一种基于振动信号测试零部件疲劳寿命的分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及在服役零部件疲劳寿命分析技术，具体涉及一种基于振动信号测试零 部件疲劳寿命的分析方法。
【背景技术】
[0002] 结构的疲劳破坏问题由来已久，早在19世纪中叶，随着蒸汽机的发明和铁路建设 的发展，人们发现列车车轮结构可以在远小于其静强度极限载荷时发生交变应力破坏，由 此现象提出并发展出了有别于结构静强度破坏的结构疲劳问题。大量统计资料表明，机械 零件的断裂事故中50%~90%由疲劳破坏引起。疲劳分析的目的在于预测结构的疲劳寿 命，研究结构静力学分析所不能反映的结构动态性能问题。处于交变载荷作用下的结构，如 果仅仅按照静强度理论进行校核，在实际使用过程中往往会发生突发性故障。
[0003] 近年来振动疲劳问题越来越受到工程界的关注，根据各类振动诱发故障的统计， 振动疲劳是结构在振动环境工况下可能导致的最常见的故障模式。随着振动理论及其相关 学科的不断发展，越来越多的结构工程师早已摒弃了仅仅依靠静强度理论进行结构设计的 基本观念，事实证明，振动特性分析在结构设计及评估中具有极其重要的地位。对于在外部 激励或自身动力作用下处于运动状态的结构，其设计、评估必须要考虑到结构的动态性能 及疲劳寿命。
[0004] 针对上述问题，基于振动学科相关理论，采用有限元分析方法对在服役零部件动 态性能及疲劳寿命展开分析研究，对结构设计薄弱环节提出优化改进建议，提高产品开发 效率，满足日益提高的产品使用需求，为搭建零部件仿真分析与寿命预测提供相关的理论 依据。综上，开展在服役零部件的随机振动疲劳寿命分析意义重大。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种基于振动信号测试零部件疲劳寿命的分析方法，对受 随机振动的在服役零部件的疲劳寿命分析提供途径。
[0006] 为实现以上发明目的，本发明的技术方案如下：
[0007] -种基于振动信号测试零部件疲劳寿命的分析方法，包括以下步骤：
[0008] (1)根据采集的零部件随机振动加速度载荷时域信号Xa(t)，计算零部件工作现场 随机振动加速度载荷的功率谱密度函数G a(f);
[0009] (2)利用有限元谐响应分析求得零部件单位加速度（lg)载荷下的应力频响函数Hs (f);以零部件工作现场随机振动加速度载荷为基础，结合(1)，获得结构的应力功率谱密度 函数；
[0010] (3)根据Dirlik方法，利用零部件工作现场随机振动加速度载荷功率谱密度，求解 零部件的应力载荷分布的概率密度函数，建立随机振动疲劳分析载荷谱，对零部件进行随 机振动疲劳分析。
[0011] 其中，所述步骤(1)具体为：
[0012] (a)用于计算自功率谱密度的计算式为：
[0013] Rx⑴的自功率谱密度为：
[0014]
(1)
[0015] 式中f为频率，Sx⑴为关于频率f的函数。
[0016] 其中，所述步骤(2)具体为：
[0017]用于计算结构应力功率谱密度Gs(f)的计算式为：
[0018] Gs(f)=|Hs(f)|2 *Ga(f) (2)
[0019] 其中，所述步骤(3)具体为：
[0020]根据Dir lik方法，用于计算结构疲劳损伤的计算式为：
[0021]
(3)
[0022]式中C、r为确定材料S-N曲线中的材料参数，γ为定义的不规则因子来判断某个平 稳随机过程载荷是窄带还是宽带，本发明中为由步骤(2)中随机振动疲劳分析载荷 谱谱矩确定的过程量。
[0023]本发明的技术效果为：
[0024] 1)以随机振动加速度时域信号为基础，形成了一种无需结构应力幅值信息作为参 考的疲劳寿命分析方法，解决了零部件在复杂现场工况下，难以直接获得结构应力幅值信 息的难题；
[0025] 2)利用随机振动加速度信号可方便分析影响零部件使用寿命的主要因素；
