(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202111459422.1 (22)申请日 2021.12.02 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 114429060 A (43)申请公布日 2022.05.03 (73)专利权人 中国兵器科 学研究院宁波分院 地址 315103 浙江省宁波市高新区凌 云路 199号 专利权人 长春理工大 学 (72)发明人 李一舒　张澧桐　曹贺全　王佰超　 高永亮　陈巍　赵岩　陈达宇　 宗铎　 (74)专利代理 机构 宁波诚源专利事务所有限公 司 33102 专利代理师 袁忠卫　李娜 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01)G06F 30/27(2020.01) G01M 7/02(2006.01) G06F 119/02(2020.01) (56)对比文件 CN 112257320 A,2021.01.2 2 CN 10876 3611 A,2018.1 1.06 CN 10949 2345 A,2019.0 3.19 CN 1042683 35 A,2015.01.07 EP 2500836 A2,2012.09.19 陆秋海等.利用模态试验参数识别结构损伤 的神经网络法. 《工程力学》 .19 99,第16卷(第01 期), 张亚卿.中置轴轿 运车车架结构疲劳寿 命分 析及优化. 《中国优秀博硕士学位 论文全文数据 库(硕士)工程科技 Ⅱ辑》 .2021,(第01期), 审查员 王雨晴 (54)发明名称 考核疲劳振动中结构错位失效及寿命预测 的方法 (57)摘要 本发明涉及一种考核疲劳振动中结构错位 失效及寿命预测的方法， 所述方法包括S100、 建 立待考核产品的三维几何结构模型； S200、 以三 维几何结构 模型为基础， 建立待考核产品的有限 元结构模型； S300、 基于有限元结构模型在求解 器中进行自由模态 计算； S400、 基于不同方向、 不 同幅值的振动方案， 对待考核产品进行不间断疲 劳振动响应计算， 并形成数据样本； S500、 基于神 经网络拟合产品考核结构位移的数学函数， 并建 立结构错位的极限状态方程； S600、 选取S400中 数据样本对拟合的数学函数进行试验验证； S700、 基于S600验证后的数学函数， 建立频率、 分 辨率与时域的转换关系， 得到基于使用寿命的可 靠性预测模 型的连接系数方程， 并根据极限状态 方程， 预测产品在指定振动环境下的疲劳寿命。该方法使得产品设计及维护更加容 易。 权利要求书3页 说明书7页 附图8页 CN 114429060 B 2022.12.27 CN 114429060 B 1.一种考核疲劳振动中结构错 位失效及寿命预测的方法， 其特 征在于： 所述方法包括， S100、 建立待考核产品的三维几何结构模型； S200、 以三维几何结构模型为基础， 建立待考核产品的有限元 结构模型； S300、 基于有限元 结构模型在求 解器中进行自由模态计算； S400、 基于不同方向、 不同幅值的振动方案， 对待考核产品进行不间断疲劳振动响应计 算， 并形成数据样本； 所述S400包括以下步骤， S4100、 基于不同方向、 不同正态分布特性， 对履带车固紧货物的窄带随机振动程序数 据设计出随机全组合方案； S4200、 基于履带车固紧货物的窄带随机振动程序数据中约定的公里数和时间换算关 系， 得到连续无故障工作时间， 其对应关系为： MTBF＝Sb/TS， 其中， MTBF为极限状态下的连续无故障工作时间， Sb为产品随车行驶无故 障最少里程， Ts为 程序数据中振动频谱所对应的车速； S4300、 对S4100中得到的每一个振动方案， 采用有限元的基于模态的受迫响应的耐久 性模拟方法对振动方案中系统目标故障点的位移 值进行计算， 加载时间为连续无故障工作 时间MTBF， 并得到连续无故 障工作时间MTBF与振动 响应之间的数据样本， 所述数据样本包 