实测载荷谱预处理及雨流统计分析
疲劳与断裂2.6 雨流计数法
疲劳与断裂土木工程与力学学院2.6雨流计数法工程中经常需要面对材料或结构在随机载荷作用下的寿命预测问题。
如果能够将随机载荷谱转化为变幅载荷谱,就可以利用变幅载荷谱的寿命预测方法来解决随机载荷谱的寿命预测问题。
将不规则的、随机的载荷-时间历程,转化成为一系列载荷循环的方法,称为循环计数法。
循环计数法有很多种,雨流计数法是常用的一种。
假设随机载荷谱可以看作是以典型载荷谱块为基础重复的载荷-时间历程。
通过雨流计数法,就可以识别出典型载荷谱块所包含的一系列载荷循环,从而可以将其转化为由这一系列载荷循环构成的变幅载荷-时间历程,即变幅载荷谱。
雨流计数法的主要步骤:1)从随机载荷谱中分别选取最大峰或谷处作为典型载荷谱块的起止点,如图1-1'在最大峰处起止,2-2'在最大谷处起止。
雨流计数法的主要步骤:2)将典型载荷谱块重新画在坐标图中,并顺时针旋转90º。
雨流计数法的主要步骤:2)将典型载荷谱块重新画在坐标图中,并顺时针旋转90º。
将载荷-时间历程曲线看作一个多层屋顶,假想有雨滴从最大峰或谷处开始,顺着屋面往下流。
当雨滴流至该层屋面的另一端时,若无下层屋面遮挡,雨滴反向;若有下层屋面遮挡,则雨滴落至下层屋面,并继续顺着该层屋面往下流。
雨流计数法的主要步骤:2)将典型载荷谱块重新画在坐标图中,并顺时针旋转90º。
在图中,雨滴首先从最大峰A处开始,沿屋面AB流动。
到达B点后,有下层屋面CD遮挡,因此落至屋面CD。
接下来,顺着屋面CD流至端点D,因为再无下层屋面遮挡,雨滴反向沿屋面DE流至点E。
又遇下层屋面JA'遮挡,继续下落至屋面JA'。
最后,顺着屋面JA'流至点A'。
至此,该雨滴流过的路径为ABDEA'。
雨流计数法的主要步骤:3)记录雨滴流过的路径,就可以获得一个完整的载荷循环。
载荷循环的主要参量可以从图中获得。
载荷循环ABDEA'或ADA'的应力范围,平均应力。
载荷谱数据处理方法
载荷谱数据处理方法载荷谱是指一段时间内物体所承受的力、压力、振动或其他形式的载荷的统计特性。
在工程领域中,载荷谱数据处理是一项重要的任务,它有助于评估和预测材料的耐久性、结构的可靠性以及设备的寿命。
本文将介绍一些常见的载荷谱数据处理方法。
首先,载荷谱数据的收集是处理的第一步。
可以通过传感器或仪器来采集实际工况中的载荷数据。
采集到的数据可以是时间域数据,即载荷随时间变化的曲线;也可以是频域数据,即载荷在不同频率上的分布。
在处理时间域数据时,最常用的方法是统计分析。
主要包括平均值、方差、标准差、峰值等统计量的计算。
通过对载荷谱数据进行统计分析,可以获得载荷的统计特性,例如均值和标准差可以反映载荷的平均水平和波动程度。
另一个重要的处理方法是周期性分析。
周期性分析主要通过傅里叶变换将时间域数据转换为频域数据。
频域数据可以提供载荷在不同频率上的成分和能量分布情况。
常用的周期性分析方法包括傅里叶变换、功率谱密度函数和自相关函数等。
对于频域数据,常用的处理方法有滤波和降阶。
由于实际工况中的载荷往往包含大量的噪声和杂波,因此需要对频域数据进行滤波处理,以提取感兴趣的载荷成分。
常用的滤波方法包括高通滤波、低通滤波和带通滤波等。
另一个常见的处理方法是降阶。
降阶是指通过分析载荷谱数据,将其表示为少量的载荷模态或载荷历程。
通过降阶处理,可以减少数据的维度,简化数据分析的计算量,并提取载荷谱中的主要特征。
此外,还可以将载荷谱数据进行模式识别和分类。
模式识别是指通过对载荷谱数据进行特征提取和分类,将不同类型的载荷进行识别和区分。
常用的模式识别方法包括主成分分析、聚类分析和支持向量机等。
最后,载荷谱数据的可视化也是一种常用的处理方法。
通过将载荷谱数据绘制成图表,可以直观地展示载荷的变化规律和分布特征。
常用的可视化方法包括时间域波形图、频域功率谱图、雨流计数图等。
综上所述,载荷谱数据处理是评估和预测材料、结构和设备性能的关键环节。
载荷谱
载荷谱载荷谱是整机结构或零部件所承受的典型载荷时间历程,经数理统计处理后所得到的表示载荷大小与出现频次之间关系的图形、表格、矩阵和其他概率特征值的统称。
机械结构部件多是在交变载荷作用下服役,因为载荷的变化,结构材料内部的应力应变也在发生变化,从而导致裂纹的产生、扩张,发生断裂,这个过程就是疲劳失效,大多数机械部件的失效都是疲劳失效。
载荷谱的研究对疲劳失效有很大作用。
载荷谱是进行可靠性设计的依据,是零部件结构定寿、延寿和动力学仿真、有限元分析等计算机辅助设计的先决条件,也是作为结构疲劳试验、强化试验、加速寿命试验和可靠性试验的基础。
一般机械产品,其载荷谱的编制流程如下:(1) 载荷样本数据的获取载荷数据一般通过产品现场工作时实测的途径来获取。
(2) 平稳性检验通过实测方法获得的载荷数据往往是一种随机过程,而在随机过程分析中,一组数据是否为平稳和历态的,对其进行统计处理所采用的方法是不相同的,因此需对试验获得的载荷数据进行平稳性分析。
(3) 无效幅值的去除测试获得的载荷数据中有许多载荷值小的循环,将不能构成疲劳损伤的小量载荷循环去除即为无效幅值的去除。
通过对无效幅值进行压缩和去除可以缩短试验时间,同时降低试验费用。
(4)载荷循环的统计计数将载荷-时间历程转化为系列载荷循环的过程叫做“计数法”。
在进行疲劳寿命分析时,常常以载荷-时间历程的损伤量为依据,对统计计数结果进行加速编辑。
(5) 总体分布的估计通过雨流计数法对随机载荷进行计数得到的是载荷均值和载荷幅值,之后进行统计处理得到二元(均值和幅值)随机变量的联合分布矩阵,采用二维(幅值和均值)函数进行分布参数的估计。
分布函数获得后,利用假设检验对幅值和均值分布函数进行检验,最后分析二者的相关性,确定最优分布模型。
不同的机械产品,其载荷谱的采集及编制方法均有所不同。
在对汽车零部件疲劳失效研究中,通常采集关键部位(如稳定连接杆、横拉杆等)的应变载荷和加速度信号作为载荷数据。
道路模拟试验载荷谱的采集、处理与应用
2011年第3期仪表技术与传感器Instrument Technique and Sensor20ll No.3道路模拟试验载荷谱的采集、处理与应用宋勤1,姜丁2,赵晓鹏2,张强2,冯树兴2(1.沈阳理工大学,辽宁沈阳110159;2.总后勤部军事交通运输研究所,天津300161摘要:对实测的某型越野车辆在试验场采集的载荷谱,应用随机振动和谱分析理论等进行了剔除异常点、消除趋势项、平稳性检验、样本选择和低通滤波等处理,然后基于雨流统计对我荷谱进行了压缩,对压缩后的雨流均幅值矩阵进行了强化外推和基于目标关联模型的比例叠加,最后对叠加后的雨流均幅值矩阵进行了时域重构,得到了用于试验室的道路模拟试验目标载荷谱,为进行试验室车辆道路模拟试验奠定了技术基础。
关键词:试验室车辆道路模拟试验;车辆可靠性;载荷谱;预处理;雨流计数中图分类号:U467.11文献标识码:A 文章编号:1002—1841(201103—0104—03 Acquisition,Processing and Application of LoadSpectrum for Road Simulation TestSONG Qinl,JIANG Din92,ZHAO Xiao—pen92,ZHANG Qian92,FENG Shu.xin92(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.Institute of Military Transportation,Tianjin 300161.ChinaAbstract:This paper presented the load spectrum of an off-mad vehicle obtained from a standard proving ground testing,using random vibration and spectral analysis theory.The pretreatment included outliem excluding,tendency eliminating,stability test, sample selection and low pass filtering,etc.Then,it gave examples of the compression and extrapolation of load spectrum,based on rain-flow counting.Finally,based on target association model,superposition and reconstruction WaS finished.This research result Call prepare the ground for laboratory road simulation test in further step.Key words:laboratory road simulation test;vehicle reliability;load-・spectrum;pretreatment;rain・-flow counting method0引言试验室车辆道路模拟试验是近年来发展起来的研究整车可靠性的重要手段之一¨j。
