；
Figure BDA0003337970200000061
Sa为应力幅值，Sa0为等效0均值应力，Sm为应力均值，SUTS为材料极限强度。
最大应力幅值为σmax，最小应力幅值为σmin。
可选择的，进一步改进所述所述基于SN曲线的程序载荷谱编制系统，分级模块的分级下限为σmin与0.5倍构件疲劳极限中的较大值；
当σmin＜0.5σe分级至0.5σe，当σmin≥0.5σe，分级至σmin，σe为构件材料疲劳极限；
根据构件材料的SN曲线、第i级的应力幅值σi及频次ni，求出第i级对应的总损伤Di，并剔除Di可忽略不计的载荷级，压缩载荷谱再完成随机应力谱载荷的分级。
可选择的，进一步改进所述所述基于SN曲线的程序载荷谱编制系统，程序载荷编制模块编制的载荷谱块循环次数为ω，ω≥10，每个程序块中第i级载荷的次数θi，则
Figure BDA0003337970200000062
采用低-高-低的排列方式对载荷程序块进行排列。
本发明基于材料的SN曲线，引入疲劳寿命误差控制因子p％。其根据指定疲劳寿命误差控制因子p％，确定构件材料每一级应力幅值σi对应的疲劳寿命为Ni，再根据公式(1)结合材料SN曲线反推出每一级应力幅值σi，结合构件材料的SN曲线，可以控制分级导致疲劳寿命计算误差的范围，且可根据不同的疲劳寿命计算误差要求得到不同的分级方案，得到每一级产生的总损伤，根据总损伤的大小及占比情况，剔除相应的载荷级，在保证计算准确的前提下，合理的压缩载荷谱。
附图说明
本发明附图旨在示出根据本发明的特定示例性实施例中所使用的方法、结构和/或材料的一般特性，对说明书中的描述进行补充。然而，本发明附图是未按比例绘制的示意图，因而可能未能够准确反映任何所给出的实施例的精确结构或性能特点，本发明附图不应当被解释为限定或限制由根据本发明的示例性实施例所涵盖的数值或属性的范围。下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是本发明流程示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容充分地了解本发明的其他优点与技术效果。本发明还可以通过不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点加以应用，在没有背离发明总的设计思路下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明下述示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的具体实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性具体实施例的技术方案充分传达给本领域技术人员。
第一实施例；
参考图1所示，本发明提供一种基于SN曲线的程序载荷谱编制方法，包括以下步骤：
S1，建立构件的有限元计算模型，进行构件受力点的受力仿真获得构件最大受力位置的应力-载荷数据，将应力-载荷数据进行拟合得到应力-载荷函数关系；
S2，利用应力-载荷函数关系将构件试验场测得的随机载荷谱转化为等效应力谱；
S3，将等效应力谱转化为第一指定形式雨流矩阵；
S4，将第一指定形式雨流矩阵外推计算得到最大应力幅值，并以第二指定形式的雨流矩阵表示外推得到的雨流矩阵；
S5，根据构件材料极限强度SUTS,将外推后的应力幅值和应力均值的二维应力谱等效为均值为0的一维应力谱，该一维应力谱的最大应力幅值为σmax，该一维应力谱的最小应力幅值为σmin；
S6，指定疲劳寿命误差控制因子p％，确定构件材料每一级应力幅值σi对应的疲劳寿命为Ni，再根据公式(1)结合材料SN曲线反推出每一级应力幅值σi；
Ni＝Ni-1*(1+p％)＝N1*(1+p％)(i-1) 公式(1)；
其中，第1级的应力幅值σ1＝σmax，根据构件的材料SN曲线，第1级的应力幅值σ1对应的疲劳寿命为N1，则第i级的应力幅值为σi，对应的疲劳寿命为Ni，疲劳寿命误差控制因子p％；