括X/Y/Z方向的振动加速度、 系统故障点的积累位移误差、 MTBF； S500、 基于神经网络拟合产品考核结构位移的数学函数， 并建立结构错位的极限状态 方程； S600、 选取S40 0中数据样本对拟合的数 学函数进行 试验验证； S700、 基于S600验证后的数学函数， 建立频率、 分辨率与时域的转换关系， 得到基于使 用寿命的可靠性预测模型 的连接系 数方程， 并根据极限状态方程， 预测产品在指定振动环 境下的疲劳寿命； 其中， 基于使用寿命的可靠性预测模型的连接系数 方程如下： 式中， s为两相邻零件之间的错位位移， σ 为参考国家军用标准加载量的最大位移的方 差； displace为 疲劳振动过程中产品结构错 位却并未使产品功能失效的位移值。 2.根据权利要求1所述方法， 其特 征在于： 所述S3 00包括以下步骤， S3100、 根据实际应用工况， 以履带车固紧货物的窄带随机振动程序数据作为依据， 计 算道路激励的功率谱密度； S3200、 基于功率谱密度所反映激励能量和频谱特 征， 计算均值、 方差、 峰值加速度； S3300、 根据均值、 方差、 峰值加速度， 确定自由模态计算的频率范围， 并基于有限元结 构模型， 在nastran求解器中进行自由模态计算， 以得到产品结构自由振动的固有属性， 分 析振动时结构各组部 部件的状态。 3.根据权利要求2所述方法， 其特 征在于： 所述S5 00包括以下步骤， S5100、 根据产品中组部件之间的结构位置关系， 建立结构错位评价数学函数r＝f(Δ x,Δy,Δz)， 其中， r 为组部件之间的相对位移， Δx,Δ y,Δz为组部件位移后较初始 位置在 X、 Y、 Z三方向坐标轴下的变化 值；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114429060 B 2S5200、 以X、 Y、 Z三方向的振动加速度激励、 结构公差下的所有组部件影响因子作为输 入量， 输入三层神经网络并对该神经网络进行训练， 得到神经网络模型， 其中， 输入量在输 入时进行归一 化处理， 其数学表达式如下： 式中i＝X,Y,Z,D1,D2,…,Dn， i取值X、 Y、 Z时INPUTi分别代表X、 Y、 Z方向的振动加速度， i 取值为Dn时INPUTi代表结构公差下的所有组部件影响因素； 三层神经网络的第一层神经网络为 i取值1‑15； 第二层神经网 络为 i取值1‑5； 第三层神经网络为 i取值1‑5； 输出层的归一 化处理方程为 S5300、 对神经网络模型进行拟合训练， 拟合训练次数≥300， 得到多方向疲劳应力加载 后不同组部件结构 影响条件下输出结构位移的拟合曲线， 并基于该拟合曲线得到拟合后的 数学函数； S5400、 根据产品的故障模式和故障影响分析结构， 建立产品结构错位失效的极限状态 函数， 该极限失效状态函数为g(x)＝N(x) ‑displace， 其中， displace为疲劳振动过程中产 品结构错位却并未使产品功能失效的位移 值， N(x)用来表征系统结构中测试点的极限状态 函数。 4.根据权利要求3所述方法， 其特 征在于： 所述S70 0包括以下步骤， S7100、 在一个连续激励工作状态的时域环境下， 频谱范围5Hz～500Hz之间， 以最大分 辨率fn＝0.2s作为 一个振动周期， 建立工作时间与振动次数N的转换 方程如下： N＝t/fn 式中， t为工作时间； S7200、 基于S400得到的加速度激励 ‑位移数据样本， 计算基于使用寿命的可靠性预测 模型的连接系数 方程如下： 式中， s为两相邻零件之间的错位位移， σ 为参考国家军用标准加载量的最大位移的方 差； S7300、 依据S7200的基于使用寿命的可靠性预测模型的连接系数方程， 得到单次激励 的可靠性计算方程 为： R＝Φ(Z) 经过N次振动 后的使用寿命可靠度计算方程 为： Rn＝Φ(Z)N 使用t小时振动 后的使用寿命可靠度方程 为：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114429060 B 3