用于对象的加速疲劳损伤测试的方法和系统与流程

在许多工程应用(例如在汽车或航空航天和国防中)中，硬件设备(包括机械和电子子系统和部件)会受动态载荷损坏，由于疲劳现象动态载荷可能引起故障。硬件设备也将被称为“对象”。为了验证对象(也称为“测试对象”或“被测设备”-dut)在使用寿命期间是否仍然可以运行(即验证它不会因疲劳故障而中断)，需要进行广泛的振动试验，即所谓的合格性试验。这些试验的目的在于在实验室中再现dut遇到的实际运行环境(例如在道路上行驶、航天发射...)所施加的载荷条件，使得可以在很短的时间内施加完整的寿命加载。

为了实现这一点，在第一步骤中，在实际运行环境中执行测量，并且基于这些测量，在第二步骤中计算强制振动信号，使得使用这些信号的振动器试验将对dut产生与现实生活中的运行条件一样的相同的累积疲劳损伤效应。由此优化计算的强制振动信号，使得在较短的时间内实现等效的疲劳行为(所谓的“加速寿命试验”)。最后，在第三步骤中，必须以受控方式将强制振动信号应用于振动器装置。

本发明涉及该程序的第二和第三部分，即如何计算强制振动信号并以受控方式将它们应用于振动器装置，从而实现损伤等效的“加速”合格性试验。

目前存在不同的程序，例如应用标准化测试配置文件(以下形式：功率谱密度(psd)函数、冲击配置文件、正弦扫描、正弦随机光谱...)。这些标准化测试配置文件通常必须涵盖广泛的应用。因此，保守选择标准规格以防止“欠测试”，因此在许多特定应用中，试验规范比实际环境载荷严重得多。

另一个示例为复制在运行中测量的时间波形。该方法通常限于连续重复的有限范围的时间间隔。这适用于具有重复模式的载荷，但对于如在预想的应用中具有“随机任意”性质的环境载荷则不怎么适用。控制方法(通常表示为“时间波形复制”或“单轴波形复制”)由大多数振动器控制应用提供。

基于测得的实际加载信号的包络psd频谱而生成psd试验规范，然后进行(高斯)随机振动控制试验，这是几乎任何商业可用的振动器控制软件中的标准特征。该方法允许在复杂载荷环境中进行更具统计代表性的试验。然而，通过将数据归纳到psd，该方法隐含地假设环境载荷具有高斯幅度概率密度函数(pdf)并且它们是静止的。在现实世界载荷环境具有非高斯的幅度分布的情况下，例如，因为存在特定的事件(如道路中的坑洼或颠簸导致载荷和响应的峰值)，即使psd很好地近似，载荷的一些疲劳相关含量也可能被低估。

先进的方法采用所谓的“峰度控制”方法来生成非高斯激励信号。除了psd之外，还可以指定并控制诸如“峰度”的统计信号参数。峰度表示数据的“峰态”，其在数学上表示为第4个统计矩(其中k＝3为高斯情况，k>3为非高斯情况，与高斯情况相比在幅度pdf中具有更大的尾随脉冲)。

这些方法的目标是匹配最初测得的激励(即至系统的“输入”)的psd和峰度。然而，作用于对象(dut)的疲劳载荷效应(其取决于多少峰度转移到系统响应中，即进入系统的“输出”)未被该方法明确地考虑。众所周知，没有预防措施，由于遵守中心极限定理，峰度可能在系统响应中“丢失”。结果，在许多情况下，这些方法无法正确地表示实验室试验期间的疲劳行为。这导致需要更长的测试时间以达到相同的疲劳现象，并且阻止设计加速试验。

用于峰度控制的解决方案的示例为carella等人在包含于usd2014的isma2014会议录“使用峰度控制的随机控制振动试验：理论与实践”中描述的“时间-频率域交换”方法。