S7，将所述一维应力谱进行分级，应力幅值数值在相邻两级σi、σi+1数值之间，将其出现的频次归为第i+1级或第i级，应力幅值为σi+1或σi,统计每级应力幅值σi出现的频次ni，完成随机应力谱载荷的分级；
S8，根据构件的应力-载荷函数关系，将每一级的应力幅值换算为载荷幅值，得到一维的程序载荷谱；
S9，指定程序块循环次数，确定载荷块中每一级载荷的次数，对载荷程序块进行指定排列，完成程序载荷的编制。
第二实施例；
参考图1所示，本发明提供一种基于SN曲线的程序载荷谱编制方法，所述SN曲线可选择性的采用幂函数、指数函数、三参数幂函数等表达式，或试验测得的离散点，包括以下步骤：
S1，建立构件的有限元计算模型，在受力点施加一系列不同大小的载荷，进行构件受力点的受力仿真获得构件最大受力位置的应力-载荷数据，将应力-载荷数据进行拟合得到应力-载荷函数关系；
S2，利用应力-载荷函数关系将构件试验场测得的随机载荷谱转化为等效应力谱；
S3，将等效应力谱转化为“From-To”形式的雨流矩阵，总频次为N0；
S4，利用nCode软件，通过非参数雨流外推算法，采用Epanechenikov核函数，将“From-To”形式的雨流矩阵外推计算，外推到总频次为M,M≥106次，得到最大应力幅值，即最大应力幅值是106循环中只发生一次的幅值，外推倍数k＝M/N0，将外推雨流矩阵以“Range-Mean”形式的雨流矩阵表示；
S5，根据构件材料极限强度SUTS,采用Goodman公式，将外推后的应力幅值和应力均值的二维应力谱采用公式(2)等效为均值为0的一维应力谱，该一维应力谱的最大应力幅值为σmax，该一维应力谱的最小应力幅值为σmin；
Figure BDA0003337970200000091
Sa为应力幅值(单位MPa)，Sa0为等效0均值应力(单位MPa)，Sm为应力均值(单位MPa)，SSTU为材料极限强度(单位MPa)；
S6，指定疲劳寿命误差控制因子p％，确定构件材料每一级应力幅值σi对应的疲劳寿命为Ni，再根据公式(1)结合材料SN曲线反推出每一级应力幅值σi；
Ni＝Ni-1*(1+p％)＝N1*(1+p％)(i-1) 公式(1)；
其中，第1级的应力幅值σ1＝σmax，根据构件的材料SN曲线，第1级的应力幅值σ1对应的疲劳寿命为N1，则第i级的应力幅值为σi，对应的疲劳寿命为Ni；
S7，将所述一维应力谱进行分级，应力幅值数值在相邻两级σi、σi+1数值之间，将其出现的频次归为第i+1级或第i级，应力幅值为σi+1或σi,统计每级应力幅值σi出现的频次ni，根据构件材料的SN曲线、第i级的应力幅值σi及频次ni，求出第i级对应的总损伤Di，并剔除Di可忽略不计的载荷级，压缩载荷谱再完成随机应力谱载荷的分级，由分级产生的疲劳寿命误差可控，在p％以内；分级下限为σmin与0.5倍构件疲劳极限中的较大值；
当σmin＜0.5σe分级至0.5σe，当σmin≥0.5σe，分级至σmin，σe为构件材料疲劳极限；
S8，根据构件的应力-载荷函数关系，将每一级的应力幅值换算为载荷幅值，得到一维的程序载荷谱；
S9，编制的载荷谱块循环次数为ω，ω≥10，每个程序块中第i级载荷的次数θi，则
Figure BDA0003337970200000101
采用低-高-低的排列方式对载荷程序块进行排列，完成程序载荷的编制。
第三实施例；
本发明提供一种用于第一实施例或第二实施例任意一项所述基于SN曲线的程序载荷谱编制方法中步骤的计算机可读存储介质。
第四实施例；
本发明提供一种基于SN曲线的程序载荷谱编制系统，包括：
仿真拟合模块，其用于建立构件的有限元计算模型，进行构件受力点的受力仿真获得构件最大受力位置的应力-载荷数据，将应力-载荷数据进行拟合得到应力-载荷函数关系；
转换模块，其利用应力-载荷函数关系将构件试验场测得的随机载荷谱转化为等效应力谱，将等效应力谱转化为第一指定形式雨流矩阵；
外推计算模块，其用于将第一指定形式雨流矩阵外推计算得到最大应力幅值,并以第二指定形式的雨流矩阵表示外推得到的雨流矩阵；