[0026] 3)本发明简单易行，便于根据在服役零部件的动力学仿真与在位测试进行疲劳寿 命预测与分析。
【附图说明】
[0027] 图1为零部件随机振动疲劳寿命分析流程图；
[0028] 图2为动作部件单位加速度载荷作用下各方向频响函数曲线，其中图2(a)为动作 部件X方向频响函数曲线，图2(b)为动作部件y方向频响函数曲线，图2(c)为动作部件z方向 频响函数曲线；
[0029] 图3为动作部件振动加速度时域信号；
[0030] 图4为动作部件振动加速度信号功率谱密度函数；
[0031] 图5为振动疲劳分析寿命最短10个节点的正常和加速损伤及疲劳寿命对数坐标 图。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图及具体实施应用实例对本发明的内容作进一步详细说明：
[0033]本发明提出的基于振动信号测试零部件疲劳寿命的分析方法，包括以下步骤： [0034] (1)根据采集的零部件随机振动加速度载荷时域信号xa(t)，计算零部件工作现场 随机振动加速度载荷的功率谱密度函数G a(f)，具体计算步骤如下：
[0035]对于一个平稳随机信号x(t)，其自相关函数Rx(t)计算公式为：
[0036]
(4)
[0037] 式中τ为时间延时。
[0038] Rx(t)的自功率谱密度为：
[0039]
(1)
[0040] 式中f为频率;Sx(f)为关于频率f的函数。
[0041] 对式(4)进行傅立叶逆变换可得：
[0042]
(5)
[0043] 当τ = 〇时，有
[0044]
(6)
[0045] 式中σχ为信号x(t)的均方根值。
[0046] 式（1)中定义的功率谱密度为双边谱密度，在实际工程实际中，频率f>0,通常Sx (f)是偶函数，则将负频率范围内的谱密度折算到正频率范围内，得到单边功率谱密度为：
[0047]
(7)
[0048] 平稳随Μ付的谱矩mi有如下定义：
[0049]
(8)
[0050]平稳随机过程0阶矩、2阶矩、4阶矩与时域统计特征参数及其导数的时域统计特征 参数存在如下关系：
[0051 ] (9)
[0052] (10)
[0053] (11)
[0054] (2)利用有限元谐响应分析求得零部件单位加速度（lg)载荷下的应力频响函数Hs (f )，以零部件工作现场随机振动加速度载荷为基础，结合(1)，获得结构的应力功率谱密度 函数；
[0055] Gs(f)=|Hs(f)|2 *Ga(f) (2)
[0056] (3)利用零部件工作现场随机振动加速度载荷功率谱密度，求解零部件的应力载 荷分布的概率密度函数，建立随机振动疲劳分析载荷谱，对零部件进行随机振动疲劳分析。
[0057 ]根据D i r 1 i k公式，求得结构疲劳损伤表达式为：
[0058]
(3)
[
；D 3 = 1-D1-D 2
;定义γ为不规则因子，用来判断某个平稳随机过程 载荷是窄带还是宽带，不规则因子γ表达式为：
[0060] (12)
[0061 ] 矩的关系式为：
[0062] (13)
[0063] (14)
[0064] (15)
[0065] 应用实例
[0066] 国产电动转辙机疲劳寿命一般要求为10e6次，属于高周疲劳问题。
[0067] 以下对国产某型号电动转辙机动作部件的随机振动疲劳进行分析。首先求得结构 的应力频响函数，在该零部件谐响应分析基础上，对该部件进行单位加速度谐响应分析，求 解得到动作部件X、y及z方向的应力频响函数曲线如图2所示。
[0068] 随机振动疲劳分析载荷变化规律以工作现场振动加速度载荷功率谱密度函数为 基础。测试了某部件的现场随机振动加速度载荷，利用数据采集仪对某部件随机振动加速 度载荷时域信号进行采集。
[0069] 该部件受随机振动激励时，得到XX动作部件处随机振动加速度载荷a时域信号如 图3所示，其中最大振动幅值为9.25g;对图3所示时域信号由式（1)及式(7)求其功率谱密度 函数G a(f)，结果如图4所示，由图可知转辙机现场随机振动载荷具有较为分散的频率成分， 包含多个峰值，属于宽带平稳随机过程，由式(6)求得随机振动加速度载荷的均方根值〇为 1.97g〇
