一种基于监测数据的三维雨流疲劳分析方法技术

本发明专利技术公开了一种基于监测数据的三维雨流疲劳分析方法，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极值扩展为包含若干时间点的极值窗口，并提供了重排算法的并行计算优化，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，提供了相对稳定运行期数据筛选优化算法和极值窗口数据剪辑的功能，有效降低了计算量；并且本发明专利技术可直接计算任意时间段及任意时间段组合引起部件的疲劳损伤结果(CUF)，便于基于核电相关规范进行工程上的直接安全评估工作。作。作。

【技术实现步骤摘要】
一种基于监测数据的三维雨流疲劳分析方法


[0001]本专利技术涉及压力管道多轴疲劳评价的
，特指一种优化的基于监测 数据的三维雨流疲劳分析方法。

技术介绍

[0002]核电厂实际运行瞬态的参数往往比设计参数更加复杂，当前核电厂主要通 过在线疲劳监测系统分析电厂实际热循环载荷对部件疲劳寿命的影响，如美国 电力科学研究院(EPRI)开发的FatiguePro疲劳监测系统，西屋公司开发的 WESTEMSTM疲劳监测系统，德国阿海珐开发的FAMOS疲劳监测系统等。
[0003]核电厂管道承受复杂内压、热应力等复杂多轴变幅载荷作用，多轴疲劳失 效是核电厂管道的一种主要失效形式。经典的单轴疲劳计数方法因其未考虑到 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。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。并且多轴疲劳计算中影响参数较 多，疲劳监测系统计算效率偏低。为了实现多轴载荷作用下疲劳损伤评估，并 且能便捷、高效地适用于工程实际，亟需一种优化的基于监测数据三维雨流疲 劳分析方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的在于针对核电厂压力管道领域多轴循环计数的需求，提出了一 种改进的基于监测数据三维雨流疲劳分析方法。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用以下的技术方案：
[0006]步骤1)：选定监测时间范围L
i
(i为第i个时间段)内的多轴载荷历程数据， 包括数据点包含应力的六向应力分量和评估时刻的温度参数。
[0007]步骤2)：关键极值点筛选：
[0008]2.1)：利用设置应力幅阈值过滤小应力循环，降低关键极值点筛选范围。通 过下式确定应力幅阈值：
[0009]δ
t
＝2
×
P
×
S
e
ꢀꢀꢀ
(1)
[0010]其中，S
e
是相应材料的疲劳极限，基于RCC
‑
M规范材料参数确定；P是设 数据筛选百分数，取值范围为(0,60％)；
[0011]2.2)：依次比较应力历程中两时间点间的应力幅值σ
I
(i,j)，找到拐点，将之 定义为关键极值点S(k),k＝1,2,..p,v,..n。其中应力幅值由RCC
‑
M规范核一级部 件设计要求确定。
[0012]步骤3)：极值窗口扩展：
[0013]3.1):以关键极值点S(k)为基准，向前向后扫描附近的应力点，从而将单个 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 幅值小于阈值的50％；
[0014]3.2):对单个极值点扩展为包含若干点的极值窗口P(k)后的数据进行检测，要 求窗口数据时间点不多于20个，对于多于20个的数据点，借助2.1)步骤的方法 对极值窗口P(k)内的数据进行子循环的数据筛选工作，通过设定合适的P值(不 同于2.1步骤的数值)达到最终筛选出的数据点不多于20个；
[0015]3.3):进行极值窗口数据剪辑，归一化极值窗口内时间轴数据值，保证一个 极值点时间窗口内时间轴长度为1s，定义出“虚拟载荷历程”。
[0016]步骤4)：基于关键极值点S(k)进行多轴雨流计数：
[0017]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。
[0018]重排过程中，需要对关键极值点对[S(p),S(v)]进行两两配对，同时需要对配 对后极值窗口内的数据点进行两两配对以进行交变应力计算，此过程将出现 O(n4)(O为算法的渐进时间复杂度，简称时间复杂度，n表示为极值点的个数和 极值窗口内的数据点数)的时间复杂度。本专利技术通过重排算法减少循环层数以 降低时间复杂度，并且引入多线程并行计算机制，以缩短计算时间，将时间复 杂度降到O(n2)，其中局部时间复杂度降至O(nlog2n)。
[0019]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；
[0020]4.3)：基于极值窗口中关键极值点间的应力幅值σ