等效模块，其根据构件材料极限强度SUTS,将外推后的应力幅值和应力均值的二维应力谱等效为均值为0的一维应力谱，该一维应力谱的最大应力幅值为σmax，该一维应力谱的最小应力幅值为σmin；
应力幅值计算模块，其根据指定疲劳寿命误差控制因子p％，确定构件材料每一级应力幅值σi对应的疲劳寿命为Ni，再根据公式(1)结合材料SN曲线反推出每一级应力幅值σi；
Ni＝Ni-1*(1+p％)＝N1*(1+p％)(i-1) 公式(1)；
其中，第1级的应力幅值σ1＝σmax，根据构件的材料SN曲线，第1级的应力幅值σ1对应的疲劳寿命为N1，则第i级的应力幅值为σi，对应的疲劳寿命为Ni，疲劳寿命误差控制因子p％；
分级模块，将所述一维应力谱进行分级，应力幅值数值在相邻两级σi、σi+1数值之间，将其出现的频次归为第i+1级或第i级，应力幅值为σi+1或σi,统计每级应力幅值σi出现的频次ni，完成随机应力谱载荷的分级；
程序载荷编制模块，其根据构件的应力-载荷函数关系，将每一级的应力幅值换算为载荷幅值，得到一维的程序载荷谱；指定程序块循环次数，确定载荷块中每一级载荷的次数，对载荷程序块进行指定排列。
第四实施例；
本发明提供一种基于SN曲线的程序载荷谱编制系统，其能基于计算机编程技术手段实现，所述SN曲线可选择性的采用幂函数、指数函数、三参数幂函数等表达式，或试验测得的离散点，包括：
仿真拟合模块，其用于建立构件的有限元计算模型，在受力点施加一系列不同大小的载荷，进行构件受力点的受力仿真获得构件最大受力位置的应力-载荷数据，将应力-载荷数据进行拟合得到应力-载荷函数关系；
转换模块，其利用应力-载荷函数关系将构件试验场测得的随机载荷谱转化为等效应力谱，通过雨流计数将等效应力谱转化为谱“From-To”形式的雨流矩阵，总频次为N0；
外推计算模块，采用非参数雨流外推算法将“From-To”形式雨流矩阵外推计算得到外推的最大应力幅值,并以第二指定形式的雨流矩阵表示外推得到的雨流矩阵，外推到总频次为M,M≥106次，外推倍数k＝M/N0，将外推雨流矩阵以“Range-Mean”形式的雨流矩阵表示；
等效模块，其采用公式(2)根据构件材料极限强度SUTS,将外推后的应力幅值和应力均值的二维应力谱等效为均值为0的一维应力谱，该一维应力谱的最大应力幅值为σmax，该一维应力谱的最小应力幅值为σmin；
Figure BDA0003337970200000121
Sa为应力幅值，Sa0为等效0均值应力，Sm为应力均值，SUTS为材料极限强度。
最大应力幅值为σmax，最小应力幅值为σmin；
应力幅值计算模块，其根据指定疲劳寿命误差控制因子p％，确定构件材料每一级应力幅值σi对应的疲劳寿命为Ni，再根据公式(1)结合材料SN曲线反推出每一级应力幅值σi；
Ni＝Ni-1*(1+p％)＝N1*(1+p％)(i-1) 公式(1)；
其中，第1级的应力幅值σ1＝σmax，根据构件的材料SN曲线，第1级的应力幅值σ1对应的疲劳寿命为N1，则第i级的应力幅值为σi，对应的疲劳寿命为Ni，疲劳寿命误差控制因子p％；
分级模块，分级下限为σmin与0.5倍构件疲劳极限中的较大值，将所述一维应力谱进行分级，当σmin＜0.5σe分级至0.5σe，当σmin≥0.5σe，分级至σmin，σe为构件材料疲劳极限；根据构件材料的SN曲线、第i级的应力幅值σi及频次ni，求出第i级对应的总损伤Di，并剔除Di可忽略不计的载荷级，压缩载荷谱；
应力幅值数值在相邻两级σi、σi+1数值之间，将其出现的频次归为第i+1级或第i级，应力幅值为σi+1或σi,统计每级应力幅值σi出现的频次ni，完成随机应力谱载荷的分级；
程序载荷编制模块，其根据构件的应力-载荷函数关系，将每一级的应力幅值换算为载荷幅值，得到一维的程序载荷谱；载荷谱块循环次数为ω，ω≥10，每个程序块中第i级载荷的次数θi，则
Figure BDA0003337970200000131
采用低-高-低的排列方式对载荷程序块进行排列。
