一种冲击疲劳概率寿命评估方法及系统与流程

本发明涉及冲击疲劳寿命评估，特别是涉及一种冲击疲劳概率寿命评估方法及系统。

背景技术：

1、冲击疲劳是指材料或结构在多次冲击载荷作用下，薄弱部位逐渐产生损伤并累积，经过一定次数冲击后产生裂纹并扩展，直至完全断裂的现象。在冲击过程中，载荷的持续时间比较短、速度快，单次冲击载荷造成结构微损伤，随着冲击载荷多次加载，结构的微损伤会逐步累积，最终产生宏观裂纹，导致结构失效。

2、冲击疲劳本质上属于疲劳失效，为了评价和估算疲劳寿命，需要建立载荷与材料寿命之间的关系，反映这种关系的曲线为s-n曲线。用常规方法做出的s-n曲线，只能代表中值疲劳寿命与应力水平间的关系(即存活率为50％)，要得到各种存活率下的疲劳寿命与应力水平间的关系，则必须用p-s-n曲线。在利用对数正态分布或威布尔分布求出不同应力水平下的p-n曲线以后，将不同存活率下的数据点分别相连，即可得出一族s-n曲线，其中的每条曲线，分别代表某一不同存活率下的应力-寿命关系。这种以应力为纵坐标、以存活率的疲劳寿命为横坐标，所绘出的一族存活率-应力-寿命曲线，成为p-s-n曲线。

3、为了评估材料或结构的冲击疲劳寿命，需要通过冲击疲劳试验获得大量的冲击疲劳寿命数据，使用寿命数据拟合冲击疲劳的p-s-n曲线，基于p-s-n曲线进行冲击疲劳概率寿命评估。由于冲击载荷的特殊性，冲击疲劳试验通常难以实现高频加载，导致冲击疲劳试验需要较长的时间和较多的成本，限制了p-s-n曲线的拟合精度，进而影响了构件疲劳可靠性的准确性。利用小样本试验数据充分提取随机变量信息，对提高疲劳构件可靠性评估精度具有重要理论价值和应用价值。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种冲击疲劳概率寿命评估方法及系统，通过样本信息聚集原理，将小样本冲击疲劳试验数据扩充至大样本数据，根据样本数据拟合冲击疲劳概率寿命曲线，显著减少了冲击疲劳试验的时间和成本，具有较好的工程实用性，解决了常规的冲击疲劳寿命评估方法的试验周期长、成本高等问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种冲击疲劳概率寿命评估方法，该方法包括以下步骤：

4、1)，制备若干相同的试件，将试件分组，分别在不同应力水平下进行冲击疲劳寿命试验，获取冲击疲劳寿命数据；

5、2)，根据冲击疲劳寿命数据拟合对数寿命均值-对数应力直线方程，获得不同应力水平的对数寿命均值，同时，确定对数寿命标准差-应力水平关系，获得不同应力水平的对数寿命标准差；

6、3)，根据材料性能-疲劳寿命概率映射原理，基于不同应力水平的对数寿命均值、对数寿命标准差，将任一个应力水平上的冲击疲劳寿命数据转换成另一个应力水平上的冲击疲劳寿命数据，得到当量大样本数据；

7、4)，基于当量大样本数据，进行寿命分布参数估计和p-s-n曲线方程拟合；

8、5)，对于给定的冲击载荷历程，通过循环计数获得若干冲击应力循环，应用p-s-n曲线计算各个冲击应力循环所对应的概率疲劳寿命，应用累积损伤理论计算在给定冲击载荷历程下的概率疲劳总损伤，进而计算出各危险点在给定冲击载荷历程下的冲击疲劳概率寿命。

9、进一步地，所述步骤1)中，制备若干相同的试件，将试件分组，分别在不同应力水平下进行冲击疲劳寿命试验，获取冲击疲劳寿命数据，具体包括：

10、选取4级不同应力水平，在最高应力水平下进行15个试件的冲击疲劳寿命试验，在剩余应力水平下分别进行5个试件的冲击疲劳寿命试验，获取冲击疲劳寿命数据。

11、进一步地，所述步骤2)中，对数寿命均值-对数应力直线方程的表达式为：

12、

13、式中，为对数寿命均值；σ为应力；cm和mm为50％存活率下的材料s-n曲线系数；

14、对数寿命标准差-应力水平关系的表达式为：

15、s(σj)＝s(σ1)+k(σ1-σj)

16、式中，k为对数寿命标准差-应力水平关系直线的斜率；σ1表示最高应力水平的应力值；σj表示应力水平j的应力值。

17、进一步地，所述步骤3)中，材料性能-疲劳寿命概率映射原理的表达式为：

18、p(nji)＝p(nki)

19、式中，nji为试件i在应力水平j下的对数寿命；nki为试件i在应力水平k下的对数寿命；

20、p(nji)表示在应力水平j下对数寿命小于nji的概率，其表达式为：

21、p(nji)＝p(nj＜nji)

