一种无人车结构损伤跟踪及疲劳预估方法与流程

本发明涉及有限元技术、损伤力学方法和数据融合技术，尤其涉及无人车结构件(受力关键件)的损伤远程跟踪及疲劳寿命预估的方法。

背景技术：

随着人工智能时代的到来，无人驾驶技术正在蓬勃发展，无人车也逐渐出现在园区、小区、巡逻等场景。目前人们对无人车的安全性能关注主要集中于传感器、障碍物识别、路径规划算法等方面，但同时对于例如刹车片、传统系统等受力关键件安全性能也应给与一定的重视。对于无人系统，实时跟踪监测受力关键结构的损伤情况，也是对无人系统安全保障的重要补充。

结构的疲劳是材料内部微缺陷及微裂纹形成、扩展、汇集最终导致结构失效的一个过程，结构的疲劳寿命分为裂纹萌生寿命与裂纹扩展寿命。目前对于裂纹萌生寿命一般采用名义应力-应变法或局部应力应变法来估算，无法实时跟踪结构件的损伤情况，同时存在计算成本高及计算精度差等缺点；此外，传统疲劳方法基于线性损伤累积，且只关注结构应力集中点，而实际情况是累积损伤随使用寿命高度非线性化，且随着零部件的更换，应力重新分配，传统疲劳方法无法预测结构其他部分损伤情况，难以做二次疲劳预估。因此采用损伤力学方法，结合有限元技术和大数据技术，可以解决以上难题。

技术实现要素：

基于此，针对上述技术问题，本发明提供一种无人车结构损伤跟踪及疲劳预估方法，无需进行载荷谱编谱，结合有限元技术和数据融合技术，可实时监测结构各部分损伤演化过程，对于高周疲劳、低周疲劳及裂纹扩展都可使用。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种无人车结构损伤跟踪及疲劳预估方法，包括如下步骤：

步骤1：采集无人车结构件连接处的载荷-时间历程；

步骤2：根据所述结构件连接处的载荷-时间历程，利用损伤力学-有限元解法，计算所述结构件各单元的损伤度，进一步包括：

步骤21：根据所述载荷-时间历程，利用有限元法求解初始损伤度d0下结构的应变场，并求解损伤力学等效应变；

步骤22：根据应变形式的损伤演化方程给定步长dn下，得到损伤度增量dd，并累积损伤度d＝d0+dd；累积载荷循环次数：n＝n0+dn；这里，式中，为单次载荷循环过程中试件最大损伤力学等效应变；为试件的损伤力学等效应变门槛值；mk为与材料有关的参数；

步骤23：将材料的弹性模量进行折损：ed＝e(1-d)，并重复步骤21和22，直到某个单元损伤度d达到1时，输出此时的载荷循环次数即裂纹萌生寿命。

优选地，步骤1之前还包括：对所述结构件进行有限元划分，将材料参数拟合得到的初始化损伤度作为各连接处的当前损伤度并存储到数据库中。

优选地，步骤22中的损伤演化方程是预先构建的，包括如下步骤：

构建无损伤的各向同性弹性体物理方程；

计算无损伤的各向同性弹性体应变能密度；

构建含损伤度的物理方程；

构建含损伤度的损伤演化方程：

式中，

ymax为单次载荷循环过程中最大损伤驱动力；

yth为损伤驱动力门槛值；且当ymax<yth时不会引起损伤度的增加；

n为载荷循环次数；

yth、α和mk为与材料有关的参数。

优选地，所述损伤演化方程后还进一步包括进行试件损伤演化方程参数拟合，所述参数为与材料有关的参数。

优选地，所述试件包括光滑试件和缺口试件。

优选地，所述光滑试件的损伤演化方程参数为：

式中，σeq,th为损伤力学等效应力门槛值，与mk及α都为应力形式的损伤演化方程参数，e为材料的弹性模量；smax为加载过程中最大应力；s0为疲劳极限；n为载荷循环次数；m与c为与载荷有关的材质参数。

优选地，所述缺口试件的损伤演化方程参数为：

式中，为损伤力学等效应力门槛值，与mk及β都为应力形式的损伤演化方程参数，e为材料的弹性模量；sn,max是加载的应力峰值；s0为疲劳极限；n为载荷循环次数；kt为应力集中系数；c是将不同的数据点拟合成三参数函数得到的参数。

优选地，步骤23后还包括步骤24：将计算得到的所述结构件的各连接处的损伤度数据更新到数据库中。

优选地进一，步包括步骤3：利用opengui可视化所述结构件各单元的损伤度，可对结构件进行安全管理及评估。

本发明具有如下有益技术效果：可实时监测无人车结构的各部分损伤演化过程，预估各部分疲劳寿命。

附图说明

图1为本发明的一种无人车结构损伤跟踪及疲劳预估方法的流程图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图对本发明的实施方式予以说明。需要说明的是，本说明书中所涉及的实施方式不是穷尽的，不代表本发明的唯一实施方式。以下相应的实施例只是为了清楚的说明本发明专利的发明内容，并非对对其实施方式的限定。对于该领域的普通技术人员来说，在该等实施例说明的基础上还可以做出不同形式的变化和改动，凡是属于本发明的技术构思和发明内容并且显而易见的变化或变动也在本发明的保护范围之内。

