机载装备疲劳损伤加速耐久试验条件确定方法及系统与流程

1.本发明涉及智能制造中的设备疲劳测试，尤其涉及一种机载装备疲劳损伤加速耐久试验条件确定方法及系统。


背景技术：

2.振动耐久试验是模拟装备在整个寿命周期内可能经历的最长振动时间，以考核装备寿命周期内的抗疲劳能力。
3.过去我国机载装备环境试验中振动耐久试验项目的条件和方法多数是参照gjb 150.16a
ꢀ‑
2009或相关行业标准制定，该方法是直接给定1.6倍的加速因子通过疲劳耐久等效公式计算振动耐久试验量值及持续时间。虽然标准推荐的方法计算简捷，但标准推荐的振动耐久试验条件与实测环境存在差异，针对长寿命多任务的装备考核过于保守，极个别装备还存在标准推荐条件无法覆盖实际使用振动载荷的情况。
4.随着各装备研制单位对装备通用质量特性重视度的提升，振动环境条件的实测已成为装备研制过程中普遍开展的工作内容，随着各型装备振动实测数据的积累，没有实测数据或实测数据覆盖性差的难题已逐步得到解决。若在振动台上能完全重复机载装备所承受的真实载荷，该方法确实能够准确考核装备寿命周期内的抗疲劳能力，但是直接基于未加速的时域实测数据的耐久试验周期又过于冗长，针对振动实测数据制定准确、高效的振动耐久试验条件的方法尚不成熟，因此有待于建立基于实测信号的机载装备疲劳损伤加速耐久试验条件确定方法。


技术实现要素：

5.本发明主要目的在于公开一种机载装备疲劳损伤加速耐久试验条件确定方法及系统，以快速并可靠地确定加速耐久试验条件。
6.为达上述目的，本发明方法包括：
7.步骤一：对采集的全任务段实测信号进行预处理。
8.步骤二：根据预处理后的实测信号载荷幅值变化，判断任一任务段的载荷数据是否大于或等于分级阈值，如果是，对相应的任务段按载荷幅值变化趋势进行排序、重组及分级处理，再对每级任务段载荷数据ti截取代表性时间段t
i截
的波形，其中，，为全任务段的分级数，且小于分级阈值的任务段视为同一级。
9.步骤三：计算机载装备对应各级所截取波形所产生的疲劳损伤值d
ti截
。
10.步骤四：根据各级所截取波形所产生的疲劳损伤值d
ti截
，得到全任务状态下机载装备的疲劳损伤值d：
11.。
12.步骤五：预先给定耐久试验条件加速时间，以载荷应力小于或等于装备的材料屈服强度、不改变装备的失效机理为约束，以疲劳损伤谱的等效为原则，通过迭代计算，倒推
能够产生相同疲劳损伤谱的输入载荷条件，在不改变系统结构的损伤机理的情况下，得到耐久振动试验条件。
13.优选地，所述步骤一中的预处理包括：去除异常数据、对丢失数据进行补齐、以及对于多次测量数据，通过容差上限系数估计和容差上限估计进行归纳处理。
14.可选地，分级阈值为最大幅值和最小幅值的绝对值比值等于2。
15.可选地，在所述步骤二的重组过程中，对原本离散时间点的相同载荷幅值进行连续排布处理，并根据载荷幅值变化趋势的排序以从大到小或从小到大的顺序进行邻接。
16.优选地，在所述步骤三中，具体包括：对截取的各波形，分别计算应力-时间函数，并采用雨流计数法统计各个幅值下的应力循环次数；然后根据miner准则，结合机载装备标准s-n曲线的特征参数计算对应各级所截取波形所产生的疲劳损伤值。进一步地，计算应力-时间函数可具体包括：
17.将各级任务段截取的波形施加于系列线性单自由度质量-弹簧系统，计算出各单自由度系统相对于施加载荷的激励平台间相对位移的时间函数。
18.通过应力-相对位移的比例常数，计算出装备系统受到的应力的时间函数。
19.优选地，在所述步骤五的迭代计算过程中，具体包括：