22、p(nki)表示在应力水平j下对数寿命小于nki的概率，其表达式为：

23、p(nki)＝p(nj＜nki)。

24、进一步地，所述步骤3)中，基于不同应力水平的对数寿命均值、对数寿命标准差，将任一个应力水平上的冲击疲劳寿命数据转换成另一个应力水平上的冲击疲劳寿命数据，得到当量大样本数据，具体包括；

25、对于服从正态分布n(μ,s2)的对数疲劳寿命随机变量n，有：

26、

27、式中，n为对数疲劳寿命随机变量；μ为正态分布均值；s为正态分布标准差；φ(·)为标准正态分布函数；

28、进一步可得：

29、

30、式中，μ(σj)为应力水平j下的对数寿命均值；s(σj)为应力水平j下的对数寿命标准差；μ(σk)为应力水平k下的对数寿命均值；s(σk)为应力水平k下的对数寿命标准差；

31、根据上述推导可知，不同应力水平下的各个寿命样本点之间存在一一对应的关系，根据此对应关系，把任一应力水平上的冲击疲劳寿命数据转换成另一个应力水平上的冲击疲劳寿命数据，形成样本聚集效应，得到当量大样本数据。

32、进一步地，所述步骤4)中，基于当量大样本数据，进行寿命分布参数估计和p-s-n曲线方程拟合，包括：

33、当量大样本数据包含各个存活度下的冲击疲劳寿命数据，基于各个存活度下的冲击疲劳寿命数据拟合各个存活度下的s-n曲线，其方程为：

34、np＝lgcp+mp lgσ

35、式中，np为对数概率寿命；cp和mp为各存活率下的s-n曲线系数；σ表示应力。

36、进一步地，所述步骤5)中，应用p-s-n曲线计算各个冲击应力循环所对应的概率疲劳寿命，应用累积损伤理论计算在给定载荷历程下的概率疲劳总损伤，进而计算出各危险点在给定载荷历程下的冲击疲劳概率寿命，包括：

37、

38、式中，dt为累积损伤值；dp为各个冲击应力循环所对应的损伤值；

39、给定载荷历程下的冲击疲劳概率寿命为：

40、

41、式中，nip为冲击疲劳概率寿命。

42、本发明还提供一种冲击疲劳概率寿命评估系统，包括：

43、冲击疲劳寿命试验模块，用于制备若干相同的试件，将试件分组，分别在不同应力水平下进行冲击疲劳寿命试验，获取冲击疲劳寿命数据；

44、对数寿命均值及对数寿命标准差确定模块，用于根据冲击疲劳寿命数据拟合对数寿命均值-对数应力直线方程，获得不同应力水平的对数寿命均值，同时，确定对数寿命标准差-应力水平关系，获得不同应力水平的对数寿命标准差；

45、样本聚集模块，用于根据材料性能-疲劳寿命概率映射原理，基于不同应力水平的对数寿命均值、对数寿命标准差，将任一个应力水平上的冲击疲劳寿命数据转换成另一个应力水平上的冲击疲劳寿命数据，得到当量大样本数据；

46、p-s-n曲线生成模块，用于基于当量大样本数据，进行寿命分布参数估计和p-s-n曲线方程拟合；

47、冲击疲劳概率寿命计算模块，用于对于给定的冲击载荷-时间历程，通过循环计数获得若干冲击应力循环，应用p-s-n曲线计算各个冲击应力循环所对应的概率疲劳寿命，应用累积损伤理论计算在给定载荷历程下的概率疲劳总损伤，进而计算出各危险点在给定载荷历程下的冲击疲劳概率寿命。

48、本发明还提供一种电子装置，包括一个或多个处理器；存储器；一个或多个应用程序，其中所述一个或多个应用程序被存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序配置用于执行如上述的冲击疲劳概率寿命评估方法。

49、本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述的冲击疲劳概率寿命评估方法。

50、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的冲击疲劳概率寿命评估方法及系统，可以通过小样本冲击疲劳试验数据拟合概率寿命曲线及评估冲击疲劳概率寿命，相比于常规的冲击疲劳寿命评估方法，本发明无需通过大量的冲击疲劳试验获取概率疲劳寿命曲线，应用样本聚集原理，通过小样本冲击疲劳试验数据拟合概率疲劳寿命曲线；在冲击疲劳概率寿命计算方面，本发明通过冲击疲劳概率寿命曲线获得各载荷循环在给定存活度下的概率疲劳寿命，应用累积损伤理论计算在给定载荷历程下的概率疲劳总损伤，据此评估危险部位在给定载荷历程下的冲击疲劳概率寿命。本发明通过样本信息聚集原理，将小样本冲击疲劳试验数据扩充至大样本数据，根据样本数据拟合冲击疲劳概率寿命曲线，显著减少了冲击疲劳试验的时间和成本，具有较好的工程实用性。