I
(i,j)，应用三点雨流法对 重新排列的载荷历程进行循环计数配对。
[0021]步骤5)：在计数完成后的每组配对中，计算配对应力窗口P(k)内所有时间点 间的应力幅值，将产生最大应力幅值的时间点对作为最终的极值点配对。
[0022]步骤6)：得到输入应力历程下应力极值点配对的结果与相应的应力幅值 S
p
(k,n)，其中k为第k对应力极值点配对，以及循环圈数n。
[0023]步骤7)：监测时间范围L
i
内疲劳损伤计算
[0024]7.1)：对应于这一组合计算交变应力强度S
a
(i,j)(补充考虑温度参数对交变 应力幅数值的影响)：
[0025][0026]其中：E
e
为材料疲劳曲线对应的弹性模量；
[0027]E为所考虑点应力计算的弹性模量，与评估时刻的温度T相关；
[0028]K
e
为弹塑性应变修正系数，按照RCC
‑
M规范进行选取或计算。
[0029]7.2)：基于RCC
‑
M规范选取对于应力幅值为S
a
(k,n)的许用循环次数N(S
t
(k,1))， 由S
a
(k,l)得出的使用系数等于：
[0030][0031]7.3)：重复上述步骤，直到这些载荷组构成的全部出现次数均被考虑为止。 总使用系数(CUF)等于上述方法确定的各部分使用系数之和。依据RCC
‑
M规 范要求，总CUF应小于1。
[0032]步骤8)：任意数量监测时间范围内整体疲劳损伤计算：
[0033]8.1)：对任意数量监测时间范围L
i
内极值点排序，每个极值点归一化时间轴 长度为1s，使得各极值点时间轴保持连续，顺序连接各个监测时间范围内的监 测点数据，定义出整体的“虚拟载荷历程”；
[0034]8.2)：重复第7)步骤的分析技术，获得任意数量监测时间范围内整体疲劳损 伤数值。
[0035]上述步骤2)提出的应力幅阈值公式中的S
e
是基于RCC
‑
M规范核一级部件设 计要求确定的，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。
[0036]上述步骤3)提出的关键极值点可作为极值窗口的代表，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3)提出的极值窗口是由关键极值点临本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于监测数据的三维雨流疲劳分析方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1)：选定监测时间范围L
i
内的多轴载荷历程数据，包括应力的六向应力分量和评估时刻的温度参数，i为第i个时间段。步骤2)：筛选关键极值点：2.1)：通过设置应力幅阈值过滤小应力循环，降低关键极值点的筛选范围，所述应力幅阈值通过下式确定：δ
t
＝2
×
P
×
S
e
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，S
e
是对应材料的疲劳极限；P为数据筛选百分数；2.2)：依次比较应力历程中两时间点间的应力幅值σ
I
(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)：极值窗口扩展：3.1):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50％；3.2):对单个极值点扩展为包含若干点的极值窗口P(k)后的数据进行检测；3.3):对极值窗口数据进行剪辑，归一化极值窗口内时间轴数据值；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σ
I
(i,j)，应用三点雨流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，计算配对应力极值窗口P(k)内所有时间点间的应力幅值，将产生最大应力幅值的时间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的结果与相应的应力幅值S
p
(k,n)，其中k为第k对应力极值点配对，以及循环圈数n。步骤7)：监测时间范围L
i
内疲劳损伤计算7.1)：考虑温度参数对交变应力幅数值的影响，通过下式计算交变应力强度S
a
(i,j)：其中：E
e
为材料疲劳曲线对应的弹性模量；E为所考虑点应力计算的弹性模量，与评估时刻的温度T相关；K
e
为弹塑性应变修正系数；7.2)：由S
a...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈明亚，耿昌金，高红波，张国栋，林磊，徐德诚，周帅，王红柯，张彦召，余伟炜，彭群家，
申请(专利权)人：中国广核集团有限公司中国广核电力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：