基于道路测试的自动变速器载荷谱编制
基于道路测试的自动变速器载荷谱编制张可;杨世文;刘思蓉;高慧峰【摘要】自动变速器是一种集机电液控为一体的高精尖装置,对车辆的动力性能有重要的影响.在自动变速器正向研发过程中,设计阶段需要准确的载荷谱数据作为边界条件进行结构优化设计和计算,确定被设计部件的强度和可靠性.以某型号6×6轮式车辆的自动变速器为研究对象,根据制定的典型工况进行实车道路测试实验,对采集的载荷信号进行消除信号和异常值剔除处理,利用雨流计数法进行统计计数,然后进行载荷数据外推,最终编织成八级程序载荷谱.从而为今后自动变速器变速箱设计提供依据.%Automatic transmission is an advanced device integrating mechanical and electrical hydraulic control, which has a significant effect on the vehicle's power of performance. In the development of automatic transmission, the design phase requires accurate load spectrum data as the boundary conditions for structural optimization design and calculation,in order to determine the strength and reliability of the components to be designed.The passage researches the automatic transmission of a type of 6×6vehicle automatic transmission, it has a rea l vehicle road test according to typical designed condition. It eliminates the signals and outliers eliminating for the acquisition of load signals. It has a statistical counting for the acquisition of load signals by using rain-flow counting method. Then it makes a load data extrapolation and weaves into an 8 program load spectrum, therefore, it can provide a basis for the design of automatic transmission gearbox in the future.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2017(000)008【总页数】4页(P72-75)【关键词】自动变速器;载荷谱编制;雨流计数法【作者】张可;杨世文;刘思蓉;高慧峰【作者单位】中北大学机械与动力工程学院,山西太原 030051;中北大学机械与动力工程学院,山西太原 030051;中北大学机械与动力工程学院,山西太原030051;中北大学机械与动力工程学院,山西太原 030051【正文语种】中文【中图分类】TH16;TH243随着汽车行业的不断发展,自动变速器技术逐渐走向成熟。
对“雨流计数法”介绍
雨流计数法简介0、前言机械的疲劳失效是机械失效的主要失效方式,因此对机械失效的主要研究是机械疲劳失效. 目前, 机械疲劳失效的研究有两个方面: 一是根据求出的载荷谱来确定加载程序在试验室或者试验台上对机械进行疲劳试验, 得出机械(材料)在该工况下的实际寿命; 二是根据机械(材料)的特性与载荷谱并且用Miner 准则来估计机械的疲劳寿命. 无论是做疲劳试验还是估计疲劳寿命, 载荷谱的统计都是问题的关键[1]。
1、雨流计数法简介雨流计数法又可称为“塔顶法”,是由英国的Matsuiski和Endo 两位工程师提出的, 距今已有50 多年。
雨流计数法主要用于工程界, 特别在疲劳寿命计算中运用非常广泛。
由来请参看图1, 把应变-时间历程数据记录转过90°,时间坐标轴竖直向下, 数据记录犹如一系列屋面, 雨水顺着屋面往下流, 故称为雨流计数法[2]。
雨流计数法的基本原理[3]如图1所示, 第一个雨流自0点处第一个谷的内侧流下, 从1点落1’后流至5, 然后下落。
第二个雨流从峰1点内侧流至2点落下, 由于1点的峰值低于5点的峰值,故停止。
第三个雨流自谷2点的内侧流到3, 自3点落下至3’ , 流到1’处碰上上面屋顶流下的雨流而停止。
如此下去, 可以得到如下的计数循环块:3-4-3’、1-2-1’、6-7- 6’、8-9- 8’、11-12-11、13-14-13’和12-15-12’。
雨流计数的基本流程如下。
(1) 根据采样定理作数据采集,得到时间历程记录,若截止频率为f c,则采样间隔Δt≤1/ 2f c(2) 根据连续的3个采样数据,删除既不是峰值也不是谷值的数据点,将时间历程记录转化为峰谷值序列。
(3) 针对峰谷值序列采用4点法雨流计数原则进行雨流计数,计数条件如下。
①如果A>B;B≥D;C≤A,记录一个循环 (全波) BCB′,如图 2 所示。
得到范围值S range=|B -C|幅值S a=|B -C|/ 2平均值S m=(B +C)/ 2②如果A <B;B≤D;C≥A,记录一个循环(全波) BCB′,如图 3 所示。
基于自适应带宽核密度估计的载荷外推方法研究
2021年1月农业机械学报第52卷第1期doi:10.6041/j.issn.1000⁃1298.2021.01.042基于自适应带宽核密度估计的载荷外推方法研究牛文铁 才福友 付景静(天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室,天津300350)摘要:为了快速准确地得到玉米收获机车架的载荷谱,针对载荷谱编制过程中传统的载荷外推方法的局限性,提出一种基于四叉树算法的自适应带宽核密度估计(Kernel density estimation)算法,用来进行载荷外推㊂将经过预处理的实测原始载荷数据进行雨流计数统计,得到载荷循环均幅值矩阵,将小于载荷循环最大幅值10%的载荷滤除,其余的载荷循环均幅值数据根据四叉树分割算法进行不同区域的分割,选择高斯核函数,根据拇指法则计算各个区域的局部最优带宽,并根据数据区域内数据点的密集程度对核密度估计的输入进行优化,减少了核密度估计的计算量,最后结合蒙特卡洛模拟算法进行载荷外推㊂采用玉米收获机车架实测载荷数据进行实例验证,结果表明,与传统的固定带宽㊁自适应带宽核密度估计的载荷外推方法相比,本文提出的方法大大提高了计算效率,其概率密度函数图与实际载荷分布更为接近;载荷循环均幅值频次分布相关系数更接近于1,均方根误差更小;载荷循环幅值累积频次曲线的决定系数均大于0.99㊂关键词:玉米收获机;车架;载荷谱;载荷外推;自适应带宽核密度估计;蒙特卡洛模拟中图分类号:S225.5;TU413.4文献标识码:A文章编号:1000⁃1298(2021)01⁃0375⁃10OSID:收稿日期:20200614 修回日期:20200927基金项目:国家重点研发计划项目(2017YFD0700300)作者简介:牛文铁(1971 ),男,副教授,主要从事农业装备试验验证方法与技术和精密机床数字化设计研究,E⁃mail:niuwentie@Load Extrapolation Method Based on Adaptive BandwidthKernel Density EstimationNIU Wentie CAI Fuyou FU Jingjing(Key Laboratory of Mechanism Theory and Equipment Design ,Ministry of Education ,Tianjin University ,Tianjin 300350,China )Abstract :For the limitation of the traditional load extrapolation methods in the process of load spectrum compilation,an adaptive bandwidth kernel density estimation algorithm was proposed based on the quad⁃tree algorithm to obtain the load spectrum,which can obtain the corn harvester frame more accurately and