[0070]根据图1所示随机振动疲劳分析基本流程，利用nCode Designlife疲劳分析软件 对转辙机动作部件疲劳寿命进行估算。同时，为了进一步研究随机振动对动作部件疲劳寿 命的影响，采用加速疲劳分析方法，将加速度载荷功率谱密度幅值提高到原来的2倍。取转 辙机动作部件上随机振动疲劳寿命最短10个节点分析，其正常损伤和加速损伤疲劳寿命对 数坐标图见图5。由图5可知，正常损伤情况下动作部件振动疲劳寿命最短节点寿命为 9. Ole5次，基本满足产品10e6次设计寿命要求;而加速振动疲劳情况下，最短节点寿命仅为 2.14e 4次，与10e6次设计寿命基本要求差距较大。由以上分析可知，当载荷幅值提高为原来 的2倍时，动作部件疲劳寿命则近似下降到原来的1/50,即随着产品服役环境的恶劣，随机 振动载荷频率升高、幅值增大，将成为影响产品使用寿命的主要因素。
[0071]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于振动信号测试零部件疲劳寿命的分析方法，包括W下步骤： (1) 根据采集的零部件随机振动加速度载荷时域信号Xa(t)，计算零部件工作现场随机 振动加速度载荷的功率谱密度函数Ga(f); (2) 利用有限元谐响应分析求得零部件单位加速度（Ig)载荷下的应力频响函数Hs(f)， W零部件工作现场随机振动加速度载荷为基础，结合（1)，获得结构的应力功率谱密度函 数； (3) 根据Dirlik方法，利用零部件工作现场随机振动加速度载荷功率谱密度，求解零部 件的应力载荷分布的概率密度函数，建立随机振动疲劳分析载荷谱，对零部件进行随机振 动疲劳分析。2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤(1)具体为： (a)用于计算自功率谱密度的计算式为： Rx(T)的自功率谱密度为：(1) 式中f为频率，Sx (f)为关于频率f的函数。3. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤(2)具体为： 用于计算结构应力功率谱密度Gs (f)的计算式为： Gs(f)=|出（f)|2-Ga(f) (2)〇4. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤(3)具体为： 根据Dirl化方法，用于计算结构疲劳损伤的计算式为：式中C、r为确定材料S-N曲线中的材料参数，T为定义的不规则因子来判断某个平稳随 机过程载荷是窄带还是宽带，本发明中化、〇2、化为由步骤(2)中随机振动疲劳分析载荷谱谱 矩确定的过程量。
【专利摘要】本发明公开了一种基于振动信号测试零部件疲劳寿命的分析方法，包括以下步骤：(1)根据采集的零部件随机振动加速度载荷时域信号xa(t)，计算零部件工作现场随机振动加速度载荷的功率谱密度函数Ga(f)；(2)利用有限元谐响应分析求得零部件单位加速度(1g)载荷下的应力频响函数HS(f)；以零部件工作现场随机振动加速度载荷为基础，结合(1)，获得结构的应力功率谱密度函数；(3)根据Dirlik方法，利用零部件工作现场随机振动加速度载荷功率谱密度，求解零部件的应力载荷分布的概率密度函数，建立随机振动疲劳分析载荷谱，对零部件进行随机振动疲劳分析。本发明解决了服役在复杂工况条件下的零部件由于难以直接获得应力幅值信息而无法进行疲劳寿命预估的难题。
【IPC分类】G01M7/02
【公开号】CN105651478
【申请号】
【发明人】苗慧慧, 陈雪峰, 张欢男, 张兴武
【申请人】西安交通大学青岛研究院
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2015年12月15日