一种多轴随机载荷下疲劳损伤评估方法和监测装置

摘要

一种多轴变幅载荷下机械疲劳损伤监测装置及方法，属于机械疲劳损伤监测领域。该装置主要包括数据采集系统（1）、数据处理系统（2）、数据监测系统（3）。数据采集系统1包括机械关键零部件A2、应变传感器A1、数据传输线A3，数据处理系统2包括数据采集卡B1、交流电源B2、USB传输线B3、功率放大器B4、A/D转换器B5，数据监测系统3包括计算机C1。本发明将基于临界面方法的多轴疲劳损伤评估理论应用于监测系统中，解决工程实际中常见的多轴载荷下疲劳损伤监测问题，预测结果说明提出的算法能较好地评估多轴载荷下的疲劳损伤。

说明书

技术领域

本发明是一种多轴随机载荷下机械疲劳损伤监测装置及方法，属于机械 疲劳损伤监测领域。

背景技术

服役中的各种航空航天飞行器、压力容器、核电站、发电厂以及日常交 通工具中的一些重要零部件通常会承受复杂的多轴随机或随机交互循环载荷 作用。在长时间的工作中，机械疲劳成为主要的失效形式，疲劳断裂的发生 往往会给国民生产带来重大经济损失，甚至还会危及到人员安全。所以，对 运行中的重要零部件进行疲劳损伤状况监测成为一个必不可少的安全保障手 段之一。

目前关于疲劳损伤评估与监测，主要工作集中在单轴疲劳方面。但现代 工业中绝大多数的工程结构件均在复杂多轴加载历史、恶劣环境条件下工作， 所以传统的单轴疲劳强度理论远远满足不了重大装备强度评估和寿命预测等 工程实际要求。因此将符合工程实际的多轴随机载荷下疲劳损伤监测方法应 用于重大装备关键零部件的损伤监测，是工程实际结构损伤定量监测技术的 重要发展方向。

发明内容

本发明的主要目的在于针对目前疲劳监测系统的现实需求，提出了一种 基于应变的多轴随机载荷下的疲劳损伤监测装置和方法。该装置及方法的优 点是可以在机械关键零部件运行的整个过程中对其进行实时的疲劳损伤监 测，及时报告其疲劳损伤状况，以防止疲劳断裂事故的发生。

本发明所采取的技术方案，具体结构参见图1，该装置主要包括数据采集 系统1、数据处理系统2、数据监测系统3。其特征在于：该装置的数据采集 系统1包括机械关键零部件A2、应变传感器A1、数据传输线A3；数据处理 系统2包括数据采集卡B1、交流电源B2、USB传输线B3、功率放大器B4、 A/D转换器B5；数据监测系统3包括计算机C1、软件监测系统C2。软件监 测系统C2，具体结构参见图2，包括用户登录模块D1、数据库D2、实时数 据显示模块D3、疲劳损伤计算模块D4、历史记录保存与查看模块D5；其中， 应变传感器A1贴于机械关键零部件A2缺口处、并且通过数据传输线A3与 功率放大器B4连接，功率放大器B4与A/D转换器B5连接，A/D转换器B5 与数据采集卡B1连接，数据采集卡B1通过USB传输线B3与计算机C1连 接，数据采集卡B1通过交流电源B2供电，软件监测系统C2运行于计算机 C1上，通过USB端口C3获取数据。用户登录模块D1、实时数据显示模块 D3、疲劳损伤计算模块D4、历史记录保存与查看模块D5分别与数据库D2 连接，疲劳损伤计算模块D4与历史记录保存与查看模块D5连接。

本发明为了解决随机多轴载荷下疲劳损伤评估的问题，提出一种先进的 多轴疲劳损伤估算方法。

应用所述装置的一种多轴随机载荷下疲劳损伤评估的方法，其特征在于， 步骤如下：

步骤1)：读取应变时间历程载荷块数据；

应变数据由数据采集卡采集并存入计算机(C1)中，当数据量达到预先 设置的点数，系统将从数据库中读取正应变和剪应变时刻点数据分别存入两 个数组中；

步骤2)：计算等效应变损伤参量时间历程；

将正应变和剪应变数组数据依照时刻点顺序用来计算等效应变损伤参量 时间历程；等效应变损伤参量时间历程用如下基于临界面的多轴疲劳损伤参 量进行计算：

$\frac{\Delta {ϵ}_{\mathrm{eq}}^{\mathrm{cr}}\left(t\right)}{2}=\sqrt{{ϵ}_n^{*2}+\frac{1}{3}{\left(\frac{\Delta {\gamma }_{\max }}{2}\right)}^2}{|}_{0<t\le t_{\mathrm{end}}}$