quickly.Firstly,the rain flow counting method was applied to count the pretreated measured load data.The load cycles whose amplitudes were less than 10%of the maximum load cycle amplitude value were filtered.The remaining load data were segmented into different regions according to the quad⁃tree segmentation algorithm.The Gaussian kernel function was selected as the kernel function,and the local optimal bandwidth of the data in each region was calculated according to the rule of thumb.In addition,the input of the kernel density estimation was optimized according to the density of data points in the data area,which reduced the calculation consumption of kernel density estimation.The measured load data from the frame of the corn harvester were used for verifying the effectiveness of proposed pared with the traditional load extrapolation methods of fixed and adaptive bandwidth kernel density estimation,the proposed method greatly improved the computational efficiency,the probability density calculated by the proposed method was closer to the actual load distribution.The correlation coefficient of frequency distribution of load cycle mean and amplitude was closer to 1,and the root mean square error was smaller.The determining coefficient of the amplitude cumulative frequency curve was greater than 0.99.The results showed that the research result can provide reference for load extrapolation and load spectrum compilation.Key words :corn harvester;frame;load spectrum;load extrapolation;adaptive bandwidth kerneldensity estimation;Monte Carlo simulation0 引言载荷谱[1-2]是进行零部件疲劳寿命预测和优化设计的重要依据㊂目前,载荷谱已经在航天㊁汽车㊁高铁等领域得到了广泛研究与应用[3-5]㊂而我国大型玉米收获机关键零部件载荷谱的编制方法研究尚处于起步阶段,与国外发达国家相比还有较大的差距㊂国产玉米收获机故障频发,稳定性较差,其主要原因是设计水平不高,在研发设计初期大多以仿制和借鉴为主,很多零部件的结构设计并没有足够的载荷谱数据作为支撑㊂玉米收获机的车架是整车的核心承载部件,承受着割台㊁驾驶室㊁发动机㊁粮仓等传递的力和力矩,在实际工作过程中,经常会出现车架裂痕㊁甚至断裂的现象,严重影响了玉米收获机的整车性能㊂因此,采用合理的载荷外推方法进行多种工况下玉米收获机车架的载荷谱编制,对于玉米收获机车架的结构优化和整车性能提高具有重要意义㊂在实际载荷测试试验中,由于时间㊁天气㊁试验场地和成本等多种原因,只能进行一定时间内载荷时间历程的测量,实测载荷仅反映试验期间的载荷时间历程,不能反映全寿命周期下的载荷分布,因此需要对有限的载荷时间历程进行合理有效的载荷外推[6]㊂载荷外推是影响载荷谱编制准确性的关键环节㊂JOHANNESSON[7]提出了基于POT参数模型的时域外推方法,通过设置峰值的阈值,估计峰值的分布函数,在最大限度保留原始载荷时间序列的基础上,重构得到外推后的载荷时间历程㊂杨子涵等[8]对时域外推过程中的阈值选取方法进行了改进,提出了一种时域外推过程中阈值选取的量化方法,解决了时域外推过程中阈值选取主观性较强的问题㊂张英爽等[9]将经过雨流计数法统计后的载荷循环均值和载荷循环幅值的分布分别用正态分布和威布尔分布进行参数拟合,并以此进行载荷外推㊂翟新婷等[10]㊁GENG等[11]以混合分布函数作为函数拟合模型进行参数估计,该方法的拟合效果优于单分布的参数估计㊂但是,参数外推方法是用纯粹的分布函数来描述载荷的分布规律,对于复杂㊁随机性较大的载荷,则会产生较大的误差,大大降低了外推载荷谱与实际载荷谱的等效性㊂随着研究的不断深入,基于核密度估计法的非参数估计方法被应用于载荷外推中,该方法既可很好地保留载荷数据本身的分布规律,又能实现对任意载荷分布的拟合㊂李凡松等[12]采用基于自适应带宽的核密度估计方法进行载荷外推,每一个数据点都有其自身对应的带宽,该方法相较于固定带宽的核密度估计方法具有更好的拟合效果㊂本文针对核密度估计载荷非参数外推方法中带宽的选择问题,结合改进的四叉树分割算法,对核密度估计的带宽计算进行优化,提出一种改进的自适应带宽核密度估计的载荷外推方法㊂以玉米收获机车架为研究对象,通过与传统的基于核密度估计的固定带宽外推方法和自适应带宽外推方法进行比较,验证该自适应带宽核密度估计的载荷外推方法的准确性和合理性㊂1 核密度估计核密度估计是由ROSENBLATT[13]和PARZEN[14]提出的一种由实测分布函数未知的随机变量来估计其概率密度函数的非参数估计方法㊂该方法不需要知道数据的先验分布,也不必对数据进行任何的假设,只需要确定输入的数据变量㊁核函数以及带宽就可以估计输入数据的概率密度函数㊂目前,核密度估计已经在电力㊁医疗㊁地理等领域得到了非常广泛的应用[15-18]㊂玉米收获机工作时由于其结构复杂,工况多样,导致负载波动大,实测载荷信号具有很强的分散性和随机性,相较于一般的参数估计法来说,核密度估计能更好地描述载荷数据的分布规律,从而使得载荷外推更加准确㊂基于雨流计数矩阵的载荷外推是关于载荷循环均值和幅值的二维问题,二维核密度估计表达式为 ^f(x,y)=1nhxh y∑n i=1(K x-x i h x,y-y i h)y(1)其中K(㊃)≥0∬K(㊃)d x={1(2)式中 n 输入数据点的个数h x㊁h y 核密度估计载荷循环幅值㊁均值的带宽x i㊁y i 输入的第i个载荷循环幅值㊁均值K(㊃) 核函数只要选取的核函数和带宽合适,就可以无限制地去逼近任何随机变量真实的概率密度函数㊂大量研究表明,当输入的样本数据量足够大时,核函数的具体形式对概率密度估计的准确性产生的影响相对较小[19],本文选择光滑且连续㊁明显单峰分布的高斯核函数㊂二维高斯核函数表达式为(K x-x i hx,y-y i h)y=12π(exp-(x-x i)22h2x-(y-y i)22h2)y(3)673农 业 机 械 学 报 2021年与核函数相比,带宽h的选择对核密度估计的准确性影响更大[20]㊂带宽h决定了^f(x,y)的光滑程度,若h较大,则有较多的数据点影响此处的概率密度计算,^f(x,y)曲线在此处较光滑,但是其与实际概率密度曲线的偏差较大;若h较小,则有较少的数据点影响此处的概率密度计算,^f(x,y)曲线在此处较陡峭,但是其与实际概率密度曲线的偏差较小㊂因此,为了更加准确地进行核密度估计,带宽h的选择尤为重要㊂为了定量化实现最优带宽计算,提出了平均积分平方误差(MISE), MISE表达式为M ISE(h)=∫E(^f(x)-f(x))2d x(4)式中 ^f(x) 估计的概率密度f(x) 实测数据真实的概率密度E(㊃) 求均值函数拇指法则是目前应用最多的固定最优带宽的计算法则,拇指法则的最优带宽计算公式为h(=4d)+21d+4σn-1d+4(5)式中 d 核密度估计的维数,取2σ 输入二维数据样本的标准差此外,还可用无偏交叉验证(Unbiased cross