20.以上述计算全任务状态下机载装备的疲劳损伤值的相同方法计算预处理后、重组前的原载荷作用在随机截取加速时间下的疲劳损伤值，若加速后疲劳损伤值小于加速前疲劳损伤值，将以加速时间所截取相应载荷幅值扩大2u倍直至当加速后疲劳损伤值大于加速前疲劳损伤值；然后通过载荷衰减系数不断降低载荷幅值，当加速后疲劳损伤值小于加速前疲劳损伤值，再通过载荷放大系数不断增加载荷幅值，依此迭代计算，最终使加速前的疲劳损伤值等于加速后的疲劳损伤值，倒推出加速后时域载荷，u为正整数。
21.可选地，各分级所截取的代表性时间段的时长相等。
22.为达上述目的，本发明还公开一种机载装备疲劳损伤加速耐久试验条件确定系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的方法。
23.本发明具有以下有益效果：
24.1、基于实测信号确定加速耐久试验条件，可以更好地模拟装备实际使用环境，不会产生“过试验”和“欠试验”现象，确保了机载装备载荷的准确性。
25.2、在不改变装备疲劳损伤机理条件下，基于疲劳损伤等效原则对耐久试验进行合理加速，为装备耐久振动环境的寿命评价提供了更科学的试验考核方法；不仅适用于单任务状态装备，同样适用于长寿命多任务状态下经历不同振动载荷的装备。
26.3、而且在疲劳损伤的计算过程中，通过分级、截段后再按比例放大，可以快速并可靠地确定得到机载装备全任务段下的疲劳损伤值。
27.下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
28.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
29.图1是本发明实施例公开的某型号项目实测数据示意图。
30.图2是对图1数据进行分段重组的示意图。
31.图3是本实施例激励平台的各单自由度系统的分布示意图。
32.图4是本发明实施例所截取加速前时域载荷数据的示意图。
33.图5是本发明实施例加速前后疲劳损伤谱的对比示意图。
34.图6是本发明实施例加速后时域载荷数据的示意图。
35.图7是本发明实施例未截段计算疲劳损失的耗时示意图。
36.图8是本发明实施例对图7数据截段后计算疲劳损失的耗时示意图。
具体实施方式
37.以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
38.实施例1
39.本实施例公开一种基于实测信号的机载装备疲劳损伤加速耐久试验条件确定方法。首先，对实测信号进行数据预处理，包括数据检验和数据归纳，确认数据的有效性；根据载荷幅值变化，对不同任务段载荷数据进行分级处理；根据miner准则（疲劳损伤线性累积假说），结合装备标准s-n曲线的特征参数，对不同段载荷信号计算疲劳损伤值，得到疲劳损伤谱。最后，以载荷应力不高于装备的材料屈服强度、不改变装备的失效机理为约束，以疲劳损伤谱的等效为原则，设置加速耐久振动试验时间，通过迭代计算，倒推能够产生相同疲劳损伤谱的输入载荷条件，在不改变系统结构的损伤机理的情况下，得到耐久振动试验条件。
40.本发明技术方案主要包括以下几个步骤：
41.步骤一：对采集的全任务段实测信号的有效性进行确认，检查数据中是否存在异常，包括但不限于信号削波、虚假趋势、电磁干扰、间歇噪声、奇异点和数据丢失等。按照数据的筛选、修正或剔除规则对时域数据进行编辑，对于同一个测点多次测量数据，通过容差上限系数估计和容差上限估计进行归纳处理。
42.在该步骤中，对采集的全任务段实测信号进行预处理。对于实测数据的来源，可以采用适用于多装备多任务状态的振动数据采集系统，对装备的环境振动数据展开实测。实测过程中覆盖机载装备服役过程中全任务飞行过程，采集到实测振动信号，该振动信号一般为时间-振动加速度二维数组，如图1所示某型号项目实测数据；也可以收集同类型机载装备振动实测数据。