其中，Δγ_max是最大剪应变范围平面上的最大剪应变范围，是该平面上 的Δγ_max折返点之间的正应变历程，t对应数组中的时刻点；t_end对应数组中的结 束时刻点；

步骤3)：确定最大等效应变损伤参量，并计算疲劳损伤值；

确定整个载荷块之中，等效应变损伤参量时间历程的最大值，并将该最 大等效应变损伤参量值代入下式来计算其产生的疲劳损伤：

$\frac{{\mathrm{\Delta ϵ}}_{\mathrm{eq}}^{\mathrm{cr}}\left(t\right)}{2}{|}_{\max }=\frac{{\sigma }_f^{\prime }}{E}{\left(2N_f\right)}^b+{ϵ}_f^{\prime }{\left(2N_f\right)}^c$

其中，E是材料的弹性模量，σ′_f，ε′_f，b，c是单轴拉压下的材料疲劳参 数，通过实验或材料手册中查询得到，N_f是疲劳寿命循环数；

步骤4)：确定整个块载荷中新的较小应变时间历程载荷块数据；

对于一个随机多轴载荷块，如果整个等效应变损伤参量时间历程不是完 全单调上升的，则规定每个不上升的部分被定义为内部较小的应变时间历程 载荷块；

步骤5)：对新的较小载荷块数据，重复步骤2)至步骤4)，直到不能形 成新的内部较小的应变时间历程载荷块数据；

步骤6)：累积疲劳损伤值得到整个载荷块的疲劳损伤；

应用线性损伤累积规则，对每个小载荷块计算得到的疲劳损伤进行疲劳 损伤累积，得到整个载荷块的疲劳损伤值；其公式表示如下：

$D_{\mathrm{tol}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{1}{{2N}_{\mathrm{fi}}}$

其中，D_tol表示整个载荷块的总损伤值，i表示第几个载荷块，n表示整个 载荷块可以划分的小载荷块数，表示第i个载荷块中的最大等效应变参量 计算获得的损伤值。

本发明的优点是：1)系统将USB端口获取到的数据首先保存到数据库， 方便多台计算机同时从数据库中读取数据进行远程计算、监测；2)系统能提 取数据库中获得的数据自动进行疲劳损伤累积计算，实现对疲劳损伤的在线 实时监测；3)将基于临界面方法的多轴疲劳损伤评估理论应用于监测系统中， 解决工程实际中常见的多轴载荷下疲劳损伤监测问题，预测结果说明提出的 算法能较好地评估多轴载荷下的疲劳损伤。

附图说明

图1本发明系统结构图；

图2软件监测系统结构图；

图中：A1、应变传感器，A2、机械关键零部件，A3、数据传输线，B1、 数据采集卡，B2、交流电源，B3、USB传输线，C1、计算机，C2、软件监测 系统，D1、用户登录模块，D2、数据库，D3、实时数据显示模块，D4、疲劳 损伤计算模块，D5、历史记录保存与查看模块，1、数据采集系统，2、数据 处理系统，3、数据监测系统。

具体实施方式

本实施方式的具体结构，参见图1，该装置主要包括数据采集系统1、数 据处理系统2、数据监测系统3。数据采集系统1包括机械关键零部件A2、 应变传感器A1、数据传输线A3；数据处理系统2包括数据采集卡B1、交流 电源B2、USB传输线B3、功率放大器B4、A/D转换器B5；数据监测系统3 包括计算机C1、软件监测系统C2。软件监测系统C2，具体结构参加图2， 包括用户登录模块D1、数据库D2、实时数据显示模块D3、疲劳损伤计算模 块D4、历史记录保存与查看模块D5；其中，应变传感器A1贴于机械关键零 部件A2缺口处，并且通过数据传输线A3与功率放大器B4连接，功率放大 器B4与A/D转换器B5连接，A/D转换器B5与数据采集卡B1连接，数据采 集卡B1通过USB传输线B3与计算机C1连接，数据采集卡B1通过交流电 源B2供电，软件监测系统C2运行于计算机C1上，通过USB端口C3获取 数据。用户登录模块D1、实时数据显示模块D3、疲劳损伤计算模块D4、历 史记录保存与查看模块D5分别与数据库D2连接，疲劳损伤计算模块D4与 历史记录保存与查看模块D5连接。

