振动疲劳载荷谱编制方法及装置

技术领域

本发明涉及轨道车辆技术领域，尤其涉及一种振动疲劳载荷谱编制方法及装置。

背景技术

随着轨道交通的快速发展，列车运营速度不断提高，线路条件不断恶化，轨道车辆所承受的振动载荷不断增大，尤其对一些簧下部件的影响更为严重。目前轨道车辆吊挂部件的随机振动疲劳试验方法主要参考标准IEC 61373，标准中规定的振动载荷与轨道车辆线路载荷往往存在较大的差异，从而导致吊挂结构的疲劳损伤计算结果偏离结构实际损伤。

发明内容

本发明提供一种振动疲劳载荷谱编制方法及装置，用以解决现有技术中规定的振动载荷与轨道车辆线路载荷往往存在较大的差异，从而导致吊挂结构的疲劳损伤计算结果偏离结构实际损伤的问题。

本发明提供一种振动疲劳载荷谱编制方法，包括：

获取基于线路试验得到的振动加速度时域载荷；

按预设的样本时长在所述振动加速度时域载荷中确定振动加速度载荷的有效值分布；

根据所述有效值分布编制振动加速度载荷的有效值频次谱；

根据所述有效值频次谱和所述样本时长编制多级加速度功能载荷谱；

将所述多级加速度功能载荷谱输入台架试验，以获取在整个设计寿命里程下与所述多级加速度功能载荷谱对应的疲劳损伤；

根据所述疲劳损伤计算振动加速度系数；

根据所述多级加速度功能载荷谱和所述振动加速度系数编制加速度长寿命载荷谱。

根据本发明提供的一种振动疲劳载荷谱编制方法，获取基于线路试验得到的振动加速度时域载荷之后，还包括：根据所述振动加速度时域载荷确定振动加速度载荷谱型，

按预设的样本时长在所述振动加速度时域载荷中确定振动加速度载荷的有效值分布之后，还包括：

根据结构疲劳极限值和所述振动加速度载荷谱型确定振动加速度载荷的临界有效值，

所述根据所述有效值分布编制振动加速度载荷的有效值频次谱，包括：

根据振动加速度载荷的有效值分布中大于等于所述临界有效值的部分编制振动加速度载荷的有效值频次谱。

根据本发明提供的一种振动疲劳载荷谱编制方法，根据所述振动加速度时域载荷确定振动加速度载荷谱型，包括：

对所述振动加速度时域载荷进行傅里叶变换得到振动加速度功率谱密度；

对所述振动加速度功率谱密度进行包络处理，确定所述振动加速度载荷谱型。

根据本发明提供的一种振动疲劳载荷谱编制方法，根据所述有效值频次谱和所述样本时长编制多级加速度功能载荷谱，包括：

将所述有效值频次谱中的有效值按预设的有效值分级点分成多级，每一级选取目标有效值；

将每一级目标有效值对应的谱型确定为该级加速度功能载荷谱，其中，每一级所有的有效值对应的样本时长之和为该级对应的作用时间。

根据本发明提供的一种振动疲劳载荷谱编制方法，多级加速度功能载荷谱为三级加速度功能载荷谱。

根据本发明提供的一种振动疲劳载荷谱编制方法，将多级加速度功能载荷谱输入台架试验，以获取在整个设计寿命里程下与所述多级加速度功能载荷谱对应的疲劳损伤，包括：

将多级加速度功能载荷谱输入台架试验，确定各级加速度功能载荷谱作用下的疲劳损伤，得到一个循环功能载荷谱下的疲劳损伤；

根据线路试验运营里程和车辆设计寿命里程，以及循环功能载荷谱下的疲劳损伤确定整个设计寿命里程下的疲劳损伤。

根据本发明提供的一种振动疲劳载荷谱编制方法，根据所述疲劳损伤计算振动加速度系数，包括：按如下公式计算振动加速度系数k：

其中，D

本发明还提供一种振动疲劳载荷谱编制装置，包括：

时域载荷获取模块，用于获取基于线路试验得到的振动加速度时域载荷；

有效值分布确定模块，用于按预设的样本时长在所述振动加速度时域载荷中确定振动加速度载荷的有效值分布；

频次谱编制模块，用于根据所述有效值分布编制振动加速度载荷的有效值频次谱；