43.步骤二：根据预处理后的实测信号载荷幅值变化，判断任一任务段的载荷数据是否大于或等于分级阈值，如果是，对相应的任务段按载荷幅值变化趋势进行排序、重组及分级处理，再对每级任务段载荷数据ti截取代表性时间段t
i截
的波形；其中，，为全任务段的分级数，且小于分级阈值的任务段视为同一级。
44.在该步骤中，在利用时域信号进行疲劳损伤谱计算时，由于耐久试验随机载荷通常持续时间很长，如果不进行时域数据简化处理，直接对全时域数据进行计算会造成很大的计算量，影响求解效率。为了加速疲劳损伤谱计算时间，对全时域段依据不同任务状态及载荷幅值变化进行分级简化处理。优选地，分级阈值为最大幅值和最小幅值的绝对值比值
等于2。若分级采用低幅值时域段和高幅值时域段两级，基于图1所示数据对各任务段的分级示意图如图2；具体过程包括：
45.首先，对全时域段数据依据不同任务状态分段，不同任务状态依据载机飞行剖面（爬升、巡航、下滑等）确定；之后，判断每个任务状态的时域幅值变化情况，当时域最大幅值和最小幅值的绝对值比值小于2时，认为该任务状态的时域数据为平稳随机数据，不对该任务状态数据进行分段，当时域最大幅值和最小幅值的绝对值比值大于2时，表示该任务状态的时域数据存在幅值变化较大的情况，不能认为是平稳随机数据，应该对这一任务状态数据进行二次分段及数据重组，依据包含载荷绝对值超过50%该任务段最大载荷峰值的所有时间历程，将该任务段划分重组为高幅值时域段和低幅值时域段。最终，将全时域实测数据分级成包含不同任务状态的平稳随机数据。藉此，通过处理，将全时域段数据划分为平稳的且各态历经的随机数据；进一步地，为了提高整体计算效率，对每个分段载荷数据ti截取代表性时间段t
i截
的波形计算疲劳损伤谱即可。例如，所截取代表性时间段可采用5s；且通常选择重组后波峰绝对值处于中间偏上的且不同幅值数量比较多的时间段作为截取段；藉此可保证后续根据截取比例评估各级任务段的疲劳损伤具有足够的安全裕度。其中，参照图2，重组的过程本质即：对原本离散时间点的相同载荷幅值进行连续排布处理，并根据载荷幅值变化趋势的排序以从大到小或从小到大的顺序进行邻接。
46.步骤三：对截取的t
i截
波形，计算应力-时间函数，采用雨流计数法统计各个幅值下的应力循环次数；根据miner准则，结合装备标准s-n曲线的特征参数，计算装备各任务段下的疲劳损伤值d
ti截
。
47.在该步骤中，可进一步细分为：
48.步骤s31、将各分段截取的t
i截
波形施加于图3所示的一系列线性单自由度质量-弹簧系统，该系统各单自由度的固有频率不同，阻尼比相同且为，计算出各单自由度系统所各自对应的相对于施加载荷的激励平台间相对位移的时间函数。在计算过程中，满足：
[0049][0050]
式中：为激励平台的绝对位移。
[0051]
步骤s32、通过应力-相对位移的比例常数，计算出装备系统受到的应力的时间函数。
[0052]
步骤s33、用雨流计数法对应力-时间函数的峰谷值进行计数，得到每个应力幅值对应的循环次数。
[0053]
步骤s34、根据miner准则，结合装备标准s-n曲线的特征参数，计算出各分段机载装备的疲劳损伤值：
[0054][0055]
式中：为标准s-n曲线的截距，为标准s-n曲线的斜率倒数；为应力幅值个数。
[0056]
步骤四：根据各段计算的疲劳损伤值d
ti截
，得到全任务状态下机载装备的疲劳损伤值d：
[0057][0058]