应变传感器A1采集机械关键零部件A2运行过程中的应变信号，通过数 据传输线传A3送给功率放大器B4，功率放大器B4将应变信号进行功率放大 处理后传输给A/D转换器B5，A/D转换器B5再将应变信号转换为数字信号 后传输给数据采集卡B1，数据采集卡B1将应变信号进行相应的预处理后， 通过USB传输线B3传送给计算机C1，计算机C1上运行的软件监测系统C2 再通过USB端口C3获取到该应变数据，然后对数据进行相应处理和计算， 实现疲劳损伤监测。获取到的数据首先存于数据库D2中，然后实时数据显示 模块D3连接数据库获取数据并显示，同时疲劳损伤计算模块D4连接数据库 获取数据并对数据进行计算，计算结果和过程数据可通过历史记录保存与查 看模块D5保存于数据库D2，历史记录保存与查看模块也可连接数据库D2 获取历史记录供用户查看，用户登录模块D1连接数据库D2获取数据进行用 户登录验证。

以下结合具体实例对本发明的随机载荷下多轴疲劳损伤计算方法内容做 进一步的详细说明：

步骤1)：提取应变时间历程载荷块数据。

对于某铝合金材料，提取正应变和剪应变时间历程载荷块一共182个数 据点，如表1所示。

表1正应变和剪应变时间历程载荷块数据

数据点 正应变 剪应变 1 -0.00964 0.005758 2 -0.00887 0.005284 3 -0.00805 0.004736 4 -0.00721 0.004157 5 -0.00634 0.003575 6 -0.00548 0.00306

7 -0.0046 0.0026 8 -0.00369 0.001936 9 -0.00273 0.001312 10 -0.00173 0.000632 11 -0.00068 -1.5E-05 12 0.000401 -0.00066 13 0.001526 -0.00131 14 0.002687 -0.00197 15 0.003829 -0.00261 16 0.005 -0.00325 17 0.006175 -0.00388 18 0.00737 -0.00452 19 0.0086 -0.00514 20 0.009629 -0.00571 21 0.009023 -0.00562 22 0.008324 -0.00515 23 0.007601 -0.00455 24 0.006831 -0.00391 25 0.006052 -0.00326 26 0.005267 -0.00284 27 0.00448 -0.00213 28 0.003692 -0.00133 29 0.002867 -0.00057 30 0.001995 0.000144 31 0.001095 0.000862 32 0.000151 0.001608

33 -0.00082 0.002379 34 -0.00183 0.003159 35 -0.00287 0.003931 36 -0.00392 0.004686 37 -0.00495 0.005416 38 -0.00601 0.006156 39 -0.00709 0.006889 40 -0.00812 0.007616 41 -0.00758 0.007638 42 -0.00694 0.00709 43 -0.00628 0.006388 44 -0.0056 0.005638 45 -0.00491 0.004854 46 -0.00419 0.004064 47 -0.00349 0.003283 48 -0.00275 0.002576 49 -0.00201 0.001929 50 -0.00121 0.001083 51 -0.00039 0.000205 52 0.000461 -0.00065 53 0.001325 -0.00149 54 0.002243 -0.00231 55 0.003175 -0.00316 56 0.004122 -0.004 57 0.005092 -0.00484 58 0.006083 -0.00568

59 0.007088 -0.00653 60 0.008089 -0.00736 61 0.007745 -0.00749 62 0.007163 -0.00696 63 0.006558 -0.00624 64 0.005936 -0.00541 65 0.0053 -0.00455 66 0.004657 -0.00369 67 0.003999 -0.00284 68 0.003354 -0.00224 69 0.002707 -0.00127 70 0.00203 -0.00026 71 0.001311 0.00067 72 0.000561 0.001574 73 -0.00022 0.002501 74 -0.00101 0.003456 75 -0.00183 0.004432 76 -0.00268 0.005397 77 -0.00355 0.00635 78 -0.0044 0.007288 79 -0.0053 0.008227 80 -0.00617 0.009164 81 -0.00598 0.009471 82 -0.00547 0.008957 83 -0.00494 0.008122 84 -0.00441 0.007182

