【技术实现步骤摘要】
本专利技术应用于频域下任意带宽随机振动疲劳寿命预测领域，特指一种基于谱宽系数修正适用于任意带宽信号的随机振动疲劳寿命预测方法。
技术介绍
1、在工业领域中，随机振动的影响存在于各个生产阶段。结构在随机振动时频率范围的变化会导致响应谱中谱参数发生变化，其中谱宽系数是一个重要的谱参数，谱宽系数的大小可以用来区分窄带信号和宽带信号。当一段随机信号的所有频率都落在一个窄幅区间时，这种信号被称为“窄带”信号，如果频率范围较宽则为“宽带”信号，不同带宽的信号需要使用不同的频域寿命预测方法。
2、多数频域疲劳寿命预测模型并未明确指出信号的带宽适用范围，不同频域方法往往针对不同带宽下的信号，模型选择不当会导致较大的误差。目前针对非典型带宽信号的随机振动疲劳寿命预测研究仍然不足，能够预测任意带宽信号的模型研究也相对缺乏。因此，研究适用于不同带宽信号下寿命预测模型可以解决模型选取困难及模型预测不准确问题，在频域方法中具有重要的理论应用价值。
技术实现思路
1、本专利技术目的在于提出一种基于谱宽系数修正适用于任意带宽信号的随机振动疲劳寿命预测方法。频域方法中rayleigh模型因预测精度高、计算简便等优点被学者们广泛使用与研究，但rayleigh模型对于非窄带信号寿命预测效果较差。rayleigh模型的特点是假设全部波峰后都会有一个等值的波谷，则期望均值正穿越率和期望峰值穿越率相等，其中期望峰值穿越率可以用于寿命预测。而在实际工况中，波峰和波谷的出现是不规则的，而峰谷值的不规则情况可用谱宽系
2、本专利技术采用的技术方案为基于谱宽系数修正适用于任意带宽信号的随机振动寿命预测方法。采用频域方法来预测振动疲劳寿命，是在功率谱谱密度函数的基础上，求取谱参数来估算其幅值概率密度函数，再结合miner线性累计损伤定理以及s-n曲线可以计算出预测的振动疲劳寿命。常用的相关参数有谱距、穿越系数与谱宽系数。本方法的实现步骤如下：
3、步骤1)首先将采集到的危险点处应变-时间历程结合弹性模量e计算得到应力-时间历程x(t)，然后将时间-历程x(t)通过fourier变换得到应力的功率谱密度w(f)。其中，t是时间；f是频率。
4、步骤2)功率谱密度w(f)的统计特征参数需要用谱矩来描述，谱距是最基础的频谱参数，穿越系数和谱宽系数等很多频谱参数都是由谱矩计算求得，通常进行寿命预测只需引入前几阶谱距。对于任意一个随机过程x(t)，它的谱矩mn用单边功率谱密度函数来定义：
5、
6、式中，mn为第n阶谱矩；n为阶数。
7、穿越系数是描述随机过程所受激励的运动情况的频谱参数，即期望峰值穿越率与期望均值正穿越率。当随机信号为窄带信号时，峰值穿越率与均值正穿越率大小相同；当随机信号为宽带信号时，两系数大小不同，此时幅值概率密度分布更为复杂。其中期望均值正穿越率e(0+)表示为：
8、
9、峰值穿越率e(p)可表示为：
10、
11、式中，m0为0阶谱矩；m2为2阶谱矩；m4为4阶谱矩。
12、步骤3)在使用频域法进行寿命预测时，需要引入带宽系数作为描述功率谱密度函数带宽信息的频谱参数。同时为了参数上的统一，带宽系数同样借助谱矩来描述，其表达式为：
13、
14、常用1阶带宽系数α1和2阶带宽系数α2，且0＜α2≤α1＜1。对于窄带随机过程，αn趋近于1；对于宽带随机过程，αn趋近于0。
15、步骤4)判断一个功率谱密度信号是窄带信号还是宽带信号，就需要引入谱宽系数ε来描述,其表达式为：
16、
17、谱宽系数ε是表征功率谱密度信号在中心频率集中程度的重要频谱参数。当ε越接近0时，随机过程越接近于理想窄带过程；当ε越接近于1时，随机过程越接近于宽带随机过程。通过谱宽系数判断出功率谱密度信号的类别后，选择适合的窄带或宽带寿命预测模型，结合上述频谱参数带入相应的幅值概率密度函数，即可求得应力幅值概率密度函数p(sa)。
18、步骤5)在试验过程中，不同应力幅值对应的损伤占比有很大差异。为了描述应力幅值与其造成的损伤占比之间的关系，引入损伤占比参数pd，其表达式为：
19、
20、式中，m,c为s-n曲线参数；p(sa)为应力幅值概率密度函数。
21、在整个振动试验过程中，高应力幅值造成的损伤要远远大于低应力幅值造成的损伤。因此，通过频域疲劳寿命预测方法得到的高应力幅值部分概率密度与雨流循环得到的高应力幅值概率密度部分越接近，则疲劳寿命预测结果越准确。
22、步骤6)结合应力幅值损伤占比，本专利技术通过改变rayleigh分布中概率幅值密度函数的波峰对应的峰值点、峰值大小以及应力幅值带宽来改善rayleigh模型的高应力幅值部分概率密度拟合效果。根据谱宽系数反映出的不同带宽信号情况，引入三个由谱宽系数拟合出的参数，将参数与rayleigh模型结合，提出新的振动疲劳寿命预测模型表达式为：
23、
24、式中，μ为波峰偏移尺度；k为峰值收缩尺度；η为应力宽度放大尺度。
25、步骤7)通过不同激励下的随机振动疲劳试验得到不同带宽的功率谱密度信号下雨流循环应力幅值的概率密度分布与rayleigh模型拟合的应力幅值概率密度函数。通过试验数据进行拟合得到三个参数的数学表达式为：
26、μ＝0.5sin(2(ε-1))
27、
28、η＝2k
29、式中，ε为谱宽系数。
30、将这些参数代入，可以得到新的振动疲劳寿命预测模型表达式为：
31、
32、式中，m0为0阶谱矩；ε为带宽系数；sa为应力幅值。
33、步骤8)在得到应力幅值概率密度函数后，还需要借助光滑试件s-n曲线(应力-寿命曲线)来计算疲劳寿命。光滑试件的s-n曲线为：
34、
35、式中，sa为试件应力；n为疲劳寿命；c和m均为通过拟合获得的材料常数。
36、将应力幅值概率密度函数p(sa)、材料的s-n曲线和线性累积损伤定理结合进行分析，得到结构的疲劳损伤表达式为：
37、
38、式中，e(p)为期望峰值穿越率；c和m为材料常数为带宽系数；sa为应力幅值；p(sa)为应力幅值概率密度函数。
39、则振动疲劳寿命表达式为：
40、
41、当累计损伤达到临界损伤d＝1时，结构发生疲劳破坏，此时t值即为预测得到的结构随机振动疲劳寿命。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种基于谱宽系数修正适用于任意带宽信号的随机振动疲劳寿命预测方法，其特征在于，实现步骤如下：
【技术特征摘要】
1.一种基于谱宽系数修正适用于任意带宽信号的随机...
【专利技术属性】
技术研发人员：尚德广，石奉田，吴少东，赵博成，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。