专利名称：一种在役机械装备结构疲劳状态估算方法
技术领域：
本发明涉及ー种在役机械装备结构疲劳状态估算方法，属于机械强度测试技术领域。
背景技术：
在工程应用中，循环载荷导致的损伤以至破坏是结构失效的重要原因之一。在循环载荷作用下，机械结构会发生疲劳破坏，疲劳破坏的实质是ー个累积损伤过程。由于机械结构的材料性能固有的离散性以及载荷的随机性，在役机械装备结构是否会发生疲劳破坏是ー个不确定的事件，所以从概率与统计的角度对机械结构的疲劳状态进行測量和评估是十分有价值的。目前，通常是在实验室条件下建立试验条件可控的试验装置及模型来评估材料的疲劳损伤规律，尚缺乏有效的在役机械装备结构疲劳状态的估算方法。
发明内容
本发明的目的是针对目前还没有一种行之有效的能够估算在役机械装备结构疲劳状态的方法，从而提出ー种在役机械装备结构疲劳状态估算方法。本发明为解决上述技术问题而提出ー种在役机械装备结构疲劳状态的估算方法，该估算方法的具体步骤如下
1)选择能够反映在役机械装备工作状态的參数，作为具有统计学意义上的广义载荷F，该广义载荷F的统计量S(F)与应カσ的统计量S( σ )有对应关系；
2)确定该广义载荷F的最小统计区间Tmin,使得F的均值E(F)和方差D (F)不变；
3)针对与该广义载荷相对应的关键部位应变ε測量数据序列，用最小统计区间Tmin生成一组应变的均值序列Ue ；
4)计算得出当量弹性模量Eeq序列，通过当量弹性模量Eeq序列表征该处材料弹性模量的变化；
5)根据当量弹性模量Eeq序列，确定当量弹性模量曲线的斜率；
6)利用当量弹性模量曲线的斜率，估算出该机械装备结构的疲劳状态。如果当量弾性模量曲线的斜率在O值附近，则该机械装备结构没有发生疲劳；如果斜率超出了一定的范围，则表明该机械装备结构没有发生疲劳，斜率发生突变的时间点就是该在役机械装备结构关键部位开始出现疲劳的时间点。所述的步骤2)具体包括如下步骤
a)按照一定的时间间隔对广义载荷进行采样，得到广义载荷序列(F={f\，f2,…，fi；
…，fJ ；
b)根据得到的广义载荷序列构造两个新的序列Uf和Sf，Uf和Sf分别为广义载荷序列的均值序列和方差序列；
c)用t检验和X2检验分别对序列Uf和Sf的均值和方差做稳定性检验，使序列Uf和Sf的均值和方差都稳定的统计区间T的最小取值，从而确定最小统计区间Tmin。
所述的步骤3)中的关键部位应变ε測量数据序列的时间间隔应该与广义载荷序列的时间间隔一致；
所述的步骤4)中的当量弹性模量Eeq序列的计算公式为Erai=^ql, Eeq2,…，Eeqi,…，EeqmIm=n_Tmin, Eeqi = Ufi/μ Ei，其中μ fi为广义载荷F的均值，μ Ei为关键部位应变ε的均值。所述的能够反映在役机械装备工作状态的參数为工作载荷、装备的耗电量、产量、功率。 本发明的有益效果是本发明通过建立机械结构关键部位应变与反映机械装备工作状态參数之间的具有统计学意义上的关联关系，获得机械结构材料弹性模量的具有统计学意义上的变化，从而实现对在役机械结构疲劳状态的测量和评价。本发明方法简单，能够有效地估算出在役机械装备结构的疲劳状态。
图I是本发明的ー种在役机械装备结构疲劳状态估算方法流程 图2是本发明实施例中某设备电机功率随时间变化的曲线 图3是本发明实施例中广义载荷为电机功率的均值曲线 图4是本发明实施例中某设备关键点处测量的应变曲线 图5是本发明实施例中应变的均值曲线 图6是本发明实施例中当量弹性模量Erai序列随时间变化的历程曲线图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
做进ー步说明。如图I所示，该在役机械装备结构疲劳状态的估算方法通过建立机械结构关键部位应变与反映机械装备工作状态參数之间的具有统计学意义上的关联关系，获得机械结构材料弹性模量的具有统计学意义上的变化，实现对在役机械结构疲劳状态的测量和评价。本发明基于这种思想提出ー种在役机械装备结构疲劳状态的測量和评价方法，用以在役机械装备结构疲劳状态的监测与评价。以某机械设备为例，其具体的步骤如下
步骤ー确定广义载荷
首先选择能够反映该机械装备工作状态的參数为电机功率，即广义载荷F，该广义载荷F的统计量S(F)与应カσ的统计量S( σ )有对应关系。步骤ニ确定最小统计区间Tniin
通过t检验和X 2检验，寻找广义载荷F的最小统计区间Tmin,使得F的均值(数学期望)E(F)和方差D (F)不变，
按照一定的时间间隔对广义载荷F进行采样，该广义载荷F的电机功率随时间变化的曲线如图2所示,得到广义载荷序列(时间序列),设广义载荷F=^1, f2, ···，···，fn},并以此构造两个新的序列Uf和Sf，
Uf= {μη，μ 2, , μΗ, , UfJ，其中Ufi为广义载荷F的均值(数学期望)，该
广义载荷F的电机功率的均值曲线如图3所示，即μ fi = E[F]T<n，T = 2，3，......，n-1，