另一个示例为steinwolf等人在2015年7月12日至16日在佛罗伦萨(意大利)的icsv22在“两种利用用于车内部件的内部测试的增加的峰度而生成随机激励的方法”中描述的及也在cornells等人在2015年9月7日至10日在斯洛文尼亚卢布尔雅那的工程振动国际会议在“以疲劳损伤谱为任务信号合成标准的非高斯随机激励振动台试验模拟”中描述的“分析相选择”方法。

最先进的合格性试验方法称为“测试裁剪”或“任务合成”。该方法首先通过计算所谓的“疲劳损伤谱”(fds)函数(https://en.wikipedia.org/wiki/fatigue_damage_spectrum)来量化测得的运行载荷的“破坏性潜力”。可以针对任何类型的信号，例如冲击、确定性正弦波、高斯或非高斯随机信号等计算fds。因此，它允许在疲劳损伤潜力方面比较不同的信号和信号类型。在随后的测试合成阶段，选择测试持续时间并且导出psd测试规范，使得使用默认高斯随机振动控制方法应用于振动器装置的所生成的(高斯)激励信号与运行载荷的fds匹配(因此实验室试验应该产生与运行环境相同的疲劳损伤)。

任务合成方法的问题特别发生在需要“加速”试验时，即必须减少试验持续时间的情况。目前实现这一目标的唯一方式是通过增加psd水平-即，在给定高斯激励信号的情况下，它是在较小量的测试时间内仍然匹配相同fds的唯一方式。增加psd水平存在多种风险，但最重要的是当水平过高时故障模式可能会发生变化-即，导致对象或dut通过与在现实生活中发生的预期高循环疲劳现象不同的机制发生故障。由于这个和其它各种原因，所有标准都表明，如果可能的话，“试验夸大因子”(即试验psd水平与运行psd水平的比率)应保持在最低水平。

在最近由振动研究作出的报告(achatz等人在2014年9月10日至12日在美国明尼苏达州圣保罗市加速应力测试与可靠性研讨会的“使用疲劳损伤谱进行与最终使用环境相关的加速测试”)中，证明基于fds的任务合成可以结合用于控制峰度的方法，从而生成具有峰值的非高斯信号。该方法匹配测得的运行载荷的峰度(如在常规峰度控制方法中)，并且同时尝试匹配fds(与常规峰度控制方法相反)。该方法首先从fds计算“成形的”psd规范(以离线方式)，还考虑到激活控制峰度的方法将增加一些额外的损伤。当需要加速试验时，类似于其它方法，该方法会增加psd水平。因此，与运行信号相比，所得的psd仍然具有更高的水平，因此上面讨论的问题仍然没有得到解决。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一种用于加速振动测试的改进方法。

该问题的解决方案在独立专利权利要求中明确。

该解决方案由如权利要求1限定的用于对象的加速疲劳损伤测试的方法提供，在该方法中，该对象通过作用物激励，其中由控制系统生成驱动信号，即电压，并将其发送到作用物，由此测量对象的加速度或作用物的安装基座的加速度并将其反馈给控制系统以在频域中对驱动信号进行循环闭环控制，其中，在控制系统中，功率谱密度psd和疲劳损伤谱fds根据测得的加速度计算，由此计算出的功率谱密度psd与基于运行载荷的目标功率谱密度psd进行比较，由此将计算出的疲劳损伤谱fds与目标疲劳损伤谱fds进行比较，由此基于比较结果，计算新的驱动频谱，并根据新的驱动频谱生成用于下一循环的驱动信号的一个或多个时域块并将其发送到作用物。该方法可在不影响故障模式的情况下加速振动测试，从而获得更真实的结果。

该问题的解决方案还由如权利要求11所限定的用于对象的加速疲劳损伤测试的系统提供，具有作用物来激励对象，具有控制系统生成驱动信号并将其发送到作用物，具有传感器测量对象的加速度或作用物的安装基座的加速度，测得的加速度被反馈给控制系统以用于在频域中对驱动信号进行循环闭环控制，其中，在控制系统中，根据测得的加速度计算功率谱密度psd和疲劳损伤谱fds，计算出的功率谱psd与基于运行载荷的目标功率谱密度psd进行比较，将计算出的疲劳损伤谱fds与目标疲劳损伤谱fds进行比较，由此基于比较结果，计算新的驱动频谱，并根据新的驱动频谱生成用于下一循环的驱动信号的一个或多个时域块并将其发送到作用物。利用这种系统，可以实现该方法所描述的优点。