validation)[21]㊁插入法(Plug⁃in)[22]等进行最优带宽的计算㊂上述方法计算的最优带宽是固定的,即每一个数据都有着同样的带宽,不能自动调节和变化,然而,在核密度估计的实际应用中,由于数据的随机性较强,分布不均匀,通过固定带宽核密度估计计算得到的概率密度可能与实际的分布相差较大,所以,希望带宽能够随数据的变化而变化,在数据密集的地方取得小一些,在数据稀疏的地方取得大一些㊂因此,自适应带宽核密度估计[23-24]得到了广泛的应用,该方法的具体计算公式为^f(x,y)=1n∑n i=11(λi h x)(λi h y)(K x-x iλi h x,y-y iλi h)y(6)其中λi=(g-1^f(x i,y i))-α(7)g=n∏n i=1^f(x i,y i)(8)式中 λi 带宽的自适应修订系数α 敏感性参数,取0~1^f(xi,y i) 固定带宽初步估计的概率密度一般情况下当α取0.5时,核密度估计的拟合效果较好[25],相对于固定带宽的核密度估计来说,自适应带宽在一定程度上提高了核密度估计的准确性,但由于数据集中的每一个数据都会影响彼此的带宽,当输入数据集较大时,会大大降低核密度估计的计算效率㊂当一定数量的数据聚集在一个很小的区域时,此区域内带宽的差异对核密度估计的影响十分有限,因此可以根据数据的聚集程度将同一区域内所有数据的带宽设置成相同的,就可以避免对这些点进行不必要的详细的带宽计算,在保证一定核密度估计准确性的前提下,提高了计算效率,所以针对核密度估计最优带宽的选择问题,为了更好兼顾核密度估计的计算效率与准确性,本文在上述方法的基础上进行改进,提出了一种新的自适应带宽计算方法㊂2 基于四叉树算法的自适应带宽核密度估计载荷外推 基于四叉树算法的自适应带宽核密度估计载荷外推主要由3个步骤组成,包括:核密度估计的数据输入㊁基于四叉树算法的数据区域分割以及基于四叉树算法的自适应带宽核密度估计㊂具体的载荷外推流程图如图1所示㊂图1 基于四叉树算法的自适应带宽核密度估计载荷外推流程图Fig.1 Adaptive bandwidth kernel density estimation loadextrapolation flow chart based on quad⁃tree algorithm 2.1 核密度估计的数据输入雨流计数法得到的应变与材料的应力应变迟滞回线具有很好的一致性,并且考虑了载荷循环幅值和均值2个变量,符合疲劳载荷本身固有的特性,能够满足疲劳寿命预估以及载荷谱编制的条件,是目前应用最为广泛的实测载荷时间历程的计数统计方法㊂首先将已经预处理的实测载荷利用该方法进行计数统计处理,得到载荷循环均幅值矩阵M(M m㊁M a),其中M m表示载荷循环均值,M a表示载荷循环幅值;在实际工作中,小幅值载荷循环的数量比大幅值载荷循环大,但是其造成的疲劳损伤非常小[26],所以可以将小于最大载荷循环幅值10%的载荷循环只进行简单的线性比例外推,这很大程度上减少了核密度估计的数据输入量,从而降低核密度估计773第1期 牛文铁等:基于自适应带宽核密度估计的载荷外推方法研究的计算量,提高了计算效率㊂已经过滤掉小幅值载荷循环的载荷循环均幅值矩阵记为M n (M mn ㊁M an ),并以此作为核密度估计的数据输入㊂2.2 基于四叉树算法的数据区域分割四叉树算法[27]是一种经典的空间分割与索引技术,目前在图像分割与空间索引领域已经得到了广泛的应用[28-29]㊂该算法可以通过对数据空间进行递归四等分割将数据区域分割成密度不等的块,数据越密集的地方,块的数量越多,块相对较小;而数据越稀疏的地方,块的数量越少,块相对较大,分割出的块的数量与大小从一定程度上反映出数据的密集程度㊂数据密集的地方采用较小的带宽,能够更好地反映出该区域分布的细节,与实际分布更加接近,拟合效果较好㊂根据四叉树分割算法分割出不同的数据块,计算各自的局部最优带宽,达到自适应带宽核密度估计的目的㊂将一个区域进行四叉树分割的流程如图2所示㊂图2 四叉树分割流程图Fig.2 Flow chart of quad⁃tree segmentation通过对区域不断执行上述四叉树分割流程,直到所有区域都不满足区域分割的条件,最后可以将原始数据区域分割成大小不尽相同的数据块㊂判断数据区域是否需要分割的阈值,数据区域内数据点个数的最大值N max 和数据区域最小宽度L min 对分割完成后数据块的大小和数量有着重要的影响,不同N max 对概率密度函数的影响如图3所示㊂由图3可知,N max 较大时,图3b 不能很好地反映出该区域内数据点分布的细节信息;N max 较小时,图3c 反映的细节信息和图3a 没有明显的差别,但是N max 越小,四叉树分割的层次就越深,计算量越大㊂四叉树分割相当于根据数据的密集程度进行数据的分类,数据块内的数据点影响着该区域的带宽,而数据块之间不互相影响㊂这与KNN KDE 理论[30]中根据每个数据点由相同个数的相邻点来确定区域有些相似,在每个区域内包含的点数相同的情况下,自适应带宽的大小与数据区域的大小呈正比㊂为了更好地进行数据区域的划分,根据KNN KDE 理论中二维数据的最优相邻个数将数据区域分割的阈值N max 设置成n ,n 为进行四叉树分割数据点的总个数㊂L min 的设置是为了避免四叉树分割进入太深层次㊂在数据特别密集的地方,带宽的变化很小,对最后分布拟合的影响有限,为了减少计算量,不需要进行太深层次的四叉树分割㊂通过雨流计数法得到的载荷均幅值矩阵通常按照64级来统计计数,每一级数据区域的边长定义为Δan =(max M an -min M an )/64(9)Δmn =(max M mn -min M mn )/64(10)式中 Δan 载荷循环幅值每一级的长度Δmn 载荷循环均值每一级的长度因此定义四叉树分割数据块的最小宽度L min =min(Δan ,Δmn ),这既能提高四叉树分割的计算效率,也能最小限度影响核密度估计的准确性㊂2.3 基于四叉树算法的自适应带宽核密度估计利用四叉树分割算法将数据区域分割成不同的数据块后,每个数据块内数据点的个数不相同,数据点带宽的计算流程如图4所示㊂其中,N min 是判断该数据块内数据点带宽计算的阈值条件,N min =N max ,N min 向下取整;h xi ㊁h yi 分别为数据块内载荷循环幅值和载荷循环均值的带宽,L xi ㊁L yi 分别为数据块载荷循环幅值和载荷循环均值的边长㊂不同数据块内数据点的带宽因为数据的差别而有所不同,但同一数据块内数据点的带宽是相同的㊂当一个数据块内的数据点密集程度比较高,彼此相差不大时,每一个数据点贡献的核密度估计分量的差别很微小,数据落入此数据块不同位置的概率近似相同㊂因此,为了进一步提高自适应核密度的计算效率,在数据密集程度比较高的块,不需要每一个数据点都进行核密度估计的计算,只需要将该数据区域数据点的平均值作为核密度估计的数据输入,再乘以该区域数据点的个数即可㊂在此将表示数据块内数据点密集程度的参数定义为γ=L sideH(11)其中L side =min(Δan ,Δmn )/2(12)H =max(h x ,h y )(13)当γ>1时,表示该数据块内的数据点密集程度高,可以对此数据块内的核密度估计计算进行优化㊂依873农 业 机 械 学 报 2021年图3 不同N max 对概率密度函数的影响Fig.3 Effects of different N max on probability densityfunction图4 数据点带宽计算流程图Fig.4 Flow chart of data point bandwidth calculation此改进的自适应核密度估计公式为^f(x ,y )=1N∑N 0i =11hxi h yin (x i ,y i )(K x i -x h xi ,y i -yh )yi(14)式中 N 优化前载荷数据点总个数N 0 优化后载荷数据点总个数当γ>1时,n (x i ,y i )表示此数据块内数据点的个数,x i ㊁y i 分别表示此数据块内数据点的载荷循环幅值以及载荷循环均值的平均值;当γ<1时,n (x i ,y i )等于1,x i ㊁y i 分别表示此数据块内每一个数据点的载荷循环幅值以及载荷循环均值㊂通过上述方法进行自适应带宽核密度估计后,再结合Monte Carlo 模拟算法进行载荷外推㊂3 实例验证3.1 试验方案玉米收获机在实际工作中,工况较多且复杂多变,由于地形㊁车辆载重以及操作行为不规范等原因,车架时常会出现裂纹,大大降低了车架的疲劳强度,影响整车性能,受到很大冲击时,甚至会出现车架整根断裂的问题,严重影响了粮食收获㊂由于试验环境较恶劣,并且测试部位空间有限,需要选用安装方便并且固定牢靠的传感器㊂因此本试验采用中航工业公司BE3504AA 型应变片进行数据测取,并通过有线连接的方式与HBM 公司的SoMat eDAQ 型数据采集仪连接㊂该数据采集仪具有极佳的密封性能和抗震性能,能有效应对水溅㊁扬尘㊁颠簸等测试环境,有线连接的方式能够确保信号传输的稳定性,通过数采的计算机终端软件将采样频率设置为500Hz㊂应变片的安装如图5所示,现场试验如图6所示,数据采集系统组成如图7所示㊂图5 应变片安装图Fig.5 Installation drawing of strain gauge sensor图6 现场试验图Fig.6 