除非另有定义，否则这里所使用的全部术语(包括技术术语和科学术语)都具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的意思相同的意思。还将理解的是，除非这里明确定义，否则诸如在通用字典中定义的术语这类术语应当被解释为具有与它们在相关领域语境中的意思相一致的意思，而不以理想的或过于正式的含义加以解释。
以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (17)

1.一种基于SN曲线的程序载荷谱编制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，建立构件的有限元计算模型，进行构件受力点的受力仿真获得构件最大受力位置的应力-载荷数据，将应力-载荷数据进行拟合得到应力-载荷函数关系；
S2，利用应力-载荷函数关系将构件试验场测得的随机载荷谱转化为等效应力谱；
S3，将等效应力谱转化为第一指定形式雨流矩阵；
S4，将第一指定形式雨流矩阵外推计算得到最大应力幅值,并以第二指定形式的雨流矩阵表示外推得到的雨流矩阵；
S5，根据构件材料极限强度SUTS,将外推后的应力幅值和应力均值的二维应力谱等效为均值为0的一维应力谱，该一维应力谱的最大应力幅值为σmax，该一维应力谱的最小应力幅值为σmin；
S6，取第一级的应力幅值σ1＝σmax,根据材料的SN曲线，对应的疲劳寿命为N1，指定疲劳寿命误差控制因子p％，确定构件材料每一级应力幅值σi对应的疲劳寿命为Ni，再根据公式(1)结合材料SN曲线反推出每一级应力幅值σi；
Ni＝Ni-1*(1+p％)＝N1*(1+p％)(i-1) 公式(1)；
S7，将所述一维应力谱进行分级，应力幅值数值在相邻两级σi、σi+1数值之间，将其出现的频次归为第i+1级或第i级，应力幅值为σi+1或σi,统计每级应力幅值σi出现的频次ni，完成随机应力谱载荷的分级；
S8，根据构件的应力-载荷函数关系，将每一级的应力幅值换算为载荷幅值，得到一维的程序载荷谱；
S9，指定程序块循环次数，确定载荷块中每一级载荷的次数，对载荷程序块进行指定排列，完成程序载荷的编制。
2.如权利要求1所述基于SN曲线的程序载荷谱编制方法，其特征在于：所述SN曲线是采用幂函数、指数函数或三参数幂函数的表达式，或试验测得的离散点。
3.如权利要求1所述基于SN曲线的程序载荷谱编制方法，其特征在于：步骤S3中，通过雨流计数将等效应力谱转化为谱“From-To”形式的雨流矩阵，总频次为N0。
4.如权利要求3所述基于SN曲线的程序载荷谱编制方法，其特征在于：步骤S4中，采用非参数雨流外推算法将“From-To”形式雨流矩阵外推计算得到外推的最大应力幅值，并以第二指定形式的雨流矩阵表示外推得到的雨流矩阵。
5.如权利要求4所述基于SN曲线的程序载荷谱编制方法，其特征在于：外推到总频次为M,M≥106次，外推倍数k＝M/N0，将外推雨流矩阵以“Range-Mean”形式的雨流矩阵表示。
6.如权利要求1所述基于SN曲线的程序载荷谱编制方法，其特征在于，步骤S5中采用公式(2)进行等效处理：
Figure RE-FDA0003537408590000021
Sa为应力幅值，Sa0为等效0均值应力，Sm为应力均值，SUTS为材料极限强度；
最大应力幅值为σmax，最小应力幅值为σmin。
7.如权利要求1所述基于SN曲线的程序载荷谱编制方法，其特征在于：步骤S7中分级下限为σmin与0.5倍构件疲劳极限中的较大值；
当σmin＜0.5σe分级至0.5σe，当σmin≥0.5σe，分级至σmin，σe为构件材料疲劳极限；
根据构件材料的SN曲线、第i级的应力幅值σi及频次ni，求出第i级对应的总损伤Di，并剔除Di可忽略不计的载荷级，压缩载荷谱再完成随机应力谱载荷的分级。
8.如权利要求1所述基于SN曲线的程序载荷谱编制方法，其特征在于，步骤S9包括：编制的载荷谱块循环次数为ω，ω≥10每个程序块中第i级载荷的次数θi，则
Figure RE-FDA0003537408590000022
