對(duì)“雨流計(jì)數(shù)法”介紹

1、雨流計(jì)數(shù)法簡介0、前言機(jī)械的疲勞失效是機(jī)械失效的主要失效方式,因此對(duì)機(jī)械失效的主要研究是機(jī)械疲勞失效.目前,機(jī)械疲勞失效的研究有兩個(gè)方面:一是根據(jù)求出的載荷譜來確定加載程序在試驗(yàn)室或者試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)機(jī)械進(jìn)行疲勞試驗(yàn),得出機(jī)械（材料）在該工況下的實(shí)際壽命；二是根據(jù)機(jī)械（材料）的特性與載荷譜并且用Miner準(zhǔn)則來估計(jì)機(jī)械的疲勞壽命.無論是做疲勞試驗(yàn)還是估計(jì)疲勞壽命,載荷譜的統(tǒng)計(jì)都是問題的關(guān)鍵1。1、雨流計(jì)數(shù)法簡介雨流計(jì)數(shù)法又可稱為“塔頂法”,是由英國的Matsuiski和Endo兩位工程師提出的,距今已有50多年。雨流計(jì)數(shù)法主要用于工程界,特別在疲勞壽命計(jì)算中運(yùn)用非常廣泛。由來請(qǐng)參看圖1,把應(yīng)變-時(shí)間

2、歷程數(shù)據(jù)記錄轉(zhuǎn)過90,時(shí)間坐標(biāo)軸豎直向下,數(shù)據(jù)記錄猶如一系列屋面,雨水順著屋面往下流,故稱為雨流計(jì)數(shù)法2。m1雨流數(shù)法計(jì)數(shù)原理雨流計(jì)數(shù)法的基本原理3如圖1所示，第一個(gè)雨流自0點(diǎn)處第一個(gè)谷的內(nèi)側(cè)流下,從1點(diǎn)落1后流至5,然后下落。第二個(gè)雨流從峰1點(diǎn)內(nèi)側(cè)流至2點(diǎn)落下,由于1點(diǎn)的峰值低于5點(diǎn)的峰值,故停止。第三個(gè)雨流自谷2點(diǎn)的內(nèi)側(cè)流到3,自3點(diǎn)落下至3,流到1處碰上上面屋頂流下的雨流而停止。如此下去,可以得到如下的計(jì)數(shù)循環(huán)塊：3-4-3、1-2-1、6-7-6、8-9-8、11-12-11、13-14-13和12-15-12。雨流計(jì)數(shù)的基本流程如下。（1）根據(jù)采樣定理作數(shù)據(jù)采集，得到時(shí)間歷程記錄，若

3、截止頻率為fC,則采樣間隔tWl/2fc（2）根據(jù)連續(xù)的3個(gè)采樣數(shù)據(jù)，刪除既不是峰值也不是谷值的數(shù)據(jù)點(diǎn)，將時(shí)間歷程記錄轉(zhuǎn)化為峰谷值序列。（3）針對(duì)峰谷值序列采用4點(diǎn)法雨流計(jì)數(shù)原則進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)條件如下。如果AB；B三D；CWA,記錄一個(gè)循環(huán)（全波）BCB!,如圖2所示。得到范圍值Srange=|B-C|幅值Sa=|B-C|/2平均值Sm=（B+C）/2如果AB；BWD；C三A,記錄一個(gè)循環(huán)（全波）BCB,如圖3所示。得到范圍值Srange=|B-C|幅值Sa=|B-C|/2平均值Sm=（B+C）/2（4）重復(fù)上述方法計(jì)數(shù)后,剩下的是所謂的發(fā)散收斂序列,如圖4所示：這個(gè)峰谷值序列已不再滿足和

4、計(jì)數(shù)條件。此時(shí)可采用變程均值計(jì)數(shù)法，分別得到范圍和均值計(jì)數(shù)結(jié)果為：|x1-x2,x2-x3,和（x1x2）/2,（x2x3）/2,的一系列半個(gè)循環(huán)（半波）。再將具有相同的均值和范圍的兩個(gè)半波合成一個(gè)完整的循環(huán)（一個(gè)全波）。將（3）、（4）兩步的結(jié)果綜合到一起完成對(duì)時(shí)間歷程的雨流計(jì)數(shù)4。圖3波形2圖4發(fā)散-收斂序列雨流法計(jì)數(shù)過程雨流計(jì)數(shù)法的主要功能是把經(jīng)過峰谷值檢測和無效幅值去除后的實(shí)測載荷歷程數(shù)據(jù)以離散載荷循環(huán)的形式表示出來。任何長度的時(shí)域信號(hào)都可以縮減成一個(gè)雨流矩陣和留數(shù),而且可以還原成一段連續(xù)時(shí)域信號(hào),具體計(jì)算過程（如圖5所示）5。圖5雨流法計(jì)數(shù)過程雨流計(jì)數(shù)法的規(guī)則1）雨流在試驗(yàn)記錄的起點(diǎn)