Photo of field test图7 数据采集系统组成Fig.7 Composition of data acquisition system 砂石路面工况下行驶较为平稳,载荷变化相对较小,大幅值载荷循环较少,载荷循环的分布相对集973第1期 牛文铁等:基于自适应带宽核密度估计的载荷外推方法研究中;田间收获工况下载荷容易受田间地面的软硬程度以及粮仓的使用率等因素的影响,载荷的随机性较高,平稳性较差,大幅值载荷循环相对多一些,载荷循环的分布也更为分散㊂根据通过四叉树分割算法得到的数据块的大小以及密集程度,能够很好地反映出这两种工况下数据的密集程度以及分布情况,并且这两种工况占玉米收获机实际工作工况中很大的比重,具有一定的代表性,为了降低结论的偶然性,本文采用2种工况下各3组样本进行对比验证,经过预处理的试验数据如图8所示㊂图8 预处理后的试验数据Fig.8 Preprocessed experimental data3.2 结果验证通过雨流计数法对上述已经完成预处理的车架实测原始载荷进行统计计数处理,得到的部分载荷循环均幅值频次分布图如图9所示㊂图9 载荷循环均幅值频次分布图Fig.9 Frequency distribution histograms of load cyclemean and range由图9可知,幅值较小的载荷循环占比较大,将小于最大幅值10%的载荷循环过滤掉,过滤完成的数据作为固定带宽和自适应带宽核密度估计的数据输入,本文方法的核密度估计的数据输入在过滤的基础上还需要通过改进的四叉树算法进行优化㊂首图10 载荷循环均幅值散点图Fig.10 Scatter diagrams of load cycle mean and range先将已经筛选好的载荷循环均幅值矩阵中的数据点绘制成如图10所示的散点图,并在此散点图上利用改进的四叉树算法进行数据区域的分割操作,数据区域信息如表1所示㊂083农 业 机 械 学 报 2021年表1 数据区域信息Tab.1 Information of data area工况样本分割后的数据块数分割前核密度估计输入数分割后核密度估计输入数计算减少率/%16464828855.6砂石路面27066234547.936164841236.516879737852.6田间收获26179932059.936475341445.0 经过基于四叉树算法的数据区域分割的计算,数据区域被分割成大小不相同的数据块,每个数据块都有各自的带宽,利用式(14)对数据块的自适应带宽核密度估计进行优化,在之前滤除小幅值载荷循环的基础上又大幅减少了核密度估计的输入,进一步提高了核密度估计的计算效率㊂为了验证本文提出的基于四叉树算法的自适应带宽核密度估计的载荷外推方法的准确性与合理性,与传统的基于核密度估计的固定带宽载荷外推和自适应带宽载荷外推以及实测原始载荷进行对比论证㊂由3种带宽选择方法计算得到的载荷循环均幅值概率密度分布如图11所示㊂将图11与图10进行对比,可以看出传统的固定带宽与自适应带宽核密度估计的曲线较为平滑,而本文提出的自适应带宽核密度估计的曲线较为曲折,能够很好地反映图10数据的密集程度,并且数据密集点的分布情况划分更加具体,细节信息表达更为清楚,能很好地拟合真实概率密度㊂为了进一步评价概率密度函数的拟合程度,将固定带宽㊁自适应带宽以及本文提出的自适应带宽核密度估计的概率密度函数的结果分别结合Monte Carlo 模拟算法进行载荷外推㊂将实测原始载荷数据和上述3种方法进行载荷外推后得到的载荷循环均幅值分别进行分级统计处理,并计算实测原始数据与3种带宽选择外推方法的均方根误差(RMSE),计算结果如表2所示㊂图11 3种不同方法的载荷循环均幅值概率密度分布Fig.11 Mean and range probability density distributions of three different methods of load cycle 表2 载荷循环均幅值的均方根误差Tab.2 RMSE of load cycle mean and range με工况样本序号固定带宽自适应带宽本文方法13.61313.46822.6441砂石路面23.23283.05222.409033.39973.22282.465614.24333.96042.9437田间收获24.51604.20722.656933.98273.70922.6873 由表2可知,相较于传统的固定带宽和自适应带宽核密度估计,本文提出的自适应带宽核密度估计载荷外推方法的均方根误差RMSE 最小,表明通过本文方法计算得到的概率密度更加接近于真实的概率密度㊂将实测原始载荷数据和上述3种方法进行载荷外推后得到的载荷循环均值和幅值数据分别进行分183第1期 牛文铁等:基于自适应带宽核密度估计的载荷外推方法研究级统计处理,结果如图12所示㊂为进一步分析频次分布的相关性和拟合程度,计算实测原始数据与3种带宽选择外推方法的相关系数(R )以及均方根误差(RMSE),结果如表3㊁4所示㊂图12 实测原始数据与3种不同方法的载荷循环均值㊁幅值频次分布比较Fig.12 Measured original data compared with mean and range frequency distribution of three different methods表3 载荷循环均值的相关系数及均方根误差Tab.3 R and RMSE of load cycle mean工况样本序号固定带宽自适应带宽本文方法R RMSE /μεR RMSE /μεR RMSE /με10.92853.75550.93023.69470.98361.8156砂石路面20.92213.43580.92753.30410.96542.294230.94022.61370.94272.53280.96911.871110.85945.02570.86234.93350.97302.2493田间收获20.91484.36880.92374.13960.98072.089330.92943.21190.93533.03330.96322.3032表4 载荷循环幅值的相关系数及均方根误差Tab.4 R and RMSE of load cycle range工况样本序号固定带宽自适应带宽本文方法R RMSE /μεR RMSE /μεR RMSE /με10.95828.44330.97336.81720.99552.5550砂石路面20.96338.14230.98395.57530.99791.825830.94749.41920.97217.02230.99402.964410.933612.64630.95989.68200.99503.2939田间收获20.900516.77090.925614.37270.99463.830430.923214.01790.949111.27750.99354.0161 由表3㊁4可知,相较于传统的固定带宽和自适应带宽核密度估计,本文提出的自适应带宽核密度估计载荷外推与实测原始载荷均值和幅值的相关系数R 最大,均方根误差最小,表明通过本文提出的自适应带宽核密度估计进行载荷外推得到的载荷循环均值和幅值分布与实测原始载荷的载283农 业 机 械 学 报 2021年。
基于实测载荷谱的副车架疲劳寿命估算方法
基于实测载荷谱的副车架疲劳寿命估算方法刘永臣;王国林;孙丽【摘要】为准确预测某副车架疲劳寿命,对其进行三维建模与有限元分析,获得其结构应力分布,并确定副车架的疲劳损伤热点;试验场条件下测取副车架的应变载荷,通过频谱分析与低通滤波等计算副车架结构各测点的最大主应力,利用雨流计数法编制副车架载荷谱;利用局部应力应变法与Miner准则进行应力集中修正,完成副车架的疲劳寿命预估。
估算得出该副车架试验场预期寿命为9120 h。
%To predict accurately fatigue life of a subframe, we build a 3D model of this subframe and make FE analysis, and get structural stress distribution and determine fatigue damage heat points. We measure the strain load of the subframe in the proving ground, and use frequency spectrum analysis and low passing filtering to calculate the maximum principal stress of the subframe. We use rain flow count method to compile the load spectrum. Using local stress-strain method and Miner standard, we revise the stress concentration, and complete fatigue life prediction of subframe. The results show that estimation life of subframe is 9210 hours.【期刊名称】《汽车技术》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】5页(P58-62)【关键词】副车架;实测载荷谱;疲劳寿命;估算【作者】刘永臣;王国林;孙丽【作者单位】江苏大学; 淮阴工学院;江苏大学;淮阴工学院【正文语种】中文【中图分类】U463.32+41 前言车辆副车架作为重要结构件在车辆运行中起着承载与传力作用,因此面临严峻的疲劳破坏问题。