如图1所示，本发明的一种无人车结构损伤跟踪及疲劳预估方法，包括如下步骤：

首先是初始化。对所述结构件进行有限元划分，将材料参数拟合的初始化损伤度作为各单元的当前损伤度并存储到数据库中。这里，有限元是把结构件划分成一个个小网格，每个网格称为单元。所述材料参数是指结构件的材料参数。

步骤1：利用数据采集仪采集无人车结构件连接处的载荷-时间历程，即结构件连接处所受到的集中力或力矩(单位是n或者n.m)随时间的变化值。这里，数据采集仪例如是载荷传感器。

步骤2：根据所述结构件连接处的载荷-时间历程，利用损伤力学-有限元解法，计算所述结构件各单元的损伤度。

步骤21：利用有限元法求解初始损伤度d0下结构的应变场，并求解损伤力学等效应变。这里，通过有限元技术会求解出结构件各单元的应变，基本上是根据外载荷求出变形：[f]＝[k]{u}；根据平衡方程求出应变然后等效应变根据后述公式(23)及公式(26)求解。这里全部是张量的表达式。

步骤22：根据应变形式的损伤演化方程给定步长dn下，得到损伤度增量dd，并累积损伤度d＝d0+dd；累积载荷循环次数：n＝n0+dn。前述步长指的是计算数学里面的增量步，意思是在步长范围内，微分值可以看成是不变的，步长一般可以按照计算精度给定。

步骤23：将材料的弹性模型进行折损：ed＝e(1-d)，并重复步骤s1和s2，直到某个单元损伤度d达到1时，终止计算，输出此时的载荷循环次数即为裂纹萌生寿命。

下面对步骤2进行详细说明。

步骤2中，根据损伤力学引入损伤变量即损伤度d，并构建损伤演化方程，将构件的损伤场与应力场耦合起来，并应用损伤力学-有限元数值解法，通过判断结构件的某个单元的损伤度是否达到1，来求解结构件的裂纹萌生寿命即疲劳寿命。

步骤22中的损伤演化方程是预先构建的，进一步具体包括s1～s4四个步骤。

s1：构建无损伤的各向同性弹性体物理方程。

大量实验表明，在足够小的局部变形下，固体的应力张量与应变张量满足线性方程，称之为线弹性本构方程：

σij＝cijklεkl(1)

式中，σij是应力张量的分量，满足σij＝σji；

εkl是应变张量的分量，满足εkl＝εlk；

cijkl是弹性张量的分量，满足cijkl＝cjikl＝cijlk＝cklij，即vogit对称；将公式(1)写成矩阵形式：

对于各向同性材料而言，弹性张量的独立分量只有两个，公式(1)的本构方程为：

令令c1122＝λ，μ和λ为弹性力学中的拉梅常量，则弹性张量cijkl写成：

cijkl＝λδijδkl+2μδikδjl(4)

δij为单位张量的分量：

因此无损伤的各向同性弹性体的物理方程(本构方程)为：

σij＝(λδijδkl+2μδikδjl)εkl＝λδijεkk+2μεij(6)

式中：εkk＝ε11+ε22+ε33，为爱因斯坦求和约定。

将拉梅常量改写成弹性模量e和泊松比ν形式：

s2：计算无损伤的各向同性弹性体应变能密度。

弹性力学中，应变能密度w包含两部分：体变能密度uov和畸变能密度uod，即w＝uov+uod。为了研究体变能与畸变能，常常将应力张量和应变张量写成球型张量和偏张量(也叫不可约张量)之和，其中应力球型张量与应变球型张量的分量分别为：

以及应力偏量和应变偏量的分量：

将公式(6)：σij＝λδijεkk+2μεij分别代入到(8)和(10)，并利用公式(7)得到：

式中，k为体积模量：

由弹性力学的应变能的定义：

也可以写成：

这里用到了张量分析里面的一个重要应用：即不可约张量(偏张量)对球形张量(单位张量的倍数)的双并点积为0，非常容易证明。

其中：

体变形能密度uov：

畸变能密度uod：

s3：构建含损伤度的物理方程。

引入变量即损伤度d来表示内部损伤的连续性：

式中，e表示无损伤时弹性模量，ed为损伤度为d时的弹性模量；

损伤度为d时，材料的弹性模量e下降为e(1-d)，材料的本构关系(6)演变为:

σij＝(1-d)(λδijεkk+2μεij)(18)

