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。对采集的加速度信号，常用于统计分析（如最大值、最小值、平均值、均方根和方差等的统计对比）及功率谱密度函数来描述其频率特性。对采集的应力-应变时间载荷数据，经过雨流计数法得到各应力大小与循环次数的统计结果,最后应用累积损伤理论分析方法计算疲劳寿命与安全使用寿命。汽车载荷谱多是基于损伤量进行的室内试验载荷谱编制。在进行汽车零部件设计时，要进行零部件室内疲劳寿命试验，而由于零部件使用寿命很长，在室内试验时，需要采用加速试验的方法。

对汽车载荷谱的加速编辑，计算原始信号的时间-损伤分布图,对应变-时间信号用雨流计数法计算损伤,然后对照时间-损伤分布图，移去原始应变信号中无损伤或小于某一门槛值的信号片段,再插入一个递减或连接信号（常用半余弦曲线代替）,避免在连接处有一个突然的信号跳跃。在完成载荷谱加速编辑后，对加速信号应用到室内疲劳试验，在保证一定损伤量时，试验时间将大大缩短。汽车载荷谱对汽车设计、疲劳寿命研究有着重要的意义，对汽车产品的改进、新产品的开发与产品质量检查等有极大的作用。

在对机床载荷分析时，通常采集机床的主轴转速、切削力、扭矩、主轴电机额定功率、最大进给速度、快速移动加速度等信号采集，其中以主轴转速谱、切削力谱和扭矩谱为主要

采集分析对象。实际运行过程中数控机床的受载情况与一般机械产品不同，数控机床切削工况种类繁多，机床载荷是一个连续的随机过程，可利用统计方法对载荷数据加以整理，并对其进行某种分布拟合，通过分布假设检验，用频率图、累积频率分布图、矩阵图或数学表达式来表示。对采集的载荷数据，为得到更有价值的载荷谱，机床载荷谱主要用于建立其最优分布模型，来指导机床室内可靠性试验。

采集机床载荷信号，可通过采集主轴电流信号来推算切削力和扭矩，也可获得载荷试验的工艺参数后，利用切削力经验公式计算得到切削力，进而得到切削扭矩。

由于机床在加工过程中，每个工步时间段切削力和扭矩近似不变为恒定值，因而机床切削力谱可视为间断的、不连续信号，不同于其他机械产品载荷数据为连续信号，则雨流计数法不能对机床切削力进行幅值和均值计算。机床切削力的载荷循环计数，假定在切削参数不变时，切削力为恒定值，根据疲劳损伤理论，将每个进给量视为一次载荷循环，为了使编制的载荷谱更具有代表性，采用相对载荷和相对载荷循环次数描述机床的载荷，即变化载荷与最大切削载荷的比值为相对载荷和载荷循环次数与总循环次数的比值为相对载荷循环次数。

对采集的相对载荷及相对载荷循环次数建立分布模型，先根据采样数据初选几种常用分布模型，然后进行参数估计，最后进行拟合优度检验。常用的统计分布模型有Gaussian 分布、Fourier 级数分布、贝塔分布、对数正态分布、伽玛分布、威布尔分布等。初步选定分布模型后，须对选定的各种模型分别进行参数估计，常用的参数估计方法有点估计和区间估计两种，其中点估计法又可分为极大似然法、矩法、图估计法以及最小二乘法。在综合分析的基础上，多采用多元线性回归方法和模拟退火优化方法进行参数估计。最后利用柯尔莫戈洛夫检验方法、数据包络分析方法等进行拟合优度检验，对出现的一种载荷谱同时通过几种分布模型拟合优度检验的情况，采用模糊综合决策分析方法对统计分布模型进行优选以确定符合采样数据的最佳分布模型。

分析得到机床载荷分布模型用于室内试验加载载荷时，采用程序载荷试验方法。程序载荷试验是由若干个幅值不等的等幅载荷按一定的顺序加载，然后再重复该加载顺序若干遍，直到达到一定的载荷循环次数或者对试验对象造成破坏为止。将按真实次序排列的载荷时间历程代替实际的时间历程，满足两者造成的损伤度相同，而与相邻峰之间经历的时间无关。试验对象的损伤只与载荷幅值和频次有关，而真实的时间尺度则无关紧要。

在研究载荷谱适用于室内疲劳试验分析机械产品零部件使用寿命时，不同机械产品其载荷谱采集及编制方法不同，但多是以损伤量为基准，分析载荷幅值及载荷循环次数的统计分布关系，建立并优化幅值与频次的统计关系，得到适用于疲劳试验分析的载荷谱。