[发明专利]一种金属结构疲劳试验数据处理及可靠性分析方法

权利要求书

1.一种金属结构疲劳试验数据处理及可靠性分析方法，其步骤为：

1)、基于项目经验及疲劳试验结构，依据给定的飞机设计服役目标DSG，确定试件应力水平，控制试件寿命区间；在寿命拟合区间内采用单件法和成组法相结合的方法规划试验件数量，各应力水平试验件数量随着应力水平的升高而增加；

2)、根据疲劳试验数据求取影响结构疲劳性能的参数S和m，引入细节疲劳强度品质DFQ值，对标准SN曲线基本公式变形改进，确定变形后的试验寿命区间范围内的SN曲线，其中：

公式中引入平均应力，有

S_mean＝(S_max-S_min)/2，R＝S_min-S_max

则寿命公式可变换为

其中，

N：可靠度为50％，置信度为50％的结构疲劳寿命；

DFQ：细节疲劳强度品质；

R：应力比；

S_max：应力循环中对应的最大应力；

S_min：应力循环中对应的最小应力；

S：结构对应的SN曲线的斜率；

m：结构对应的SN曲线的截距；

3)、对疲劳度试验数据进行处理，确定结构指定可靠性要求下的应力寿命PSN曲线和寿命分散系数；

其中步骤2)中：

所述的细节疲劳强度品质DFQ，具体为：体现结构部位的固有疲劳性能特征值，是一种对构件和耐重复载荷能力的度量，该值对应于应力比R＝0.1时，结构细节寿命具有50％置信度和50％可靠度，平均寿命为10⁵次循环寿命时得到的最大应力值；

在步骤1)获得疲劳试验数据后，依据试验数据对细节疲劳强度品质DFQ寿命公式进行SN曲线拟合，确定材料参数S，m；在DFQ寿命计算公式中，结构形式和外载确定后，DFQ值、应力集中系数、最大应力值，应力比R均已确定，材料参数S，m为变量；拟合SN曲线时，采用最小二乘法曲线进行拟合：通过调节DFQ寿命计算公式中参数S，m值，使其满足在试验施加的各应力水平下，DFQ公式得到的寿命在0.5*DSG至5*DSG的寿命区间中不大于试验实测寿命值的要求，确定最终的参数S，m值；其中拟合获得S值时，选取R＝0.1的一组试验数据，此时DFQ寿命公式与参数m无关；在得到S值后，选取同种不同应力比R的几组试验数据进行m拟合，之后求平均值确定该种材料的m值。

2.根据权利要求1所述的一种金属结构疲劳试验数据处理及可靠性分析方法，其特征在于：步骤3)中具体为：

3a)、由于飞机不同结构采用的设计概念，以及结构所处区域检查修理方式的难易程度不同，对飞机结构寿命的可靠性进行分类规定，当结构从属于以下类型时，除以相应的分散系数，得到指定表2中可靠度和置信度下的疲劳寿命；

表2结构分类及可靠性要求

3b)、在确定了结构类型及分析可靠性要求后，需再除以对应的寿命分散系数即可确定结构在指定可靠度和置信度下的结构疲劳寿命。

3.根据权利要求2所述的一种金属结构疲劳试验数据处理及可靠性分析方法，其特征在于：步骤3b)中具体方法如下：

依据DFQ寿命计算公式，对0.5-5倍DSG寿命区间内的应力寿命点(S，N)取对数后得到(Y，X)，其中S为(S_max-S_min)/2，N为对应S下结构的寿命，对同一个应力水平Y，疲劳寿命对数值X_Y是一个随机变量，且服从正态分布X_Y～N(μ_X(Y),σ²)；依据材料疲劳S/N曲线特点，在0.5-5倍DSG寿命区间内，(Y，X)点近似服从线性分布，回归方程表达式：

μ_X＝a+bY

其中a为双对数S-N曲线截距；

b为双对数S-N曲线斜率；

在指定应力比R或者平均应力水平S_mean下，将N₁＝0.5*DSG和N₂＝5*DSG带入到DFQ寿命公式，可以得到应力S₁和S₂，对(S₁，N₁)和(S₂，N₂)取对数得到(Y₁，X₁)和(Y₂，X₂)两点，这两点为该方程的上下边界点，回归方程中斜率和截距估计值可以通过下述公式确定：

用表示μ_X(Y)的估计值，则得到

将上式中的和Y分别取反对数后，选取试验应力水平下的寿命值，即可得到对应0.5倍DSG至5倍DSG寿命区间的SN曲线；

对同一个应力水平Y，疲劳寿命对数值X_Y是一个服从正态分布的随机变量；S-N曲线只反应Y变化时，随机变量X_Y的变化趋势；根据结构寿命的可靠性要求，分析时还需要结合对任意给定的Y，X_Y取值的预测区间，确定指定置信度和可靠度结构的PSN曲线；

将规划实施试验得到的有效试验数据(S_it，N_it)，分别取对数后得到(Y_it，X_it)；将Y_it带入得到的S-N曲线表达式中，得到各试验应力水平下的

对于指定的变量Y，需要求出一个以X估计值为中心的预测区间，让他以规定的概率(1-α)包含母体中任意时间的对数寿命X_Y；据数理统计原理得到表达式：

表示：方差估计值；n为有效试件数量；

符合自由度为(n-2)的t分布，其中：

试件应力平均值：；

方差估计值：

用基于t分布的区间估计方法，可得X_Y的100(1-α)％的预测区间：

其中，t_α为t分布双侧分位数，按下式由双边t分布表查得：

P{|t|＜t_α}＝1-α

α表示：指定应力水平下寿命不满足要求的概率值；

将上式中的X_Y和Y分别取反对数后，就得到对应的疲劳寿命值的100*(1-α)％的预测带；工程应用中使用预测带的下边界作为可靠度100(1-α/2)％的PSN曲线；

采用上述方法，用基于t分布的区间估计方法，得到μ_X(Y)的100*(1-α)％置信区间如下：

将上式中的X_Y和Y分别取反对数后，就得到对应的疲劳寿命值的100*(1-α)％的预测带；工程应用中使用预测带的下边界作为置信度100(1-α/2)％的PSN曲线；

得到结构在试验规划的施加应力比或者平均应力下指定置信度和可靠度要求的多条PSN曲线；

飞机的设计服役目标是在可靠度95％,置信度95％要求下的飞机目标寿命；依据结构的目标寿命要求，在可靠性要求为可靠度95％,置信度95％的PSN曲线上选取DSG寿命值对应的应力值，分别读取其他PSN曲线该应力值结构的寿命，用S-N曲线在该应力水平下寿命与其他PSN曲线在该应力水平下寿命做比值即可得到各可靠性要求下结构的寿命分散系数。