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| 标准编号 | GB/T 37306.2-2019 (GB/T37306.2-2019) | | 中文名称 | 金属材料 疲劳试验 变幅疲劳试验 第2部分：循环计数和相关数据缩减方法 | | 英文名称 | Metallic materials -- Fatigue testing -- Variable amplitude fatigue testing -- Part 2: Cycle counting and related data reduction methods | | 行业 | 国家标准 (推荐) | | 中标分类 | H22 | | 国际标准分类 | 77.040.10 | | 字数估计 | 30,388 | | 发布日期 | 2019-03-25 | | 实施日期 | 2020-02-01 | | 起草单位 | 上海大学、上海出入境检验检疫局工业品与原材料检测技术中心、广州大学、浙江万里扬股份有限公司、深圳万测试验设备有限公司 | | 归口单位 | 全国钢标准化技术委员会(SAC/TC 183) | | 提出机构 | 中国钢铁工业协会 | | 发布机构 | 国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会 | GB/T 37306.2-2019
Metallic materials--Fatigue testing--Variable amplitude fatigue testing--Part 2: Cycle counting and related data reduction methods
ICS 77.040.10
H22
中华人民共和国国家标准
金属材料 疲劳试验 变幅疲劳试验
第2部分:循环计数和相关数据缩减方法
(ISO 12110-2:2013,IDT)
2019-03-25发布
2020-02-01实施
国 家 市 场 监 督 管 理 总 局
中国国家标准化管理委员会 发 布
目次
前言 Ⅰ
1 范围 1
2 规范性引用文件 1
3 术语和定义 1
4 循环计数方法 2
5 计数方法选择 6
附录A(资料性附录) 雨流计数法 7
附录B(资料性附录) 量化、循环提取和循环中开放循环序列组成的示例 17
附录C(资料性附录) 雨流计数法结果报告的示例 20
参考文献 26
前言
GB/T 37306《金属材料 疲劳试验 变幅疲劳试验》分为两个部分:
---第1部分:总则、试验方法和报告要求;
---第2部分:循环计数和相关数据缩减方法。
本部分为GB/T 37306的第2部分。
本部分按照GB/T 1.1-2009给出的规则起草。
本部分使用翻译法等同采用ISO 12110-2:2013《金属材料 疲劳试验 变幅疲劳试验 第2部分:
循环计数和相关数据缩减方法》。
与本部分中规范性引用的国际文件有一致性对应关系的我国文件如下:
---GB/T 37306.1-2019 金属材料 疲劳试验 变幅疲劳试验 第1部分:总则、试验方法和
报告要求(ISO 12110-1:2013,IDT)。
本部分做了下列编辑性修改:
---将附录A的A.3.2第2段内容中的“图A.6”修改为“图A.7”;
---将附录A的A.3.4.2.1、A.3.4.2.2和A.3.4.2.3中的“参见表C.1和表C.2”、“参见表C.3”和“参
见表C.4”修改为“参见图C.1和图C.2”、“参见图C.3”和“参见图C.4”;
---在附录A中相应位置增加引用了图 A.11、附录B、附录C、表C.1、表C.2、表C.3、表C.4和
表C.5;
---在附录C中相应位置增加引用了表C.8。
本部分由中国钢铁工业协会提出。
本部分由全国钢标准化技术委员会(SAC/TC183)归口。
本部分起草单位:上海大学、上海出入境检验检疫局工业品与原材料检测技术中心、广州大学、浙江
万里扬股份有限公司、深圳万测试验设备有限公司。
本部分起草人:汪宏斌、李谦、吴益文、申文权、周伟、徐忠根、陈卓、秦子威、黄星。
金属材料 疲劳试验 变幅疲劳试验
第2部分:循环计数和相关数据缩减方法
1 范围
GB/T 37306的本部分规定了应用于变幅疲劳试验的循环计数和数据缩减的方法。
对于每个试验或试验系列,循环计数都是约束性的,数据缩减的各种方法则是可选择采用的。
本部分支持包含变幅疲劳试验总则、试验方法和报告要求的ISO 12110-1。
本部分适用于所有载荷类型,术语“载荷”指的是力、应力或应变。
下列各项不属于本部分的考虑范围之内:
---出现孤立的过载或欠载现象的恒幅疲劳试验;
---零部件或结构件的试验;
---环境影响,如腐蚀、与温度时间相关的蠕变导致频率和波形的影响;
---多轴加载。
注1:当进行恒定振幅或变幅受控加载多轴试验时,相位是至关重要的。
注2:循环时的频率变化不属于本部分的范围,后续各章条只处理恒定频率循环的情况。