采用低-高-低的排列方式对载荷程序块进行排列，完成程序载荷的编制。
9.一种用于执行权利要求1-8任意一项所述基于SN曲线的程序载荷谱编制方法中步骤的计算机可读存储介质。
10.一种基于SN曲线的程序载荷谱编制系统，其特征在于，包括：
仿真拟合模块，其用于建立构件的有限元计算模型，进行构件受力点的受力仿真获得构件最大受力位置的应力-载荷数据，将应力-载荷数据进行拟合得到应力-载荷函数关系；
转换模块，其利用应力-载荷函数关系将构件试验场测得的随机载荷谱转化为等效应力谱，将等效应力谱转化为第一指定形式雨流矩阵；
外推计算模块，其用于将第一指定形式雨流矩阵外推计算得到最大应力幅值，并以第二指定形式的雨流矩阵表示外推得到的雨流矩阵；
等效模块，其根据构件材料极限强度SUTS,将外推后的应力幅值和应力均值的二维应力谱等效为均值为0的一维应力谱，该一维应力谱的最大应力幅值为σmax，该一维应力谱的最小应力幅值为σmin；
应力幅值计算模块，取第一级的应力幅值σ1＝σmax,根据材料的SN曲线，对应的疲劳寿命为N1，其根据指定疲劳寿命误差控制因子p％，确定构件材料每一级应力幅值σi对应的疲劳寿命为Ni，再根据公式(1)结合材料SN曲线反推出每一级应力幅值σi；
Ni＝Ni-1*(1+p％)＝N1*(1+p％)(i-1) 公式(1)；
分级模块，将所述一维应力谱进行分级，应力幅值数值在相邻两级σi、σi+1数值之间，将其出现的频次归为第i+1级或第i级，应力幅值为σi+1或σi,统计每级应力幅值σi出现的频次ni，完成随机应力谱载荷的分级；
程序载荷编制模块，其根据构件的应力-载荷函数关系，将每一级的应力幅值换算为载荷幅值，得到一维的程序载荷谱；指定程序块循环次数，确定载荷块中每一级载荷的次数，对载荷程序块进行指定排列。
11.如权利要求10所述基于SN曲线的程序载荷谱编制系统，其特征在于：所述SN曲线是采用幂函数、指数函数或三参数幂函数的表达式，或试验测得的离散点。
12.如权利要求10所述基于SN曲线的程序载荷谱编制系统，其特征在于：
转换模块通过雨流计数将等效应力谱转化为谱“From-To”形式的雨流矩阵，总频次为N0。
13.如权利要求10所述基于SN曲线的程序载荷谱编制系统，其特征在于：
外推计算模块采用非参数雨流外推算法将“From-To”形式雨流矩阵外推计算得到外推的最大应力幅值，并以第二指定形式的雨流矩阵表示外推得到的雨流矩阵。
14.如权利要求13所述基于SN曲线的程序载荷谱编制系统，其特征在于：
外推到总频次为M,M≥106次，外推倍数k＝M/N0，将外推雨流矩阵以“Range-Mean”形式的雨流矩阵表示。
15.如权利要求10所述基于SN曲线的程序载荷谱编制系统，其特征在于：
等效模块采用公式(2)进行等效处理；
Figure RE-FDA0003537408590000041
Sa为应力幅值，Sa0为等效0均值应力，Sm为应力均值，SUTS为材料极限强度。
最大应力幅值为σmax，最小应力幅值为σmin。
16.如权利要求10所述基于SN曲线的程序载荷谱编制系统，其特征在于：
分级模块的分级下限为σmin与0.5倍构件疲劳极限中的较大值；
当σmin＜0.5σe分级至0.5σe，当σmin≥0.5σe，分级至σmin，σe为构件材料疲劳极限；
根据构件材料的SN曲线、第i级的应力幅值σi及频次ni，求出第i级对应的总损伤Di，并剔除Di可忽略不计的载荷级，压缩载荷谱再完成随机应力谱载荷的分级。
17.如权利要求10所述基于SN曲线的程序载荷谱编制系统，其特征在于：
程序载荷编制载荷的次数θi，则
Figure RE-FDA0003537408590000042
采用低-高-低的排列方式对载荷程序块进行排列，模块编制的载荷谱块循环次数为ω，ω≥10，每个程序块中第i级载荷的次数θi，则
Figure RE-FDA0003537408590000051
采用低-高-低的排列方式对载荷程序块进行排列。
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