5、和依此在每一個(gè)峰值的內(nèi)邊開始,亦即從1,2,3,等尖點(diǎn)開始。2）雨流在流到峰值處（即屋檐）豎直下滴,一直流到對(duì)面有一個(gè)比開始時(shí)最大值（或最小值）更正的最大值（或更負(fù)的最小值）為止。3）當(dāng)雨流遇到來自上面屋頂流下的雨時(shí),就停止流動(dòng),并構(gòu)成了一個(gè)循環(huán)。4）根據(jù)雨滴流動(dòng)的起點(diǎn)和終點(diǎn),畫出各個(gè)循環(huán),將所有循環(huán)逐一取出來,并記錄其峰值。5）每一雨流的水平長度可以作為該循環(huán)的幅值。雨流計(jì)數(shù)法的主要功能是把經(jīng)過峰谷值檢測和無效幅值去除后的實(shí)測載荷歷程數(shù)據(jù)以離散載荷循環(huán)的形式表示出來6。2、雨流計(jì)數(shù)疲勞壽命估算的方法雨流計(jì)數(shù)的最后結(jié)果可用一張均幅矩陣表來表示（如表1）。這張表就是載荷譜7。如果這個(gè)載荷譜是在用

6、戶使用條件下測量得到的，那么它就是用戶使用條件下的載荷譜，如果是在試車場條件下得到的，它就是該構(gòu)件在試車場條件下的載荷譜。假定它是通過L公里的測試得到的。如果已知構(gòu)件在不同均值和不同幅值載荷下的P-S-N曲線和疲勞極限（或表2）。根據(jù)載荷譜表1和完整的疲勞特性表2,采用Miner線性累積疲勞損傷理論8，可以估計(jì)出構(gòu)件的使用壽命。方法如下：表1中的nj表示構(gòu)件在第i級(jí)幅值和第j級(jí)均值載荷下構(gòu)件的工作循環(huán)次數(shù)；表2中的Nj表示存活率為p時(shí)，構(gòu)件在第i級(jí)幅值和第j級(jí)均值載荷下構(gòu)件（破壞）的疲勞壽命（數(shù)據(jù)來源于完整的P-S-N曲線）；應(yīng)用Miner理論，可得到構(gòu)件的損傷度（如表3）。即雨流矩陣（表1）

7、中第i行、第j列載荷塊所造成的損傷度（見表3）。進(jìn)而可得到與雨流矩陣所對(duì)應(yīng)的總損傷度T尸.根據(jù)Miner線性累積疲勞損傷理論，構(gòu)件的疲勞壽命為T=1/D式中T表示上述載荷譜執(zhí)行T次，構(gòu)件將發(fā)生破壞對(duì)應(yīng)的壽命里程L總為犖附均腿咖下的濟(jì)磁L總=TL（畑3、雨流計(jì)數(shù)法的應(yīng)用疲勞試驗(yàn)是解決疲勞設(shè)計(jì),進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算的基礎(chǔ).計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,大大促進(jìn)了對(duì)疲勞損傷的研究.利用實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)進(jìn)行雨流法測試,可對(duì)鐵路鋼軌、橋梁、機(jī)車、飛機(jī)、坦克、汽車、水下航行器等進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量,獲得大量載荷數(shù)據(jù),運(yùn)用國際先進(jìn)的雨流計(jì)數(shù)法等隨機(jī)數(shù)據(jù)處理方法獲得統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),從而可依此編制疲勞載荷譜,確定材料疲勞損傷的程度,

8、計(jì)算疲勞壽命,進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)、安全評(píng)價(jià)等運(yùn)用這種測試方法,可立即得到測試結(jié)果,這將減輕測試人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,縮短測試周期,降低測試費(fèi)用,解決了復(fù)雜構(gòu)件的試驗(yàn)問題9.海洋是生命的搖籃、資源的寶庫、交通的要道。海洋開發(fā)更具有特殊的意義。水下航行器作為一種高技術(shù)手段，在海底這塊人類未來極具價(jià)值的發(fā)展空間中起著至關(guān)重要的作用。但是由于海洋環(huán)境的復(fù)雜多變，如：波浪、海流、水深變化、推進(jìn)制動(dòng)、下潛上浮等混合因素，會(huì)對(duì)水下航行器的的耐久性和可靠性造成一定的影響，可能會(huì)導(dǎo)致水下航行器長期服役存在安全隱患。利用雨流計(jì)數(shù)法等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，識(shí)別各種復(fù)雜載荷工況下結(jié)構(gòu)損傷的效應(yīng)，揭示隨機(jī)動(dòng)載荷作用下水下航行器結(jié)構(gòu)疲勞損傷

9、機(jī)制和結(jié)構(gòu)失效的規(guī)律；并依據(jù)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)疲勞可靠性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)先進(jìn)理論，提出水下航行器可靠性、安全性和耐久性設(shè)計(jì)的理論和方法，為隨機(jī)海洋環(huán)境載荷作用下水下航行器及其它水下機(jī)械裝備的安全可靠設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)：徐灝.疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.董樂義，羅俊.雨流計(jì)數(shù)法及其在程序中的具體實(shí)現(xiàn)J.西安空軍工程大學(xué)工程學(xué)院:計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用，2004，24(3)：38-40.郭小鵬基于雨流計(jì)數(shù)法的隨機(jī)聲疲勞壽命估算方法研究J.沈陽：沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，26(3):10-14.王宏偉雨流計(jì)數(shù)法及其在疲勞壽命估算中的應(yīng)用J.長春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué):礦山機(jī)械，2006，34(3):95-97.趙曉鵬.雨流計(jì)數(shù)法在整車載荷譜分析中的應(yīng)用J.天津:科技報(bào),2009,27(3):67-73.馬建紅，沈西挺.VC+程序設(shè)計(jì)與軟件技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：中國水利水電出版社,2002.傅惠民.疲勞強(qiáng)度概率分布.北京航空學(xué)院研究生院，1986(9)A.Fatern,L.Yang.Cumulativefatiguedamageandlif