而在单轴拉压受力状态下(应力张量只有σ11，其他分量为0)，式(18)退化为如下形式：

σ11＝e(1-d)ε11(19)

s4：构建含损伤度的损伤演化方程。

疲劳失效问题是一个不可逆的过程，损伤力学理论认为结构的损伤是由于损伤驱动力产生的，并根据热力学定理引入如下形式的损伤驱动力y：

式中，σeq表示损伤力学等效应力；εeq表示损伤力学等效应力与损伤力学等效应变；g为耗散势。

根据应力球量σm的不同，y、g、σeq、εeq的表达式也不同：

当应力球量σm>0时，畸变能与体变能都对损伤产生作用，此时g表示应变能密度w，则y、σeq、εeq的表达式分别为：

当应力球量σm≤0时，考虑到裂纹闭合效应，只有畸变能对损伤产生作用，w仅表示为畸变能密度uod，则y、σeq、εeq的表达式分别为:

lemaitre所构建的损伤演化方程如下：

式中，

ymax为单次载荷循环过程中最大损伤驱动力；

yth为损伤驱动力门槛值；且当ymax<yth时不会引起损伤度的增加；

n载荷循环次数；

yth、α和mk为与材料有关的参数；

步骤22中构建损伤演化方程后还包括光滑试件及缺口试件损伤演化方程参数拟合。

下面先对光滑试件损伤演化方程及参数拟合进行说明。

在疲劳试验过程中，施加在光滑试件上的名义应力保持不变，因此将式(25)带入到式(27)改写成以损伤力学等效应力形式的损伤演化方程：

对式(28)积分可得到类似于标准试件三参数s-n损伤力学疲劳寿命闭合公式：

式中，d0表示结构的初始损伤度；σeq,max＝max(σeq)，表示单次载荷循环过程中损伤力学等效应力的最大值；

σeq,th表示损伤力学等效应力门槛值，可由yth根据式(22)求得，为与材料有关的参数；

光滑试件单轴拉压疲劳试验的三参数形式为：

(smax-s0)^mn＝c(30)

式中，smax为加载过程中最大应力；

s0为疲劳极限，与材料及应力比r有关，

n为载荷循环次数；

m与c为与载荷有关的材质参数。

疲劳试验中为了拟合smax(应力)-n(寿命)曲线，常用不同组的应力做实验，每组应力都用多根标准试件，比如100mpa(5根)，150mpa(6根)，200mpa(5根),等等。同一组应力规模下不同的试件疲劳寿命有一定的离散性，最终采用各组应力的中值点去拟合曲线，曲线上的点都带有初始损伤度d0，而右侧偏离曲线最远的点(s'max,n')认为初始损伤度为0。

基于该假设及联合式(29)和式(30)，可以得到以下等式，从而拟合出损伤演化方程的参数：

需要注意的是，由于式(20)的原因，σeq,th、εeq,th和yth是相互关联的，独立变量只有1个，都是与材料有关的参数。

接下来对缺口试件损伤演化方程及参数拟合进行说明。

根据损伤力学守恒积分原理，在小范围损伤条件下，在应力集中处及其邻近区域内，有损伤时的应变能密度wd与无损伤时应变能密度w0相等。引入有损伤与无损伤情况下的应力分量等比假设，即假设有损伤时的轴向应力与无损伤时的轴向应力等比例变化。在线弹性条件下应变分量也是等比例变化。

含损伤时，根据式(14)，应变能密度wd：

式中，表示危险点处含损伤度时的应变分量；

表示危险点处无损伤度时的应变分量；

根据应变分量等比假设，得到：

再根据式(26)，得到：

式中，表示危险点含损伤度时的危险点的应变分量；

表示危险点无损伤度时危险的应变分量；

依据式(20)将损伤演化方程式(27)写成应变形式：

式中，为单次载荷循环过程中缺口件最大损伤力学等效应变；

为缺口件的损伤力学等效应变门槛值。

将式(34)代入到式(35)并积分得到：

式中，

考虑到应力集中处最大应力与名义应力的关系、守恒积分原理及应力等比例假设：

式中，kt为应力集中系数；

表示损伤度为0时的名义最大损伤力学等效应力；

表示初始损伤度时的名义最大损伤力学等效应力；

表示损伤度为0时的名义损伤力学等效应力门槛值；

表示初始损伤度时的名义损伤力学等效应力门槛值。

因此可将式(36)写成以最大名义应力以及名义应力门槛值的形式：

缺口试件的s-n曲线方程也通常以施加在试件端部的最大名义应力sn,max与寿命n作为数据点拟合而来，类似于光滑试件：

(sn,max-s0,n)^mn＝c(40)

式中sn,max是加载的应力峰值，n对应的寿命，s0,n、m、c是将不同的数据点拟合成三参数函数得到的参数。

根据式(39)式(40)以及最远点：(s′n,max,n')，通过以下方程拟合得到缺口试件损伤演化方程的参数：

本发明中，步骤23后还包括步骤24：将计算得到的所述结构件的损伤度数据更新到数据库中。

本发明中，进一步包括步骤3：利用opengui软件可视化所述结构件各单元的损伤度，可对结构件进行安全管理及评估。

显然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书的范围内。