85 -0.00387 0.006214 86 -0.0033 0.005234 87 -0.00274 0.004252 88 -0.00217 0.003271 89 -0.00158 0.002394 90 -0.00097 0.001528 91 -0.00035 0.000506 92 0.000309 -0.0006 93 0.000995 -0.00162 94 0.001696 -0.00263 95 0.002408 -0.00364 96 0.003154 -0.00469 97 0.003915 -0.00574 98 0.004688 -0.00678 99 0.005484 -0.00783 100 0.006294 -0.00887 101 0.006257 -0.0093 102 0.005808 -0.00883 103 0.005342 -0.00798 104 0.004865 -0.00698 105 0.004364 -0.00592 106 0.003865 -0.00486 107 0.003366 -0.0038 108 0.002855 -0.00274 109 0.002349 -0.00196 110 0.001852 -0.00082

111 0.00132 0.000404 112 0.000751 0.001533 113 0.000165 0.002624 114 -0.00044 0.003736 115 -0.00106 0.004889 116 -0.00171 0.006057 117 -0.00236 0.007212 118 -0.00302 0.008359 119 -0.0037 0.009508 120 -0.00439 0.010647 121 -0.00448 0.011288 122 -0.0041 0.010883 123 -0.00371 0.009914 124 -0.00331 0.008792 125 -0.0029 0.007632 126 -0.00249 0.006462 127 -0.00207 0.005288 128 -0.00164 0.004112 129 -0.0012 0.002953 130 -0.00078 0.002063 131 -0.00029 0.000799 132 0.000198 -0.0005 133 0.000684 -0.00171 134 0.001193 -0.00291 135 0.001732 -0.00411 136 0.002292 -0.00535

137 0.002849 -0.0066 138 0.003414 -0.00784 139 0.004003 -0.00908 140 0.004598 -0.01032 141 0.004837 -0.01121 142 0.004679 -0.01122 143 0.004497 -0.01086 144 0.0043 -0.01035 145 0.004103 -0.0098 146 0.003906 -0.00923 147 0.003701 -0.00865 148 0.003487 -0.00807 149 0.00328 -0.00749 150 0.003066 -0.0069 151 0.00285 -0.00632 152 0.002632 -0.00574 153 0.002418 -0.00516 154 0.002196 -0.00457 155 0.00197 -0.00399 156 0.001748 -0.0034 157 0.001523 -0.00285 158 0.001298 -0.00247 159 0.001063 -0.00189 160 0.000827 -0.00121 161 0.000849 -0.00129 162 0.000582 -0.00064

163 0.000108 -0.00017 164 -0.00037 0.000192 165 -0.00087 0.000521 166 -0.00136 0.000838 167 -0.00186 0.001167 168 -0.00238 0.001504 169 -0.0029 0.001843 170 -0.00343 0.00218 171 -0.00398 0.002508 172 -0.00451 0.002826 173 -0.00506 0.003148 174 -0.00563 0.003475 175 -0.00622 0.0038 176 -0.00683 0.004126 177 -0.00744 0.004443 178 -0.00806 0.004755 179 -0.00868 0.005063 180 -0.00931 0.005364 181 -0.00995 0.005668 182 -0.01036 0.005917

步骤2)：计算等效应变损伤参量时间历程。

按照数据点顺序，用下面公式和正应变和剪应变时间历程计算每个平面 上的剪应变和正应变。

${ϵ}_{\theta }=\frac{1-v}{2}{ϵ}_x+\frac{1+v}{2}{ϵ}_x\cos \left(2\theta \right)+\frac{{\gamma }_{\mathrm{xy}}}{2}\sin \left(2\theta \right)$

$\frac{{\gamma }_{\theta }}{2}=\frac{(1+v){ϵ}_x}{2}\sin \left(2\theta \right)-\frac{{\gamma }_{\mathrm{xy}}}{2}\cos \left(2\theta \right)$

其中，v是泊松比(近似取值0.4)，和ε_θ是分别角度θ平面上的剪应 变和正应变。公式中的ε_x对应表1中第1列的数据，γ_xy对应表1中 第2列的数据，这样就得到182个和ε_θ。由这182个和ε_θ得到182个 等效应变损伤参量时间历程。然后计算等效应变损伤参量时间历程用如下基 于临界面的多轴疲劳损伤参：