2 规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文
件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
ISO 12110-1 金属材料 疲劳试验 变幅疲劳试验 第1部分:总则、试验方法和报告要求
3 术语和定义
ISO 12110-1界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
平均载荷穿级数 meancrossing
在给定长度历程内,载荷-时间历程以正斜率或负斜率,或者同时以两种斜率的方式穿过平均载荷
等级水平的次数。
注:为了循环计数的目的,平均载荷穿级数也可定义为参考载荷等级水平穿级数。
3.2
范围 range
两个连续折返点间的代数差。
注1:在变幅加载时,范围的定义因所采用的计数方法不同而异。例如,“总范围”定义为给定载荷-时间历程的最高
峰值和最低谷值(分别为绝对最大值和绝对最小值)间的代数差。
注2:当采用不同方法进行循环计数时,通常以非连续载荷峰值和谷值之差作为范围。但在实践中,“范围”的定义
被拓宽了,因此也可以包括这种连续的载荷峰值和谷值的类型。
3.3
参考载荷 referenceload
为了计数而设定的载荷水平,载荷变化叠加于其上。
注1:参考载荷可以和载荷-时间历程的平均载荷相同,但对此不作要求。
3.4
折返点 reversal
载荷-时间历程的一阶导数改变符号(从正到负或从负到正)的点。
注1:折返点出现在峰值或谷值上。
3.5
不规则因子 irregularityfactor
信号不规则性的表征,即没有穿过平均值的循环次数,I=N0/Np。
注1:N0是平均载荷穿级数。
注2:Np是峰值个数。
3.6
平均载荷水平 mean-loadlevel
峰值和谷值的平均值。
4 循环计数方法
4.1 总则
循环计数通常被用来反映不规则的载荷-时间历程。它可以给出模拟了所研究试样或构件真实加
载情况的不同大小循环的次数。
注:循环的定义因所用循环计数方法的不同而异。
循环计数也可以对力、应力、应变、偏转角或其他加载参量的载荷-时间历程进行循环计数。
有下列循环计数方法:
---穿级计数法;
---峰值计数法;
---简单范围计数法;
---范围对计数法;
---雨流计数法。
4.2 循环计数法
4.2.1 加载信号采样
加载信号的记录通常包含测量信号(模拟信号或数字信号)对时间的连续演变过程。如果最初的载
荷-时间历程是模拟信号,那么它就需要被转换成数字文件,以便能够完成对载荷-时间历程的后续计算
机处理,包括信号采样,即每隔一定的时间间隔进行采样。
采取以下预防措施,数字信号就能代表真实模拟信号:
---过滤输出信号以消除与疲劳过程无关的噪声和其他干扰,这些噪声和其他干扰通常是真实载
荷-时间历程的一部分;
---采样频率应使每个模拟加载循环至少包含20个采样点,且至少是实际或预期模拟信号观测到
的最大频率的20倍。
应按照ISO 12110-1对原始模拟信号进行过滤。
4.2.2 穿级计数法
4.2.2.1 穿级计数的结果如图1所示。每当载荷时间历程的正斜率部分穿过参考载荷等级水平之上的
某一预设等级水平时记一个数,每当载荷时间历程的负斜率部分穿过参考载荷等级水平之下的某一预
设等级水平时也记一个数。参考载荷等级水平的穿级数通常用加载时间历程正斜率部分的穿级数来计
算。正或负斜率穿级计数之间没有本质差别。采用这种区分仅是为了减少一半的穿级数。
4.2.2.2 在工程实践中,穿级计数常常指定限制条件以消除可能引发大量计数的小幅值变化。这也可
以通过在循环计数前过滤小的载荷波动来完成。第二种方法是不在参考载荷等级水平上计数,而是在
参考载荷之上的每一个等级水平下另设置一个较低的辅助水平,当辅助水平与穿过相邻两等级水平的
载荷时间历程正斜率部分相交时记一次数;同样地在参考载荷之下的每一个等级水平上另设置一个较
高的辅助水平,当辅助水平与穿过相邻两等级水平的载荷时间历程负斜率部分相交时也记一次数。
图1b)说明了这第二种方法。第二种方法的一个变化形式是对参考载荷之上的所有计数水平采用同一
个较低的辅助水平,同样地对参考载荷之下的所有计数水平采用同一个较高的辅助水平。在这种情况
下,载荷水平通常不是均匀分布的。
4.2.2.3 疲劳分析中最常见的循环计数通过以下方式从穿级计数法中得出:首先构造最大可能的循环,
接着构造第二大循环,依次类推,直至用完所有水平的穿级数。折返点都假定在载荷水平之间的中间水
平上。
循环计数处理方法见图1c)。需要注意的是一旦获得循环计数,那么这些循环可以以任何期望的
顺序来加载,但同时这种顺序将对疲劳损伤程度有一定影响。也可以采用其他的循环构造方法。
4.2.3 峰值计数法
4.2.3.1 峰值计数法需确定相对最大或最小载荷值的出现情况。该方法需对参考载荷水平上方的峰值
进行计数,并对参考载荷水平下方的谷值进行计数,如图2a)所示。峰值和谷值的计数结果通常分开记
录。这种方法的另一种计数方式是在不考虑参考载荷的情况下计数所有的峰值和谷值。