在从属专利权利要求中描述了本发明的有利实施例。所描述的特征可以单独使用或组合使用。

在一个实施例中，为了计算新的驱动频谱，调整最近的驱动频谱，其中，根据功率谱密度psd的比较结果来调整驱动频谱中的频率线的幅度，并且根据疲劳损伤谱fds的比较结果来调整驱动频谱的相位。驱动频谱的相位对所生成的时间信号的幅度pdf有影响(因此对相位和峰度之间的链接有影响)。因此，建立了双通道闭环控制，从而可以消除从一个通道对另一个通道的冲击，并且反之亦然。可以通过操纵驱动频谱的一个或多个特定频率线处的相位来调整所生成的时间信号的峰度。在一个有利的实施例中，操纵相位使得该方法变得独立于对象的单个未知共振频率。

在控制系统中，如果振动信号的功率谱密度psd和疲劳损伤谱fds彼此完全独立地控制，则是有帮助的。这使得-尤其是-可以使控制循环适应每个“通道”的特定需求和可用的计算能力。

目标功率谱密度psd和目标疲劳损伤谱fds应视为预定义的“先验”常数。因此，不需要在运行时期间重新计算。目标功率谱密度psd可以根据对象的运行条件的振动载荷进行选择，并且目标疲劳损伤谱fds可以根据对象在对象的终生任务期间的总损伤进行选择(由标准“测试裁剪”或“任务合成”方法的第一步骤中的运行测量确定)。例如，对于飞机起落架，fds可以总结飞机使用寿命的数千个起飞-着陆-循环所允许的损伤载荷；因此，fds为一个常数，它由假定的起飞-着陆-循环和在着陆时发生的力等预定义。加速测试程序应该应用相同的“损伤”，但是比现实生活中具有更短的时间或更少的循环。

在计算之后，利用逆快速傅里叶变换生成用于下一循环的驱动信号的一个或多个时域块。应使用这些时间块直到完成了下一个控制循环。

附图说明

附图中示出了本发明的示意性概观。

具体实施方式

附图中的左侧为作用物sh(这里是振动器硬件)和传感器，其与普通的振动控制系统相同。该系统具有传感器accs，即所谓的“控制加速度计”，例如，装备在安装基座(在附图中：振动台sh)上或装备在对象dut本身上。该控制加速度计accs的信号ad(加速度数据)将由闭环fds+psd控制系统clc进行检查，以确保由作用物sh正确地模拟强制振动信号(表示振动环境)。基于前一次迭代或前一次或最后一次控制循环的控制加速度反馈ad(加速度数据)，闭环控制系统clc将计算新的所谓“驱动信号”ds(电压，也称为驱动时间信号)-例如，调整一个或多个谱线的幅度和相位，并将其发送到作用物sh(振动台、振动器系统)放大器输入端。可选地，还可以在对象dut(被测试设备)上装备其它传感器。这些附加传感器仅用于监测目的(例如，用于评估dut上的关键点上的振动水平是否不会过高)，但不一定被控制系统进一步利用。

附图的右侧示出了双通道闭环控制系统clc，它是系统的核心。基本上，该控制器clc可以为具有i/o接口和多个软件模块的传统计算机硬件。部分或全部计算可以由dsp(dsp-数字信号处理器)完成以缩短计算时间并从而获得更短的控制循环。

与通用控制系统相比，该方法的目的是同时控制指定的fds和psd(“fds+psd控制”)。通过将fds作为直接控制标准，该方法可以实现与运行载荷环境相比等效的损伤(假设已经从例如通过标准“任务合成”方法的运行数据确定了寿命fds规范)。