$\frac{{\mathrm{\Delta ϵ}}_{\mathrm{eq}}^{\mathrm{cr}}\left(t\right)}{2}=\sqrt{{ϵ}_n^{*2}+\frac{1}{3}{\left(\frac{\Delta {\gamma }_{\max }}{2}\right)}^2}{|}_{0<t\le t_{\mathrm{end}}}$

其中，Δγ_max是最大剪应变范围平面上的最大剪应变范围，是该平面上 的Δγ_max折返点之间的正应变历程，t对应数组中的时刻点。t_end对应数组中的结 束时刻点；

对于案例中的182个数据点计算结果如表2所示。

表2等效应变参量时间历程

步骤3)：确定最大等效应变损伤参量，并计算疲劳损伤值。

从表2中可以看出，其最大的等效应变损伤参量为0.0107。 将该值代入下式来计算其产生的疲劳损伤：

$\frac{{\mathrm{\Delta ϵ}}_{\mathrm{eq}}^{\mathrm{cr}}\left(t\right)}{2}{|}_{\max }=\frac{{\sigma }_f^{\prime }}{E}{\left(2N_f\right)}^b+{ϵ}_f^{\prime }{\left(2N_f\right)}^c$

其中，E是材料的弹性模量，σ′_f，ε′_f，b，c是单轴拉压下的材料疲劳参 数，可以通过实验或材料手册中查询得到，N_f是疲劳寿命循环数。

对于在铝合金材料，其单轴材料疲劳参数可以在材料手册中查询，其查 询结果见表3所示。

表3某铝合金材料单轴载荷下的疲劳参数

然后求解上面公式，就可求解得出N_f的值。

步骤4)：确定整个块载荷中新的较小应变时间历程载荷块数据。

对于表2中的整个等效应变损伤参量时间历程，可以发现数据点22至数 据点34之间的值和数据点42至数据点182之间的值保持不变。则将这两个 数据不增加的两块数据点划分为两个新的内部较小的应变时间历程载荷块。

步骤5)：对新的较小载荷块数据，重复步骤2)至步骤4)，直到不能形 成新的内部较小的应变时间历程载荷块数据。

仅仅以数据点22至数据点34来简要说明重复过程。数据点22至数据点 34之间共有11个数据。重复步骤2)得到11个和ε_θ，其中的ε_x对应 表1中第1列数据点22至数据点34之间的11个数据，γ_xy对应表1中第 2列的数据点22至数据点34之间的11个数据。由这11个和ε_θ得到11 个等效应变损伤参量时间历程。这时的数据是新的11个不同于表2数据的等 效应变损伤参量时间历程，然后确定新的最大等效应变损伤参量 得到另外一个新的N_f值。

按照同样的方法再查找是否还能形成新的内部较小的应变时间历程载荷 块数据，直到不能形成新的内部较小的应变时间历程载荷块数据。

数据点42至数据点182也依次得到一个N_f值。按照同样的方法再查找是 否还能形成新的内部较小的应变时间历程载荷块数据，直到不能形成新的内 部较小的应变时间历程载荷块数据。

整个载荷谱形成8个载荷块，从而可以得到8个损伤值N_f。

步骤6)：累积疲劳损伤值得到整个载荷块的疲劳损伤。

应用线性损伤累积规则，对每个小载荷块计算得到的疲劳损伤值进行损 伤累积，从而得到整个载荷块的疲劳损伤值。其公式表示如下：

$D_{\mathrm{tol}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{1}{{2N}_{\mathrm{fi}}}$

其中，D_tol表示整个载荷块的总损伤值，i表示第几个载荷块，n表示整 个载荷块可以划分的小载荷块数，表示第i个载荷块中的最大等效应变参 量计算获得的损伤值。

对于本载荷块i为8。

试验结果显示，该材料在该载荷块的作用下运行116块发生疲劳破坏， 即该块的疲劳损伤值为0.00862，提出的算法累积的损伤结果为0.0098，其估 算的寿命为102块。预测结果说明提出的算法能较好地评估多轴载荷下的疲 劳损伤。

该系统的优点是：1)系统将USB端口获取到的数据首先保存到数据库， 方便多台计算机同时从数据库中读取数据进行远程计算、监测；2)系统能提 取数据库中获得的数据自动进行疲劳损伤累积计算，实现对疲劳损伤的在线 实时监测；3)将基于临界面方法的多轴疲劳损伤评估理论应用于监测系统中， 解决了工程实际中常见的多轴载荷下疲劳损伤监测问题。