[發(fā)明專利]一種基于載荷信息矩陣的多維綜合應力壽命試驗載荷譜設計方法

有效

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• 申請日: 2020-07-01
• 公開（公告）號: CN111947950B
• 公開（公告）日: 2022-03-08
• 發(fā)明（設計）人: 馬仲海;聶松林;尹方龍;紀輝
• 申請（專利權）人: 北京工業(yè)大學
• 主分類號: G01M99/00
• 分類號: G01M99/00;F04B51/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產(chǎn)權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

1.一種基于載荷信息矩陣的多維綜合應力壽命試驗載荷譜設計方法，其特征在于：

步驟一、分析需要進行壽命試驗的機電產(chǎn)品其失效模式及失效機理，并且提取與失效機理相關的敏感應力；

步驟二、根據(jù)所描述機電產(chǎn)品的失效機理，選取相應的加速模型，建立機電產(chǎn)品的失效過程與敏感應力之間的關系；按照所能承受的應力范圍大小，對所有應力進行歸一化處理；

步驟三、對上述歸一化處理的敏感應力及各自的應力特性，建立載荷信息矩陣，形成多維綜合應力載荷信息矩陣；

步驟四、利用載荷矩陣以及載荷譜生成算法，設計常規(guī)應力下的綜合應力可靠性壽命試驗載荷譜；若需要設計加速壽命試驗，則根據(jù)加速因子，提高載荷矩陣中的應力等級，再進行加速載荷譜的生成；最后利用生成的多維綜合應力試驗載荷譜指導壽命試驗；

步驟一中，根據(jù)機電產(chǎn)品的運行環(huán)境以及對各類失效樣本的分析，總結失效模式，并提煉敏感應力，記為S₁,S₂,...,S_N，其中，N為總的應力個數(shù)；

步驟二中，分別用S_n,0,S_n,H表示第n個應力的最小應力和最大極限應力，n＝1,2,…,N)，對于不同的加速模型采用與之對應的歸一化計算公式，用h(s)來表示應力與退化過程的關系，加速模型描述為：

ξ₀和α為模型系數(shù)，s為應力大小，對上述模型進行統(tǒng)一歸一化處理，用0≤x≤1來表示歸一化后的應力大小值，歸一化后的方程描述為：

h(x)＝exp(α₀+α₁x) (2)

α₀和α₁為歸一化處理后方程的系數(shù)，其取值與加速模型相關，如公式(3)所示：

式中s₀和s_H分別為最小應力和最大極限應力大小；

第n個應力s_n的歸一化表述由如下形式進行求解：

是與加速模型相關的函數(shù)，根據(jù)公式(1)和(2)即可得到不同模型應力值的計算：

2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于載荷信息矩陣的多維綜合應力壽命試驗載荷譜設計方法，其特征在于：

載荷信息矩陣包括試驗中的所有應力以及應力大小，試驗時間信息，載荷信息矩陣記為LIM(n,i,j),其中，i，j分別為不同的應力等級；

該載荷信息矩陣是一個三維矩陣，針對四種應力類型，統(tǒng)計方法如下：

(1)交變應力載荷信息矩陣統(tǒng)計方法

對于做周期性運動的機電產(chǎn)品，不可避免會受到周期性的交變應力，此類應力包括不同應力等級間切換特性以及應力等級的持續(xù)時長；假設此應力為第1個應力，該時域內(nèi)的應力序列可以描述為：

其中：LIM(1,i,j)表示應力1的載荷信息矩陣，i，j分別為不同的應力等級，t_i為各級應力持續(xù)的時間，T為應力1總時長，m_i,j表示應力1從等級i轉移到等級j的統(tǒng)計值，表示集合中元素個數(shù)的運算符，k表示載荷切換點，X_k為在切換點k時的狀態(tài)，通過對時域中應力譜的信息統(tǒng)計，即可得到應力1的載荷信息矩陣；

載荷譜中，通過對原信號的分析并統(tǒng)計，得到其載荷信息矩陣如下：

(2)步進應力載荷信息矩陣統(tǒng)計方法

假設此應力為第2個應力，對于步進應力，應力只從低等級向高等級切換的交變應力序列，根據(jù)公式(6)，步進應力載荷信息矩陣描述為：

載荷譜中，恒定應力的載荷信息矩陣表示為：

(3)序進應力載荷信息矩陣統(tǒng)計方法

假設序進應力為第3個應力，應力等級隨時間逐漸增大，初始應力等級x_l以及最終截止應力等級x_u步進應力載荷信息矩陣描述為：

∫δ(t)dt＝T為總試驗時長；

(4)恒定應力載荷信息矩陣統(tǒng)計方法

假設恒定應力為第4個應力，該應力在總試驗時長下保持不變，恒定應力的載荷信息矩陣描述為：

載荷信息矩陣為：

LIM(4,i,j)＝40,i＝j＝0.4 (13)

根據(jù)對不同類型應力載荷信息的分別統(tǒng)計，最終該產(chǎn)品的綜合應力載荷信息矩陣；通過對綜合載荷信息矩陣的統(tǒng)計與分析，即可得到應力分布以及各等級應力的持續(xù)時間，從而對產(chǎn)品生命周期所承受的所有應力特性統(tǒng)一進行描述。

3.根據(jù)權利要求2所述的一種基于載荷信息矩陣的多維綜合應力壽命試驗載荷譜設計方法，其特征在于：

步驟四中，

(1)常規(guī)壽命試驗載荷譜生成方法

由于載荷信息矩陣中既包含應力序列的切換頻次信息，又包含每個等級應力的持續(xù)時間，根據(jù)載荷信息矩陣LIM(n,i,j)，計算應力等級的切換概率；以x為應力序列中的某個狀態(tài)，對應各個等級的應力，用P(X_k＝x_k|X_k-1＝x_k-1)表示在切換時刻k狀態(tài)為x_k的概率，且該概率僅僅與切換點k-1的概率有關；通過LIM(n,i,j)進行進一步的計算，即得到狀態(tài)的轉移矩陣Q_T，如下：

其中，q_ij為從應力等級i轉移到應力等級j的概率大小，d_i為應力等級為i時載荷持續(xù)時長所占的比例；

利用轉移矩陣Q_T，即可根據(jù)應力的切換特性生成常規(guī)載荷譜；上述四類應力生成的常規(guī)載荷譜；

(2)加速壽命試驗載荷譜生成方法

根據(jù)等效損傷一致原則，通過設定的加速因子和加速模型反推加速后的應力大小，根據(jù)公式(3)得到加速后的應力大小，利用轉移矩陣Q_T生成加速載荷譜。