[发明专利]一种非高斯载荷的损伤等效试验谱优化方法

说明书

本发明提供一种非高斯载荷的损伤等效试验谱优化方法，该包括以下操作步骤：（1）在时域计算实测信号的FDS，其中Q=10，b=4；（2）确定等效试验时间，利用步骤（1）中得到的FDS和公式(13)计算初始PSD值；（3）在频域利用该PSD和频域法计算FDS，其中频域法假设响应应力峰值服从瑞利分布；（4）对比步骤（1）和步骤（3）中计算得到的FDS，若存在较大误差则对初始PSD进行迭代优化；（5）在频域利用步骤（4）中优化后的PSD计算FDS并与步骤1中的FDS对比，当误差满足要求时即得到最终的损伤等效试验谱。本发明可有效提高非高斯载荷的损伤等效试验谱精度，避免产品过试验和欠试验，提高产品可靠性和疲劳寿命的评估精度，从而提高产品生产企业的经济效益。

技术领域

本发明属于机械振动试验技术领域，具体涉及机械振动领域中非高斯随机载荷的损伤等效试验谱的制定和优化方法。

背景技术

随机振动试验被广泛用于识别产品设计缺陷，评估产品可靠性和使用寿命。振动试验谱常用功率谱密度（Power Spectral Density, PSD）描述，其隐含的假设条件是产品所受振动载荷服从高斯分布。然而，真实的随机振动载荷，如风载荷及路谱载荷等，常常是服从非高斯分布的。由于非高斯载荷的峭度等参数无法加速，因此在用于高可靠长寿命产品的疲劳寿命评估时存在测试时间过长和测试成本过高的问题。解决该问题的一种方法是评估非高斯载荷引入的疲劳损伤，并基于损伤等效技术合成新的高斯加速试验谱。近年来，响应谱被广泛应用于评估振动载荷引入的疲劳损伤和过应力损伤：包括利用频域疲劳损伤谱（Fatigue Damage Spectrum, FDS）评估产品全寿命周期的潜在损伤值，并基于全寿命累加FDS合成了等效的加速PSD试验谱；利用极值响应谱（Extreme Response Spectrum, ERS）合成加速试验谱的方法，并考虑了系统阻尼系数和疲劳指数的不确定性对单样本下合成谱均方根值的影响。

现有技术首先利用FDS评估非高斯载荷下的产品损伤。FDS本质上描述了一系列单自由度系统对同一个加速度载荷的响应，各单自由度系统的响应被转换成一定时间内的疲劳损伤并与其共振频率形成一一对应关系。在输入加速度下，一个共振频率为，阻尼比为的单自由度系统的伪速度响应可采用斜阶跃响应不变数字滤波器法求解：

 (1)

 (2)

 (3)

 (4)

 (5)

其中，为采样频率，表示对输入加速度进行滤波处理。

利用响应可在时域或频域计算累积疲劳损伤。其中，时域法采用雨流计数对各应力水平下的循环次数计数，然后结合S-N曲线和Miner准则计算疲劳损伤量：

 (6)

 (7)

其中，是下的疲劳寿命，是常数，是在应力等级下的循环次数，是考虑的应力量级数， 是疲劳指数，是应力与伪速度的比例系数， 是时域损伤指数。

频域法假设响应应力峰值服从瑞利分布：

 (8)

其中，是应力峰值，是应力均方根值。

频域损伤指数可表示为：

 (9)

其中， 是载荷持续时间。

由公式（8）和公式（9）得：

 (10)

其中，是伽玛分布，是伪速度均方根值。

伪速度均方根值可表示为：

 (11)