功能载荷谱编制模块，用于根据所述有效值频次谱和所述样本时长编制多级加速度功能载荷谱；

疲劳损伤获取模块，用于将所述多级加速度功能载荷谱输入台架试验，以获取在整个设计寿命里程下与所述多级加速度功能载荷谱对应的疲劳损伤；

加速度系数计算模块，用于根据所述疲劳损伤计算振动加速度系数；

长寿命载荷谱编制模块，用于根据所述多级加速度功能载荷谱和所述振动加速度系数编制加速度长寿命载荷谱。

根据本发明提供的一种振动疲劳载荷谱编制装置，还包括：

载荷谱型确定模块，用于根据所述振动加速度时域载荷确定振动加速度载荷谱型，

临界有效值确定模块，用于根据结构疲劳极限值和所述振动加速度载荷谱型确定振动加速度载荷的临界有效值，

所述频次谱编制模块具体用于根据振动加速度载荷的有效值分布中大于等于所述临界有效值的部分编制振动加速度载荷的有效值频次谱。

根据本发明提供的一种振动疲劳载荷谱编制装置，所述载荷谱型确定模块具体用于对所述振动加速度时域载荷进行傅里叶变换得到振动加速度功率谱密度；对所述振动加速度功率谱密度进行包络处理，确定所述振动加速度载荷谱型。

本发明提供的振动疲劳载荷谱编制方法及装置，通过以线路实测的振动加速度时域载荷为基础，编制轨道车辆吊挂结构振动加速度功能载荷谱，能够模拟车辆实际运营情况，并基于疲劳损伤一致性理论得到加速度长寿命载荷谱，从而使得根据加速度长寿命载荷谱计算的吊挂结构的疲劳损伤与结构实际损伤基本保持一致。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的振动疲劳载荷谱编制方法的流程示意图；

图2是本发明提供的振动疲劳载荷谱编制方法中对振动加速度功率谱密度进行包络处理的示意图；

图3是本发明提供的振动疲劳载荷谱编制装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例的振动疲劳载荷谱编制方法如图1所示，包括：

步骤S110、获取基于线路试验得到的振动加速度时域载荷，本步骤中，对于轨道车辆吊挂结构，通过线路试验获取轨道车辆吊挂结构的振动加速度时域载荷。即充分利用线路试验的加速度数据，提高了线路数据的利用率，以线路实测加速度时域载荷为基础，编制加速度载荷谱模拟实际服役环境，评估结果更为准确。具体地，在轨道车辆正向运行时，通过安装在吊挂结构上的加速度传感器感应振动加速度信息以获得振动加速度时域载荷。

步骤S120、计算预设的样本时长内振动加速度的有效值，以确定振动加速度时域载荷的有效值分布，其中有效值为样本时长内振动加速度的均方根值。例如：整个时域长度为100s，样本时长为1s，每1s内振动加速度的均方根值即为有效值，这样可以得到100个有效值，100个有效值的分布即为振动加速度时域载荷的有效值分布。

步骤S130、根据所述有效值分布编制振动加速度时域载荷的有效值频次谱。具体地，将有效值按由小到大的顺序排序，统计相同有效值的次数，从而形成所述有效值频次谱。

步骤S140、根据所述有效值频次谱和所述样本时长编制多级加速度功能载荷谱，每级加速度功能载荷谱中包含加速度载荷有效值和对应的作用时间。具体地，将有效值频次谱中的有效值按预设的有效值分级点分成多级，每一级选取目标有效值(目标有效值可以是每一级中所有有效值的平均值)，将每一级目标有效值对应的谱型确定为该级加速度功能载荷谱，其中，每一级所有的有效值对应的样本时长之和为该级对应的作用时间。以分三级为例，15个样本，每个样本对应的有效值分别为0.2、0.4、0.4、0.5、0.7、0.7、0.9、1.1、1.3、1.6、1.7、1.9、2.3、2.6、2.8，按照从小到大的顺序分为三级，有效值分级点分别为1和2，分成三个区间为：[0，1)、[1，2)和[2，3)。