Sf=Isfl, sf2，…，sfi,…，8&}，其中知为广义载荷ド的方差，即知=0的&，丁=2，3，......,n-1,
对于给定的任ー统计区间T，都会生成ー组序列Uf和Sf，用t检验和X 2检验分别对序列Uf和Sf的均值和方差做稳定性检验。使序列Uf和Sf的均值和方差都稳定的统计区间T的最小取值，就是要寻找的最小统计区间Tmin。步骤三构造关键部位应变测量数据的统计学均值序列 对该设备关键点处的应变进行測量，所得到的应变曲线如图4所示，针对与广义载荷相对应的关键部位应变ε測量数据序列(与广义载荷序列的时间间隔一致)，用最小统计区间Tmin生成一组应变的均值序列Ue，
Ue {Uei，Ue2，···，P “，···，ε m-^ m = n-Tmin， 其中μ Ei为关键部位应变ε的均值(数学期望)，即μ Ei=E[e]T=Tmi，其关键部位应变ε的均值曲线如图5所示。步骤四计算当量弹性模量Eeq序列
按公式 Eeq={Ee(11，Eeq2, ···，Eeqi, ···，Eetpしη_Μη，其中 Eeqi = μ Η/μ Ei，计算得出当量弹性模量Eeq序列，当量弹性模量Erai不是关键部位測量点处材料的实际弹性模量，但是可以表征该处材料弹性模量的变化。步骤五判定关键部位的疲劳状态
画出当量弹性模量Eeq序列随时间变化的历程曲线，利用求函数导数的方法得出当量弹性模量曲线的斜率，如果不发生疲劳，那么当量弹性模量Eeq为常数，曲线斜率在O值附近，如果斜率超出一定的范围，则表明机械结构出现了疲劳，斜率发生突变的时间点就是装备关键部位开始出现疲劳的时间点，根据当量弹性模量Erai下降的幅度，评价机械结构发生疲劳的程度，即疲劳状态。本设备的Erai序列随时间变化的历程曲线如图6所示，从图6可以看出，当量弹性模量Eeq在某时间点处开始呈现下降趋势，表明该设备开始出现疲劳。
权利要求
1.一种在役机械装备结构疲劳状态估算方法，其特征在于该方法具体包括以下步骤 1)选择能够反映在役机械装备工作状态的参数，作为具有统计学意义上的广义载荷F，该广义载荷F的统计量S(F)与应力O的统计量S( O )有对应关系； 2)确定该广义载荷F的最小统计区间Tmin,使得F的均值E(F)和方差D (F)不变； 3)针对与该广义载荷相对应的关键部位应变e测量数据序列，用最小统计区间Tmin生成一组应变的均值序列Ue ； 4)计算得出当量弹性模量Eeq序列，通过当量弹性模量Eeq序列表征该处材料弹性模量的变化； 5)根据当量弹性模量Eeq序列，确定当量弹性模量曲线的斜率； 6)利用当量弹性模量曲线的斜率，估算出该机械装备结构的疲劳状态，如果当量弹性模量曲线的斜率在O值附近，则该机械装备结构没有发生疲劳，如如果斜率超出了一定的范围，则表明该机械装备结构没有发生疲劳，斜率发生突变的时间点就是该在役机械装备结构关键部位开始出现疲劳的时间点。
2.根据权利要求I所述的在役机械装备结构疲劳状态估算方法，其特征在于所述的步骤2)具体包括如下步骤 a)按照一定的时间间隔对广义载荷进行采样，得到广义载荷序列(F={f\，f2,…，fi；…，fJ ； b)根据得到的广义载荷序列构造两个新的序列Uf和Sf，Uf和Sf分别为广义载荷序列的均值序列和方差序列； c)用t检验和X2检验分别对序列Uf和Sf的均值和方差做稳定性检验，使序列Uf和Sf的均值和方差都稳定的统计区间T的最小取值，从而确定最小统计区间Tmin。
3.根据权利要求I所述的在役机械装备结构疲劳状态估算方法，其特征在于所述的步骤3)中的关键部位应变e测量数据序列的时间间隔应该与广义载荷序列的时间间隔一致。
4.根据权利要求I所述的在役机械装备结构疲劳状态估算方法，其特征在于所述的步骤4)中的当量弹性模量Eeq序列的计算公式为Eeq={Ee(11，Eeq2,…，Eeqi,…，EeqJffl^lfflin,Eeqi = U fi/ U Ei，其中Ufi为广义载荷F的均值，EiS关键部位应变e的均值。
5.根据权利要求I所述的在役机械装备结构疲劳状态估算方法，其特征在于所述的能够反映在役机械装备工作状态的参数为工作载荷、装备的耗电量、产量、功率。
全文摘要
本发明涉及一种在役机械装备结构疲劳状态的估算方法，该方法利用统计学知识构造出具有统计学意义上不变的广义载荷F，所构造的广义载荷F的统计量S(F)与机械结构关键部位应力σ的统计量S(σ)有对应关系，同时通过实测得出关键部位应变ε的测量数据序列，并用本发明的方法得出关键部位的应变统计量，利用应力-应变的关系，考察统计学意义上弹性模量E的变化情况，根据E的变化评价在役机械装备结构关键部位的疲劳状态。本发明方法简单，能够有效地估算出在役机械装备结构的疲劳状态。
文档编号G01M99/00GK102680258SQ20111041470
公开日2012年9月19日 申请日期2011年12月13日 优先权日2011年12月13日
发明者刘春阳, 刘红彬, 李济顺, 薛玉君, 隋新, 马伟 申请人:河南科技大学