在确定了对象的终生损伤的fds并且具有初始(未加速)载荷持续时间的信息之后，可以计算psd，其在非加速测试情况下产生与初始时间内的初始载荷等效的损伤。

如下面将进一步解释的，还可以通过操纵所生成的强制振动信号的峰度(即，使信号更加非高斯，引入更多“峰态”)来实现加速损伤等效合格性试验(其中必须在缩短的时间内应用相同的损伤)，同时信号的psd保持在与运行载荷相同的水平并保持整个试验程序中的总fds。

更详细地，每次迭代中的闭环“fds+psd”控制系统clc首先分析控制加速度计信号ad；计算fds和psd，例如通过软件或dsp模块cfds、cpsd(计算出的fds、计算出的psd)。接下来，将计算出的fds和psd函数与“目标fds”和“目标psd”函数进行比较，例如通过软件模块comp-fds、comp_psd(比较fds，比较psd)。当在特定频率线处未达到或超过psd目标时，可以应用更新规则，其确定在生成下一个迭代驱动信号ds时应该用于该频率线的幅度。当未达到或超过fds目标时(在特定频率线处)，必须分别增大或减小激励的损伤潜力。该程序应该在不影响psd水平的情况下改变损伤潜力，因为这是独立控制的。因此，该程序将反而改变激励的峰度(即，如果需要更多的损伤则增加峰度，或者如果损伤太高则减小峰度)。

基于psd和fds的比较，创建新的驱动频谱，例如，在用于信号合成的模块syn中。其中，测得的振动信号的fds和psd应接近先验定义的目标值。可以使用各种控制策略，包括传统的pid控制。如前所讨论，幅度由更新规则确定(基于psd比较)。在常规随机控制中，幅度由独立且均匀分布的随机相位补充，从而产生高斯信号。然而，在这种情况下，可能需要更高的峰度(k>3)(通过fds比较结果决定)。这通过特殊的相位操纵策略实现，即创建相位之间的相关性。

最后，一旦调整了驱动频谱，就生成一个或多个时域块，例如，通过应用逆快速傅里叶变换(ifft)并添加窗口和重叠(如在基于标准ifft的随机控制器中)。如前，这可以在模块syn中完成。

因此，fds计算为控制回路的组成部分，即在每次迭代或每个控制循环中计算。该方法基于ifft来合成时域信号。然而，由于相位并非都被选择为独立的均匀分布的随机变量，因此所得的信号为非高斯的，其峰度>3。为了fds控制的目的，这种峰度生成方式不同于必须实现先验确定的目标峰度的其它方法。

该方法应仅为了匹配指定的目标fds(包括“试验加速度”)而操纵峰度，而psd应被单独控制以匹配指定的目标psd形状。因此，该方法利用特定的“峰度生成”方法作为重要的子例程。其中，可以分别控制峰度和psd，由此一个属性的变化不会影响其它属性。这是例如常见方法，诸如多项式变换方法的问题。

众所周知，轻微阻尼线性系统的响应比所施加的激励更接近高斯。因此，为了在加速试验中增加响应峰度，峰度控制方法必须能够有效地生成进入共振的峰度。

fds引入了特定频率线损伤的概念。因此，峰度生成方法能够直接针对特定频率线。对于时域峰度方法，诸如时频域交换方法，这是不可能的。

主要优点在于fds被用作控制标准，这对于等同于运行环境的损伤是主要目标的合格性测试非常重要，而且在不影响psd水平的情况下而是通过生成更高的峰度激励信号来实现“加速度测试”(即通过在更短时间内诱导更多损伤来缩短测试时间)。后一个优点大大降低了对象或dut由于与目标疲劳现象不同的故障模式而失效的风险。这解决了当前任务合成方法的主要问题，当前任务合成方法在加速试验中增加了psd水平。

为实现这一目标，作为控制回路的组成部分的fds计算和基于“分析相位选择”方法的专业峰度生成方法在闭环控制器，即如图所示的“fds+psd控制”系统中协同组合。