0-1区间样本数量为7，区间目标有效值为0.5，即后续台架试验时有效值0.5出现的频次为7，每个样本时长为1s，该级对应的作用时间为7s。

1-2区间样本数量为5,区间目标有效值为1.5，即后续台架试验时有效值1.5出现的频次为5，每个样本时长为1s，该级对应的作用时间为5s。

2-3区间样本数量为3，区间目标有效值为2.5，即后续台架试验时有效值2.5出现的频次为3，每个样本时长为1s，该级对应的作用时间为3s。

多级加速度功能载荷谱由有效值为0.5对应谱型持续7s，有效值为1.5对应谱型持续5s和有效值为2.5对应谱型持续3s形成。

步骤S150、将多级加速度功能载荷谱输入台架试验，以获取在整个设计寿命里程下与所述多级加速度功能载荷谱对应的疲劳损伤。

步骤S160、根据所述疲劳损伤计算振动加速度系数。

步骤S170、根据所述多级加速度功能载荷谱和所述振动加速度系数编制加速度长寿命载荷谱。其中，加速度长寿命载荷谱是在整个设计寿命里程下的振动疲劳载荷谱。

本实施例的振动疲劳载荷谱编制方法，通过以线路实测的振动加速度时域载荷为基础，编制轨道车辆吊挂结构振动加速度功能载荷谱，能够模拟车辆实际运营情况，并基于疲劳损伤一致性理论得到加速度长寿命载荷谱，从而使得根据加速度长寿命载荷谱计算的吊挂结构的疲劳损伤与结构实际损伤基本保持一致。

进一步地，本实施例的振动疲劳载荷谱编制方法中，步骤S110之后还包括：根据所述振动加速度时域载荷确定振动加速度载荷谱型。具体地，对所述振动加速度时域载荷进行傅里叶变换得到振动加速度功率谱密度；对所述振动加速度功率谱密度进行包络处理，确定所述振动加速度载荷谱型。如图2所示，包络处理是连接振动加速度功率谱密度中各极大值点形成包络线的过程。利用包络法对振动加速度功率谱密度进行修正，修正后确定的加速度载荷谱型形式简单，易于加载，提高了台架试验效率。

在此基础上，步骤S120之后还包括：根据结构疲劳极限值和所述振动加速度载荷谱型确定振动加速度载荷的临界有效值。具体地，根据结构疲劳断裂理论，在车辆实际服役过程中，结构应力低于疲劳极限值，结构不会产生疲劳损伤。基于该疲劳理论，通过轨道车辆吊挂结构的S-N曲线确定其对应的疲劳极限值，同时结合加速度载荷谱型开展台架试验，确定振动加速度载荷的临界有效值。

进而步骤S130具体包括：根据振动加速度载荷的有效值分布中大于等于所述临界有效值的部分编制振动加速度载荷的有效值频次谱，以忽略低幅值载荷对结构疲劳损伤的影响，缩短了后续台架试验周期，提高了试验效率，降低试验成本。

步骤S140中，多级加速度功能载荷谱为三级加速度功能载荷谱，根据所述有效值频次谱和所述样本时长编制三级加速度功能载荷谱，每级加速度功能载荷谱中包含加速度载荷有效值及其对应的作用时间。编制三级加速度功能谱，充分考虑吊挂结构载荷幅值及振动能量分布特征，试验结果与结构实际情况更为接近。