整车疲劳耐久性能开发(1)
用于获取加速度响应载荷 (如底盘、驾驶室、动力总成 等),是耐久性能开发的关键载 荷。
若需进行整车及系统的台架 试验,加速度信号还将作为重要 的迭代信号。
1、载荷谱采集
1.3 关键传感器 • 位移传感Байду номын сангаас的应用
Zd
用于获取底盘、驾驶室、动力总成 的相对位移,是耐久性能开发的关键载 荷。
路面特征分类
对路面工况进行分类,高频路面采 用虚拟迭代分解,低频路面采用施 加车身姿态分解
序号 工况 地理特征 平整度
1 铁轨路 平路面 高频路面
2 振动路3 平路面 高频路面
3 长波路 平路面 低频路面
…… ……
……
……
24 8字行驶 大弯道平路面 低频路面
25 倒档上坡
坡道
低频路面
整车多体模型建立及验证
1、雨流计数,统计各信号 2、虚拟损伤计算,对比不同路面的强度等
循环幅值、均值及次数
级,以及不同试验场同种路面的强度等级
1、载荷谱采集
1.6 商用车载荷谱采集
针对车架、驾驶室、悬挂部
件、轴头等关键区域,采集加速
加 速
度、应变、位移、力等载荷信号。 度
Z向是主要载荷方向。
传 感
器
应 变 片
位 移 传 感 器
耐久性能整体解决方案
基于实测载荷谱的耐久性能开发主要过程包括: 载荷谱处理后,通过多体动力学模型将轮心载荷分 解到底盘各个接附点,进行有限元疲劳强度仿真及 优化;以及载荷工况的等效、仿真和试验的精度对 比。
载荷谱
载荷分解
试验场/台架可靠性试验
仿
真
与
某轻型车用户道路与试验场道路当量关系计算
2023年第6期77doi:10.3969/j.issn.1005-2550.2023.06.015 收稿日期:2023-09-12李安民毕业于郑州大学,研究生学历,现就职于东风汽车股份有限公司商品研发院工程验证中心,任工程师,主要研究方向为整车道路性能试验技术和车辆路谱数据处理研究。
某轻型车用户道路与试验场道路当量关系计算李安民,周志明,林文干(东风汽车股份有限公司商品研发院,襄阳 430000)摘 要:根据客户调研结果,实测用户道路载荷谱和试验场道路载荷谱,用nCode GlyphWorks软件进行数据处理和分析。
通过对轴头加速度、轴头位移以及板簧应变的损伤计算,确定出基于轴头位移进行试验场路面与用户路面的当量关系计算。
最后通过对数据的雨流计数分布以及频域损伤谱的分析,进一步验证了所计算当量关系的准确性以及适用性,为在试验场进行整车路面负荷可靠性快速验证提供了一定的理论依据。
关键词:路面载荷谱;当量关系;整车可靠性试验;频域损伤谱中图分类号:U467.5 文献标志码:A 文章编号:1005-2550(2023)06-0077-05Calculation of Equivalent Relationship Between Proving Groundand Real RoadLI An-min, ZHOU Zhi-ming, LIN Wen-gan(Commercial Product R&D Institute, Dongfeng AutomobileCo., Ltd., Xiangyang 430000, China)Abstract: According to the customer survey results, loading data were measured in proving ground and real road respectively, and the data were processed and analyzed with nCode GlyphWorks. Through the damage calculation of the axle head acceleration, displacement and leaf spring strain, the equivalent relationship between proving ground and real road is determined based on the axle head displacement. Finally, the accuracy and applicability of the calculated equivalence relationship are further verified by analyzing the rain flow counting distribution and fatigue damage spectrum of the data, which provides a theoretical basis for the rapid verification of vehicle road load reliability in proving ground.Key Words: Loading Spectrum; Equivalent Relation; Vehicle Reliability T est; Fatigue Damage Spectrum1 引言在汽车开发阶段,试验场验证作为最后一道考核和检验手段具有举足轻重的地位。
雨流计数法文献综述
雨流计数法0、前言机械的疲劳失效是机械失效的主要失效方式,因此对机械失效的主要研究是机械疲劳失效. 目前, 机械疲劳失效的研究有两个方面: 一是根据求出的载荷谱来确定加载程序在试验室或者试验台上对机械进行疲劳试验, 得出机械(材料)在该工况下的实际寿命; 二是根据机械(材料)的特性与载荷谱并且用Miner 准则来估计机械的疲劳寿命. 无论是做疲劳试验还是估计疲劳寿命, 载荷谱的统计都是问题的关键[1]。
1、雨流计数法简介雨流计数法又可称为“塔顶法”,是由英国的Matsuiski和Endo 两位工程师提出的, 距今已有50 多年。
雨流计数法主要用于工程界, 特别在疲劳寿命计算中运用非常广泛。
由来请参看图1, 把应变-时间历程数据记录转过90°,时间坐标轴竖直向下, 数据记录犹如一系列屋面, 雨水顺着屋面往下流, 故称为雨流计数法[2]。
雨流计数法的基本原理[3]如图1所示, 第一个雨流自0点处第一个谷的内侧流下, 从1点落1’后流至5, 然后下落。
第二个雨流从峰1点内侧流至2点落下, 由于1点的峰值低于5点的峰值,故停止。
第三个雨流自谷2点的内侧流到3, 自3点落下至3’, 流到1’处碰上上面屋顶流下的雨流而停止。
如此下去, 可以得到如下的计数循环块:3-4-3’、1-2-1’、6-7- 6’、8-9- 8’、11-12-11、13-14-13’和12-15-12’。
1.1 雨流计数的基本流程如下。
(1) 根据采样定理作数据采集,得到时间历程记录,若截止频率为 f c,则采样间隔Δt≤1/ 2f c(2) 根据连续的3个采样数据,删除既不是峰值也不是谷值的数据点,将时间历程记录转化为峰谷值序列。
(3) 针对峰谷值序列采用4点法雨流计数原则进行雨流计数,计数条件如下。
① 如果 A>B;B≥D;C≤A,记录一个循环 (全波) BCB′,如图 2 所示。
得到范围值S range=|B -C|幅值S a=|B -C|/ 2平均值S m=(B +C)/ 2② 如果 A <B;B≤D;C≥A,记录一个循环(全波) BCB′,如图 3 所示。
基于实测载荷谱的副车架疲劳寿命估算方法
方式为应变片距离焊缝 10 mm。
表 1 副车架载荷测点布置
测点 P1 P2 P3
测点位置 副车架与控制臂连接处 副车架与斜支撑柱焊接处 副车架与斜支撑柱焊接处
贴片位置 副车架 副车架 支撑柱
测点区域 左侧 右侧 右侧
2014 年 第 4 期
根据试验场耐久性测试规范与试验目的, 载荷
测试选择某试验场综合路况, 具体路段里程与行驶
(c)应变花 90°方向
图 4 副车架 P3 点应力测试信号
— 59 —
·试验测试·
各测点测试信号为直角应变花的 3 向应变值,
在进行最大主应力计算之前需通过信号分析与处理
得到纯净载荷信号。
3.2 信号处理及分析
汽车试验场路况环境恶劣、 运行工况综合性
强,其载荷具有强随机性特征,但对于每一个综合
工况(试验场综合道路),其载荷仍具有一定的统
提供可靠测试位置。
3 副车架载荷测试
3.1 应变测试
为准确获得副车架在车辆运行中所承受的载
荷,根据有限元分析结果以及副车架的对称结构,考
虑测试方便性, 选取副车架左侧 1 点和右侧 2 点进
行测量, 载荷测点布置如表 1 所列。 测试选择电阻
