[发明专利]一种基于概率累积损伤的疲劳寿命实时预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于概率累积损伤的疲劳寿命实时预测方法，预测材料或构件疲劳失效，实现损伤计算和寿命预测，属于工程结构安全监测技术领域。

背景技术

在机械结构疲劳寿命估算和疲劳试验研究中，疲劳破坏占主要形式。曲轴在启停、变负荷运行；汽轮机汽缸受到交变温度场、应力场作用；风机随风速变化、叶片受到不断变化的循环载荷作用；汽包内汽水混合物工质位置与温度的变化；混凝土泵车臂架承受不断循环载荷的作用以及复合能源储能系统经受不断的充放电循环，这些载荷是复杂的、随机动态变化的，将造成疲劳寿命损耗。

在实际的工作中，由于承受不断循环载荷的交替影响，使用期内过早出现应力裂缝等疲劳损坏的情况时有发生，甚至可能导致断裂等重大安全事故，造成人员伤亡和巨大的经济损失，因此，对材料或结构件进行疲劳寿命分析，对载荷时间历程或局部应力、应变历程进行统计处理，具有重要的实际意义。

目前，进行损伤计算，完成寿命估算的方法有多种，包括峰值计数、量程计数和雨流计数等计数方法。雨流计数法以其双参数计数原则，计数过程简化，更好地运用于机械零部件的疲劳寿命估计中。目前的雨流计数方法要求得到完整的载荷—时间历程，在循环提取前需要进行预处理。但在实际运行过程中，使用这种方法是不方便的，因为在同一时间内，该方法必须处理所有存储的数据，计算量较大，运算效率低，计算时占用资源大，更新数据只能在此次计数结束后进行。传统的雨流计数法，应用在实时的场合，面临很大的挑战。

发明内容

本发明考虑到实时性要求，克服原有计数方法的局限性，不用提前获得整个载荷历程的数据。本发明旨在改进雨流计数方法，实现实时地更新数据，达到直接对载荷—时间历程进行计数，从而对构件的疲劳寿命进行估算。适用于预测桥梁、大型汽轮机转子、锅炉汽包、曲轴旋转机件、以及航天飞行器等各种机械断裂事故；同时可预测地铁车辆转向架寿命、混凝土泵车臂架载荷寿命和风力机叶片疲劳寿命等，还可预测风光储能发电系统、离网型复合能源系统中储能系统的使用寿命，应用范围广。

为达到上述目的，本发明提供一种基于概率累积损伤的疲劳寿命实时预测方法，该方法基于疲劳寿命预测系统实现，该系统包括传感器模块、信号采集系统、滤波模块以及改进的雨流计数模块；信号采集系统与被测对象传感器模块连接，用以采集构件载荷的变化量；滤波模块与信号采集系统连接，用以对采集信号中无效波进行有效滤除；雨流计数模块与滤波模块连接，用以对采集的有效信号进行循环提取与计数，输出当前应力幅值以及对应的循环次数，并计算出当前寿命损耗。

一种基于概率累积损伤的疲劳寿命实时预测方法，包括以下步骤，

首先定义三个缓存区，分别为中间区、波峰区和波谷区。中间区包括组成相同斜率的最高点和组成相反斜率的最低点；斜率的最高点或最低点判断原则为，读取3个连续构件的疲劳损伤数据点s₁、s₂和s₃，选取最低点s₂(s₂＜s₁且s₂＜s₃)或最高点s₂(s₂＞s₁且s₂＞s₃)。

中间区存入2个数据点时，将该两个数据进行比较，较大的数据存入波峰区，较小的元素存入波谷区，完成波峰区或波谷区的初始化。实时更新中间区，使该区域在每一采样时刻保持2个数据点，并将新进入的数据与前一个数据进行比较，若大于前一个数据，则存入波峰区；否则存入波谷区。

波峰区，当新的数据(或新数值)进入时，与波峰区已存在的数据(旧数据)进行比较，判断是否满足循环提取。在该区域，若新数值大于旧数值，则将新数值存入波峰区，并判断波谷区数据点的个数。如果波谷区仅一个元素存在，则满足半循环计数条件，循环幅值为波谷区元素和波峰区旧数值差的绝对值；旧数值从波峰区移除，新数值替换旧数值位置。如果波谷区大于一个元素存在时，则满足全循环计数条件，循环幅值为波谷区新数值和波峰区旧数值差的绝对值；波峰区旧数值从波峰区移除，波谷区新数值从波谷区移除。若新数值不大于旧数值，不满足计数条件，将新数值存入波峰区，不删除旧数值。