改进的雨流法实时计数模型

文章编号:1673-0291(2009)01-0028-04
改进的雨流法实时计数模型
田 军,李 强
(北京交通大学轨道车辆结构可靠性与运用检测技术教育部工程研究中心,北京100044)
摘 要:通过在数据处理流程中加入数据对接处理算法,解决了发散收敛波问题,得到一种改进的雨流法实时计数模型.其计数简单,计数时不需要得到完整的应力时间历程,也不需要在计数前对应力时间历程作任何调整或修正,实现了应力循环的实时计数.该模型已应用于高速动车组应力谱
数据处理之中.
关键词:雨流计数法;数据对接;高速动车组中图分类号:O34612 文献标志码:A
Improved Model of Rain -Flow Real -Time Counting Method
TIAN Jun,LI Qiang
(Eng ineering Resear ch Center of Structure Reliability and Operation M easurement T echnolog y of Rail Guided Vehicles
(Beijing Jiaotong U niversit y),M inistry of Education,Beijing 100044,China)
Abstract:T hrough adding data-connected algorithm during data counting treatment,the divergent-convergent wave problem has been solved and an im proved model of rain-flow real-time counting method has been obtained.It has advantages,such as counting easily,not needing the w hole stress-time history.And it is also not necessary to rectify or modify the stress-time history before counting.T he stress cy cles can be counted directly in real time.Test results have been applied to the data treat -ment of stress-spectra for the high-speed EM U.Key words:rain g ages;data-connected;high-speed EMU 收稿日期:2008-10-06
基金项目:北京交通大学科技基金重点项目资助(2005KZ010)
作者简介:田军(1971)),男,山东聊城人,博士生.email:jnj tj@.
随着第六次大提速高速动车组的开行,高速转向架受到的激扰频带明显增大.例如:当车轮踏面仅有一个缺陷时,在车轮旋转1周产生的激扰频率,将从200km/h 速度级的20H z 提高到350km /h 的35Hz.当车轮踏面缺陷增多时,激扰频率也会提高.因此,实时监测高速动车组的结构疲劳安全性十分迫切[1].
在结构疲劳分析中,需要对各个测点记录的应力时间历程进行统计.在十几种应力循环统计方法中,应用最广泛的是雨流计数法.
雨流计数法[2-3]是由M atsuiski 和Endo 等人提出的一种双参数计数法,计数结果用应力幅值和应力均值的向量来表示.该方法考虑了材料应力-应
变间的非线性行为,认为塑性的存在是疲劳损伤的必要条件,并且其塑性性质表现为应力-应变迟滞回线.一般情况下,虽然名义应力处于弹性范围,但从局部、微观的角度看,塑性变形仍然存在.雨流计数法计及载荷的全循环和半循环,并考虑了应力-应变间的非线性关系,把应力-应变迟滞回线和疲劳损伤结合起来,具有坚实的力学基础.目前提出的各种雨流计数的模型都是以找出循环过程中的滞后环的应力循环为原则.
1 两种常用的计数模型
111 全封闭式计数模型
全封闭式计数模型
[2]
是国外20世纪60年代发
第33卷第1期
2009年2月
北 京 交 通 大 学 学 报
JOU RN AL O F BEIJIN G JIAOT O NG U N IV ERSI T Y
V ol.33N o.1Feb.2009
展起来的一种计数模型.它考虑了雨流法计数原则和计数结果,是与材料应力-应变迟滞回线完全封闭相对应的处理方法.
全封闭式计数模型的特点是在计数前要对应力时间历程重新进行调整,使应力时间历程均从最大峰值(或最低谷值)开始和结束,然后再进行计数.图1(a)为实际测试应力,在雨流计数前要调整到如图1(b)的形式,其中X i 为测试的应力峰谷值点.这种计数模型的缺点是需要把数据全部采集完成后再进行处理,不能实现实时处理
.
(a)
实际测试应力
(b)调整后的应力
图1 全封闭计数模型Fig.1 Full closed count ing model
112 雨流法实时计数模型
雨流法实时计数模型
[4-5]
克服了全封闭式计
数模型在计数前完全重现应力时间历程的局限性,不需要在计数前对要统计的应力时间历程重新进行调整或对接,直接对真实应力历程依次出现的峰谷值进行计数.首先设置一个应力历程的起始点标志位,经过一系列循环计数过程,便得到了与材料的应力-应变迟滞回线完全封闭相一致的计数结果.
雨流法实时计数模型的计数过程可分两个阶段.第一阶段.¹在计数前,令S 为计数的起始读点,依次读出4个峰谷点,组成循环Y 1和Y 2.º若Y 2<Y 1,则不满足计数条件,读下一个依次出现的4个峰谷点,重新组成Y 1和Y 2.»若Y 2\Y 1,且不含S 点,计算机自动读取循环Y 1,抹去构成循环Y 1的两个峰谷点,继续读取后面的2个峰谷点,又组成Y 1和Y 2.¼若Y 2>Y 1,含S 点,那么这时要将起始读点S 移至下一个点,重新组成Y 1和Y 2.