本实施例中，步骤S150包括：

将多级加速度功能载荷谱输入台架试验，确定各级加速度功能载荷谱作用下的疲劳损伤，得到一个循环功能载荷谱下的疲劳损伤D

具体地，一、二、三级加速度功能载荷谱作用下的疲劳损伤分别为D

D

其中，D

根据线路试验运营里程L

其中，对于轨道车辆吊挂结构，D表述轨道车辆吊挂结构整个寿命里程下的疲劳损伤。

本实施例中，步骤S160，按如下公式计算振动加速度系数k：

其中，D

本实施例中，结合台架功能试验和结构设计寿命里程确定各级载荷谱加速系数及作用时间，可实现各级载荷循环加载，消除了不同振动能量加载次序对结构疲劳损伤的影响，该方法具有较高的普适性和可靠性。

需要说明的是：本实施例的方法不限于用于轨道车辆的吊挂结构振动疲劳载荷谱编制，适合于所有车辆的吊挂结构振动疲劳载荷谱编制。

下面对本发明提供的振动疲劳载荷谱编制装置进行描述，下文描述的振动疲劳载荷谱编制装置与上文描述的振动疲劳载荷谱编制方法可相互对应参照。

本发明提供的振动疲劳载荷谱编制装置如图3所示，包括：

时域载荷获取模块310，用于获取基于线路试验得到的振动加速度时域载荷。

有效值分布确定模块320，用于按预设的样本时长在所述振动加速度时域载荷中确定振动加速度载荷的有效值分布。

频次谱编制模块330，用于根据所述有效值分布编制振动加速度载荷的有效值频次谱。

功能载荷谱编制模块340，用于根据所述有效值频次谱和所述样本时长编制多级加速度功能载荷谱。

疲劳损伤获取模块350，用于将所述多级加速度功能载荷谱输入台架试验，以获取在整个设计寿命里程下与所述多级加速度功能载荷谱对应的疲劳损伤。

加速度系数计算模块360，用于根据所述疲劳损伤计算振动加速度系数。

长寿命载荷谱编制模块370，用于根据所述多级加速度功能载荷谱和所述振动加速度系数编制加速度长寿命载荷谱。

本实施例的振动疲劳载荷谱编制装置，通过以线路实测的振动加速度时域载荷为基础，编制轨道车辆吊挂结构振动加速度功能载荷谱，能够模拟车辆实际运营情况，并基于疲劳损伤一致性理论得到加速度长寿命载荷谱，从而使得根据加速度长寿命载荷谱计算的吊挂结构的疲劳损伤与结构实际损伤基本保持一致。

可选地，本发明的振动疲劳载荷谱编制装置还包括：

载荷谱型确定模块，用于根据所述振动加速度时域载荷确定振动加速度载荷谱型。

临界有效值确定模块，用于根据结构疲劳极限值和所述振动加速度载荷谱型确定振动加速度载荷的临界有效值。

基于确定的振动加速度载荷的临界有效值，所述频次谱编制模块330具体用于根据振动加速度载荷的有效值分布中大于等于所述临界有效值的部分编制振动加速度载荷的有效值频次谱。

可选地，所述载荷谱型确定模块具体用于对所述振动加速度时域载荷进行傅里叶变换得到振动加速度功率谱密度；对所述振动加速度功率谱密度进行包络处理，确定所述振动加速度载荷谱型。

可选地，功能载荷谱编制模块340具体用于将所述有效值频次谱中的有效值按预设的有效值分级点分成多级，每一级选取目标有效值；将每一级目标有效值对应的谱型确定为该级加速度功能载荷谱，其中，每一级所有的有效值对应的样本时长之和为该级对应的作用时间。

可选地，多级加速度功能载荷谱为三级加速度功能载荷谱。

可选地，所述疲劳损伤获取模块350具体用于将多级加速度功能载荷谱输入台架试验，确定各级加速度功能载荷谱作用下的疲劳损伤，得到一个循环功能载荷谱下的疲劳损伤；根据线路试验运营里程和车辆设计寿命里程，以及循环功能载荷谱下的疲劳损伤确定整个设计寿命里程下的疲劳损伤。

可选地，加速度系数计算模块360具体按如下公式计算振动加速度系数k：

其中，D

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。