应变计,型号为 BE350-3C A,电阻值为 350 Ω,布置
Key words:Subframe, Measured load spectrum, Fatigue life, Prediction
1 前言
车辆副车架作为重要结构件在车辆运行中起着 承载与传力作用, 因此面临严峻的疲劳破坏问题。 在疲劳耐久研究中, 需要考查车辆重要结构件的疲 劳寿命,以分析整车疲劳耐久性能。
信号进行滤波处理,滤波频率选择 30 Hz。 副车架各
雨流计数法及其在程序中的具体实现
雨流计数法及其在程序中的具体实现董乐义,罗俊,程礼(西安空军工程大学工程学院,陕西西安710038) 摘 要:根据雨流计数法的规则和在实际中应用的体会,介绍了雨流计数法在程序中实现的具体方法。
它适合用各种语言编写,在计取循环数时采用的“四点法”使程序的实现比用其他方法更加准确可靠,简单明了。
关键词:计数法;程序;循环中图分类号:T P 311.1;TP 301.6 文献标识码:A 文章编号:1002-6061(2004)03-0038-03Rain Flow Count Method and Its Realization in ProgrammingDONG Le-y i,LU O Jun,CHENG Li(Airfor ce and E ngine Department of En gineering College of Airforce Engineer ing U nivers ity,Xi'an 710038,Ch ina)Abstract :Acco rding to the rules o f the rain -flo w co unt metho d and the exper iences in practice ,this article introduces the method to realize the rain-flow count in the prog ramm ing.It can be compiled invarious com puter lang uag es.And the “Four -points m ethod ”used in co unting the loo p number can make the realization of prog ram mor e reliable ,simple and clear than o ther methods .Key words :count metho d ;pro gram ;loo p收稿日期:2003-10-28作者简介:董乐义(1974-),在读研究生,专业方向为航空发动机可靠性与使用寿命研究。
基于雨流计数的汽车试验场路面强化关系研究
强化系数 。
关键词 : 越野 车 ; 雨流计数 ; 普通 路面 ; 试验场路面 ; 强化关系 中图分类号 : T H1 1 4 ; U4 6 7 . 5 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 3 — 5 0 6 0 【 2 0 1 3 ) 1 2 - 1 4 1 8 — 0 4
第3 6卷 第 1 2期
2 0 1 3年 1 2月
合肥 工 业 大 学 学报 ( 自然科 学版 )
J OURNAL OF HE FEБайду номын сангаас UNI VE R6I TY OF TECHNOLOGY
Vo 1 . 3 6 No . 1 2
De c .2 01 3
基 于 雨 流计 数 的汽 车试 验 场 路 面 强 化关 系研 究
r o a d;e n h a n c e me n t r e l a t i o n s h i p
S t u dy o f e nh a n c e me n t r e l a t i o n s hi p o f a u t o mo t i v e pr o v i n g
g r o u n d r o a d b a s e d o n r a i n - f l O W c o u nt i ng me t ho d
祝安定 , 刘 康 , 陈金 赘 , 朱晓枫 , 黄珊珊
c70车体模拟疲劳试验载荷谱编制方法
应力集中部位和易损部位。
03
根据应力分析结果,编制相应的疲劳试验载荷谱,为
模拟疲劳试验提供依据。
04
基于疲劳累积损伤理论的载
荷时间历程编制
疲劳累积损伤理论
线性累积损伤理论
该理论认为在交变应力作用下,材料的疲劳损伤是线性累积 的,当损伤累积到一定程度时,材料发生疲劳断裂。
非线性累积损伤理论
该理论认为材料的疲劳损伤是具有非线性特征的,在交变应 力作用下,材料的疲劳损伤不是简单累加的,而是存在损伤 的门槛和界限值。
载荷循环计数与分级
基于雨流计数法,将试验过程中采集的应力-应变 数据进行分析和处理,得到一系列循环载荷。
对这些循环载荷进行统计和分析,可以得到载荷 循环的次数和大小分布,进而对载荷进行分级。
载荷循环的计数和分级是编制载荷谱的关键步骤 ,直接影响到疲劳试验的结果和质量。
载荷循环的修正与优化
1
由于实际试验过程中可能存在各种误差和干扰因 素,需要对载荷循环进行修正和优化。
c70车体主要由底架、侧 墙、车顶、端墙等组成。
结构形式
采用无中梁整体承载结构 形式,底架和车体钢结构 通过各种连接方式形成整 体承载结构。
结构特点
车体结构具有强度高、刚 度大、重量轻、寿命长等 特点,能够适应长期服役 的要求。
服役工况分析
运行工况
c70车体在运行过程中,会受到各 种动态载荷的作用,如牵引力、 制动力、离心力等。
对比分析c70车体在实际运营中采集到的 载荷谱数据与实验室模拟得到的载荷谱 数据,确保模拟数据的真实性及准确性 。
VS
载荷谱精度评估
通过对比分析实验室模拟载荷谱与实际运 营载荷谱的细节特征,评估实验室模拟载 荷谱的精度。
基于实测路谱的路谱重构技术研究
10.16638/ki.1671-7988.2021.09.016基于实测路谱的路谱重构技术研究黄亮,杨智(威马汽车科技集团有限公司成都研究院,四川成都610110)摘要:在虚拟迭代进行动载荷分解过程中,由于试验采集的工况较多,需要对采集的工况进行简化等效。
文章采用nCode软件,对采集的路谱进行预处理得到准确可用的原始采集数据,然后对采集数据进行极值分析,雨流计数和伪损伤计算等数值分析方法,将实测的较多工况路面载荷重构等效为部分工况进行后续的分析。
通过对重构前后结果的对比,从相对损伤值,RDS分布与雨流计数三个方面对比分析,得到重构后的工况组合能够等效原始路谱进行后续的载荷分解等CAE分析,该路谱重构技术得到验证。
关键词:载荷谱;等效;伪损伤;重构中图分类号:U467.11 文献标识码:A 文章编号:1671-7988(2021)09-60-05Research on Road Spectrum Reconstruction Technology Basedon Measured Road SpectrumHuang Liang, Yang Zhi( Weltmeister Motor Technology Co., Ltd., Chengdu Research Institute, Sichuan Chengdu 610110 )Abstract: Research on road spectrum reconstruction technology based on measured road spectrumIn the virtual iterative process of dy-namic load decomposition, due to the many working conditions of the test collection, the collected working conditions need to be sim-plified and equivalent. This article uses ncode software topreprocess the collected road spectrum to obtain accurate and usable originalcollected data. Then the collected data is subjected to extreme value analysis, rain flow counting and potential damage calculation numerical analysis methods, and the measured road load of many working conditions is reconstructed into partial working conditions for subsequent analysis. By comparing the results before and after reconstruction, comparing and analyzing the relative damage value, RDS distribution and rain flow count, it is obtained that the reconstructed working condition combination can be equivalent to the orig-inal road spectrum for subsequent CAE analysis. Refactoring technology isverified.Keywords: Load spectrum; Equivalent; Potential damage; ReconstructionCLC NO.: U467.11 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2021)09-60-05引言随着汽车行业的不断发展,汽车结构疲劳问题越来越受到各汽车车企的关注,同时,对产品疲劳耐久性能要求也逐步提高。