步骤五：预先给定耐久试验条件加速时间，以载荷应力不高于装备的材料屈服强度、不改变装备的失效机理为约束，以疲劳损伤谱的等效为原则，通过迭代计算，倒推能够产生相同疲劳损伤谱的输入载荷条件，在不改变系统结构的损伤机理的情况下，得到耐久振动试验条件。
[0059]
优选地，在该步骤中，以上述计算全任务状态下机载装备的疲劳损伤值的相同方法计算预处理后、重组前的原载荷作用在随机截取加速时间下的疲劳损伤值，若加速后疲劳损伤值小于加速前疲劳损伤值，将以加速时间所截取相应载荷幅值扩大2u倍直至当加速后疲劳损伤值大于加速前疲劳损伤值；然后通过载荷衰减系数不断降低载荷幅值，当加速后疲劳损伤值小于加速前疲劳损伤值，再通过载荷放大系数不断增加载荷幅值，依次迭代计算，最终使加速前的疲劳损伤值等于加速后的疲劳损伤值，倒推出加速后时域载荷，u为正整数。
[0060]
其中，在迭代计算过程中，对于超过结构危险处材料屈服强度或σs或材料s-n曲线寿命103~104所对应的应力的分段，载荷进行保留，对于结构造成低应力的分段进行损伤等效加速。最终在不改变结构的损伤机理下，得到加速时域信号。对加速后的时域信号进行快速傅里叶变换（fft）转化为功率谱密度（psd），对psd进行分段包络处理，最终得到基于实测信号的机载装备疲劳损伤加速耐久试验条件。
[0061]
下面以一段随机时域载荷信号为例，说明上述加速迭代过程。原任务段载荷持续时间为180s，截取5s时域代表数据如图4所示。预设装备特征参数：品质因子设置为10，标准s-n曲线的斜率倒数设置为8，标准s-n曲线的截距为1，应力/位移的比例常数为1，设置疲劳损伤谱的上限频率为2000hz，谱线间隔为1hz，计算疲劳损伤谱如图5所示的加速前疲劳损伤谱曲线。当以36s作为耐久试验持续时间的输入参数时，以疲劳损伤谱等效为原则，如图5所示的加速前后疲劳谱接近，通过20次迭代计算，倒推出疲劳损伤谱逼近时的载荷输入条件，其载荷加速系数因子迭代计算值为1.7，得到加速后的时域载荷如图6所示。即以时长36s的加速后时域载荷信号进行耐久振动试验可以替代时长为180s的加速前时域载荷信号，从而达到提升试验效率的目的。
[0062]
值得说明的是：在本实施例中，上述所截取时间段的长短在一定范围内不影响求解精度。例如：从某任务段分别截取5s和9s的时域数据，5s时域数据计算的疲劳损伤谱积分值为9.9e-26，9s时域数据计算的疲劳损伤谱积分值为1.58e-25，疲劳损伤谱比值为1.6，时长比值为1.8，说明截段时间对疲劳损伤谱求解精度较小，从而可根据实际情况确定截断时间。相比之下；若不对实测信号不进行截段简化处理，直接进行疲劳损伤谱计算，如图7所示，一段60s的时域数据计算时长为473s，对时域段截段后，取5s时域数据计算疲劳损伤谱，如图8所示，计算时长为97s，从而使得时间缩短了387%，大大提高了求解效率。
[0063]
综上，本实施例直接采用机载装备实测振动数据，符合实际环境，确保了机载装备载荷的准确性；利用疲劳损伤谱等效理论对机载装备振动疲劳进行了疲劳加速，不仅适用于单任务状态装备，同样适用于长寿命多任务状态下经历不同振动载荷的装备；采用基于实测谱与疲劳损伤等效的方法，不会产生“过试验”和“欠试验”现象，为机载装备耐久振动环境的寿命评价提供了更科学的试验考核方法。
[0064]
实施例2
[0065]
本实施例公开一种机载装备疲劳损伤加速耐久试验条件确定系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例相对应的方法。
[0066]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。