½如果Y 2<Y 1,不满足计数条件,继续读数判读,直至判读完毕.
由于第一阶段中会遗留部分不能构成应力循环的数据点,称之为发散收敛波,因此要进行第二阶段的计数.
第二阶段.重新从发散收敛波起始点读起,若Y 2\Y 1时,读取循环Y 1,直到起始点S 被读出时,读取循环Y 2.至此,整个应力时间历程全部计数完毕.分析计数过程可以发现,经过第一阶段计数后,S 点以前的遗留点构成发散波,S 点以后的遗留点构成收敛波.第二阶段计数实际是利用S 的位置变化把发散波和收敛波位置进行调整和对接,形成收敛发散波,然后再进行处理.
例如京津客运专线一天的测试数据,实时计数模型在第一阶段前的数据可以达到上千万个,而经过第一阶段处理后剩余的数据一般有几万个.这时再进行对接时,虽然比全封闭式计数模型处理速度
快几十倍,但是,如果对接处理不当可能会产生漏点,甚至会得出错误计数结果.
2 改进的雨流法实时计数模型
雨流法实时计数模型能提高数据处理效率,但它在第二阶段的处理过程中并没有考虑如何保证将收敛波和发散波对接后是否会有漏点,这种漏点甚至会使计数得出错误结果.因此,必须在第二阶段处
理前进行可靠的数据对接处理,才能保证结果正确.
数据对接处理时,如果雨流法实时计数模型形成的新的发散收敛波数据文件在标志位前至少有一个点,那么假设新的发散收敛波最后的两个峰谷值数据点是V N -1、V N (N =[1,])),新的发散收敛波开始的两个峰谷值数据点是F 1、F 2.这4个峰谷值点之间的关系一共有8种情况,如图2所示.
这8种情况可以合并成4种情况处理.
¹对于图2(a)、(b),要去掉V N 和F 1点.º对于图2(c)、(d),要去掉V N 点.»对于图2(e)、(f),要去掉F 1点.¼对于图2(g)、(h),不用去点.
同理,如果雨流法实时计数模型形成的新发散收敛波数据文件在标志位前没有遗留点,此时只需读取标志位所在的点,这个数据点是整个文件中最大的峰值或者最小的谷值.此时可能出现4种情况:
¹V N >V N -1,F 1>V N ,去掉V N 点.ºV N >V N -1,F 1<V N ,不去点.»V N <V N -1,F 1<V N ,去掉V N 点.¼V N <V N -1,F 1>V N ,不去点.
29
第1期 田 军等:改进的雨流法实时计数模型
图2 发散收敛波对接前的8种情况Fig.2 8Cases of volat ilizatio n converg ent
wave before connection
这样,可以保证数据对接后形成适合雨流计数
的收敛发散波.
3 雨流计数法程序实现流程图
改进雨流法实时计数模型分为3个模块,图3是实现标志位S 前没有遗留点,判断是否去掉V N 点的峰谷值处理模块
.
图3 标志位前没有遗留点峰谷值处理流程图Fig.3 Peak -valley disposal flow char t for
no carry -o ver befor e sign
图4是处理在标志位前至少有一个遗留点的发
散收敛波峰谷值点连接处理模块.其中P num 为标志位前应力遗留点个数.
图5是改进雨流法实时计数流程,其中V [N ]为数组,S 为整个文件中最大峰值或者最小谷值的位置序号.
图6是采用改进雨流法实时计数模型对某型
高速动车组在北京)天津客运专线往返6次,运行
图4 发散收敛波峰谷值点连接处理流程图F ig.4 Peak -valley disposal flow chart for
v olatilizat ion conv erg ent wave
图5 改进的雨流法实时计数模型流程图
Fig.5 Improv ed model of rain -flow
rea-l time counting method
图6 雨流计数结果Fig.6 Result of rain -flow counting
30
北 京 交 通 大 学 学 报 第33卷
1440km,转向架焊接构架横侧梁连接部进行应力时间历程统计的结果.处理数据时间为115s,比全封闭式计数模型快23倍,处理结果一致,避免了文献4中对接处理不当产生的漏点.
4结论
1)高速动车组的应力谱特征是大应力循环较少,小应力循环很多,目前通用软件采用的雨流法实时计数模型在处理收敛发散波方面存在全部采集完成后再处理,不能实现实时处理的问题.
2)提出的改进雨流法实时计数模型在计数前不需要对载荷时间历程进行调整,可使载荷时间历程一次性被全部雨流计数完毕,得到一系列的全循环.
3)提出的包含收敛发散波连接算法的改进雨流法实时计数模型不仅继承了雨流法实时计数模型的特点,而且与全封闭式计数模型计算结果一致.
4)提出的改进雨流法实时计数模型可以大大提高数据处理效率.
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第1期田军等:改进的雨流法实时计数模型。