载荷谱滤波方法
载荷谱的滤波方法,包括如下步骤:
(1)对发动机载荷谱的原始谱进行雨流滤波,得到雨流滤波谱;
(2)基于雨流滤波谱,添加若干原始载荷谱的点,最终得到基于雨流法的滤波谱。
该方法能反映出载荷的加卸载路径信息,即在删除小循环的基础上,保证滤波谱与原始谱循环的峰谷值相同,同时尽可能保留原始谱的路径。
并且能更有效地剔除奇异点,对信号进行阈值滤波消除信号中的噪声提高信号处理效率。
为发动机载荷谱的编制过程中飞行参数的预处理、野点剔除等方面的研究提供了一种新的方法。
基于实测载荷谱的电动汽车减速器齿轮疲劳寿命预测
基于实测载荷谱的电动汽车减速器齿轮疲劳寿命预测
李亚玲;孙祥国
【期刊名称】《内燃机与配件》
【年(卷),期】2022()7
【摘要】电动汽车在行驶过程中,减速器齿轮承受着外部激励与内部啮合激励。
同时,电机具有电磁转矩冲击与过冲载荷特性导致转矩波动,使电动汽车减速器齿轮实
际承受的载荷复杂且具有随机性,以致增加了减速器齿轮的疲劳破坏发生。
本文对
驱动电机转速、转矩等载荷进行实采,并对所采集载荷进行数据处理,结合减速器齿
轮工作原理,利用旋转雨流计数法对其进行循环计数,根据修正的齿轮S-N对数曲线、转换后的齿轮接触应力幅值—频次关系,得到齿轮接触疲劳寿命,同时计算了跑完1
次载荷谱里程所对应的电动汽车减速器齿轮寿命里程。
【总页数】3页(P108-110)
【作者】李亚玲;孙祥国
【作者单位】四川轻化工大学机械工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH132.46
【相关文献】
1.基于实测载荷谱的C80车体疲劳寿命评估
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估算∗3.基于ADAMS动载荷谱的行星齿轮弯曲疲劳寿命预测4.基于ADAMS动载
荷谱的行星齿轮弯曲疲劳寿命预测5.基于实测载荷谱的双叉臂悬架下摆臂疲劳寿命预测
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引 言
随着 汽 车产业 的不断 发展 ,汽车结 构 疲 劳 问
等处理 。
1 道 路 谱 的采 集
试验 车辆 为某 车况 良好 的卡车 ,实 验前 按 照
题 越来 越 受 到各 汽车 企业 的重 视 ,每个 车 型 的开
发都需要通过外场 、室内模拟试验或虚拟分析等
考 察疲 劳耐 久性 能 。 但外 场试 验场试 验耗 时过 长 、 成 本 过高 , 而 且可 能 随着试 验跑 道 、 司机等 环境 因 素 的变 化得 出不 一致 的结果 。 因此 , 汽车 的疲 劳分 析 会更 多 的选 择耗 时 短 、重复 性好 的室 内道路 模
3 0 技 术纵横
轻 型汽 车技 术
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白的变程 ;
N _一 第 i | 级载荷下的疲劳寿命。
当损 伤 累积到 了临界 值 D 时, 即D = D 时, 就
发生疲 劳破坏 。
4 . 1 应 变循环 损伤
( 5) 再 按 正 负斜 率 去 除所 有 半 循 环 , 并 记 下
拟试验及虚拟分析。而实测道路载荷谱及其处理
分 析 是室 内道 路模 拟 试验 和虚 拟分 析 的基 础 。试 验 中采 集 的加 速度 、 应变 、 力等 时 间历程 信 号均 为
据采集系统和 L M S T e s t . 1 a b 分析软件 。 由于应变信
号极 易受 到 系统 或外 界温 度等 环境 的影 响 ,每 次
用。
2 载 荷 的 预处 理
试验采集 的道路载荷信号一般都存在失真 、
干扰等 ,这些成分会很大程度上影响耐久分析结 果, 针对随机信号首先要进行预处理 , 以减小干扰
本文结合某卡车可靠性验证项 目,在襄樊汽
车试验场采集 驾驶室容易开裂部位应变信号 , 文
中对其中关键位置应变信号进行检验及雨流统计
成 损 伤 (图 7 . a ) , 只 有 应 变 幅值 大 于 一 定 数值 后
完成, 结果采用雨流矩阵图的形式表达。 对石块路
段 路谱 进行雨 流统计 , 得 到雨流矩 阵 如图 6 所示。
从 雨 流矩 阵 图中可 以看 出 ,次 数最 多 的循 环
在图中左边 , 应变幅值接近于 0 ; 次数最少 的循环
2
损 伤值 可 以用 于对 于 同样 试验 条件 下 不 同路
面对结构的损伤严重程度 。图 8 为应变损伤时域 曲线。对 比损伤和应变时域曲线 ,可以很明显看
出, 该 仅有 部分 路段 造成 的损 伤较 大 , 大部 分路 段
并没有造成损伤或者造成 的损伤很小 。
因此 ,利 用疲 劳损 伤等效 原 理对 载荷 谱进 行 压缩 处理 ,删 除路谱 中不造 成损 伤及 损 伤较 小 的
信号采集完毕后 ,需通过检查时频信号初步判断 路谱是否失真。 若失真严重 , 则需重新采集, 如此, 最终保证采集到至少三组初步判断可靠的路谱 。
载荷谱 。 实际采集到的载荷谱是随机信号 , 一般不
能直接用于模拟分析 ,须经过一系列的理论及经
验 的评 估 和 处 理 才 能 给 模 拟 实 验 和 虚 拟 分 析 使
轻 型汽 车技 术
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技 术纵横
2 7
实测载荷谱预处理及雨流统计分析
李 晓 杰
( 南京 依 维柯汽 车 有 限公 司 )
摘Leabharlann 要 针 对 某卡 车驾驶 室 易开裂点 的在 试验 场 采集 的应 变载荷 谱 ,进 行 了分段 、 消
除趋 势项、 剔除毛刺、 平稳性检验、 频域分析等预处理 , 以提高路谱 可靠性。 基于雨
试验大纲对转速表、 胎压 、 润滑油等主要设备进行 检验 , 并按要求配重。 试验道路为襄樊可靠性试验
道路 , 车速 参考 试验 大纲 。 文 中分析 的两个 应变 测 点采 用单 向应 变 片 , 位 于驾 驶 室容易 开 裂部 位 , 如 图 1 所 示 。采集 系统采 用 L MS S C A D A S多 功能数
流 统计 法计 算 雨流矩 阵 ,结 合 E — N 曲线计 算 开裂 点各 雨流循 环 的损 伤 以及各 路
段 的损伤。 在此基础上, 利 用疲劳损伤等效原理对载荷谱进行压缩处理, 为虚拟分
析及 室 内道路 试 验栽 荷谱 编 制奠 定基 础 。
关键 词 : 载荷 谱
应变
雨流 统计
疲 劳损 伤
D : ∑
其中
i =l l i
部分 , 压缩路谱 , 以加速试验。在保证损伤值不变
的情 况下 , 压缩结 果 如 图 9所示 , 路谱 时 间 由 2 9 0 s
压 缩至 9 0 s 左右 。
卜—一 交 变载荷 的应 力水 平等级 n _— 第 i l 级载荷 的循 环次 数 ;
4 . 2 损 伤 时域 图
变载荷下 的疲劳破坏 ,是不 同频率和幅值 的载荷 所造成的损伤逐渐累积的结果。所谓 “ 损伤”, 是
指 在疲 劳过 程 中初 期材 料 内 的细微结 构变 化 和后 期 裂纹 的形 成和 扩展 。 当材 料 承受高 于疲 劳 极 限 的应力 时 , 每一个 循环 都使 材料 产生 一定 的损 伤 , 这种损 伤是 可 以累积 的 , 即
各 自的变 程 ;
( 6 ) 把取 出的半循环按修正 的 “ 变程对” 计
数 法配成 全循环 。 雨 流统 计通 过数 据压 缩和循 环 提取 两个 步骤
在雨 流统计 的基础 上 ,结 合零 件材料 s — N 曲
线计算损伤值 , 其结果如图所示。 图7 为应变循环损伤图, 对比雨流统计图 6 可 以看 出, 应变幅值小于一定数值应变循环 , 没有造
在 图中左边 , 应变 幅值较 大 。
才会造成损伤 。损伤主要来 自于应变年幅值较大
的高损 伤循 环 ( 图7 . b) , 虽然 循 环次 数较 少 , 但造 成 的损 伤远 大 于循 环 次数 较多 而 幅值 较 小 的低损
伤 循环 。
4 疲 劳 累积 损 伤 计 算
大 多 数零 件 所 承 受 的载 荷 多 为交 变 载荷 , 交