4.2.3.2 为了清除小幅值载荷的影响,常常使用均值穿级-峰值计数法。不必计数所有的峰值和谷值,
仅需计数两个连续均值穿级之间的最大峰值或者最大谷值,如图2b)所示。
4.2.3.3 疲劳分析中最常见的循环计数通过以下方式从峰值计数法中得出:首先使用最高峰值和最低
谷值构建最大可能的循环,接着构造第二大循环,依次类推,直至用完所有峰值计数。这种处理方法见
图2c)。需要注意的是,一旦获得循环计数那么这些循环可以以任何期望的顺序来加载,但同时这种顺
序将对疲劳损伤程度有一定影响。也可以采用其他循环构造的替代方法,例如随机地选取峰值-谷
值对。
4.2.4 简单范围计数法
4.2.4.1 简单范围计数法如图3所示。可以用该方法计数正范围,负范围或同时计数两种范围。如果
仅计数正范围或负范围,则每个范围当作一个循环计数。如果正范围和负范围两者都计数,则每个范围
当作半个循环计数。计数之前通常忽略小于预设水平的范围。
4.2.4.2 平均载荷也影响测得的疲劳结果,因此每个范围的平均值也很重要,也应该计数范围平均值。
这种方法称为简单范围-平均值计数法。
对图3中的示例,简单范围-平均值计数的结果在图3的表格中以范围-平均值的矩阵形式给出。
水平 计数
+3 2
+2 3
+1 5
0 2
-1 2
-2 1
-3 1
a) 水平穿级计数
水平 计数
+3 2
+2 3
+1 2
0 0
-1 1
-2 1
-3 1
b) 限制水平穿级计数
范围(水平) 循环计数
7 1
6 0
5 1
4 0
3 0
2 1
1 2
c) 得自水平穿级计数a)的循环
说明:
X ---时间;
Y ---载荷水平。
图1 穿级计数法示例
水平 计数
+3.5 2
+2.5 1
+1.5 2
-1.5 1
-2.5 1
-2.7 1
-3.5 1
a) 峰值计数
水平 计数
+3.5 2
-3.5 1
b) 均值穿级-峰值计数
水平 计数
7 1
6.2 1
5 1
3 1.5
c) 得自峰值计数a)的循环
说明:
X ---时间;
Y ---载荷水平。
图2 峰值计数法示例
范围(水平) 循环计数 历程变化段
6 0.5 EF
5 0
4 1.5 BC-FG-HI
3 1 DE-GH
2 1.5 AB-CD-IJ
1 0
平均载荷(水平)
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2
范围
(水平)
2 1 0.5
3 0.5 0.5
4 1 0.5
6 0.5
说明:
X ---时间;
Y ---载荷水平。
图3 简单范围计数法示例---正范围和负范围两者都计数
4.2.5 雨流计数法
参见附录A。
5 计数方法选择
还存在其他没在本部分提及的循环计数技术。
在每个具体疲劳条件下(载荷、试样等等的变化)不得不解决的一个主要问题是选择哪种计数方法
是最适合于所遇的疲劳情况。
选择依据可以是(窄或宽带宽)能谱或者不规则因子,或者是(窄或宽带宽)能谱和不规则因子。
大多数人选择雨流计数法。其余的人使用他们各自工业部门里的典型计数方法。
在任何情况下,计数方法的选择应遵循一套标准或要求。
附 录 A
(资料性附录)
雨流计数法
A.1 总则
结构疲劳行为取决于工作载荷的性质、材料的特性以及构件的几何形状之间的复杂交互作用。
雨流法是一种循环计数方法,该方法允许用适于结构疲劳分析的形式分解服役中记录的测量值,结
构疲劳分析包括疲劳寿命确定和模拟试验性能。
雨流分析允许确定载荷等级水平穿级数、它们的相对范围和循环范围。
本附录目的是对以下两个方面的内容给出建议和要求:
---执行雨流循环计数法;
---给出雨流计数法结果。
本附录给出一个载荷序列示例及其雨流分析,用来作为如何使用雨流计数法的试验案例和计算机
编程帮助。
A.2 载荷预处理
A.2.1 概述
在应用雨流方法之前,需要对载荷信号预处理,包括提取峰值和谷值并将它们放入预先建立的载荷
等级或水平中(见4.2)。
A.2.2 峰值和谷值的提取
雨流计数仅需要从采样信号中提取连续的载荷峰值和谷值。该过程不考虑连续峰值和谷值之间的
时间,本部分仅适用于疲劳试验结果与时间和频率无关的情况,不考虑环境和温度或时间相互作用。疲
劳寿命以循环次数或载荷序列的重复次数的形式表示。
图A.1和图A.2给出了信号采样以及从采样信号中提取峰值和谷值的原理。
说明:
1---真实加载;
2---采样加载;
X---时间;
Y---应力范围。
图A.1 提取峰值和谷值前的载荷信号
说明:
1---真实加载;
2---峰值和谷值;
X---时间;
Y---应力范围。
图A.2 提取峰值和谷值后的载荷信号
A.2.3 载荷等级
疲劳试验控制信号要求雨流计数结果的快速存储,并且要求量化载荷信号(参见附录B)。在工程
实践中,通常将预测或实际载荷范围以固定宽度划分为不同的等级或水平,所有峰值和谷值位于给定等
级内,并且等于该等级的代表值。代表值多为该等级的算术平均值。
如果一个峰落在一个等级的边界上,则其值通常取等于邻近较高等级的代表值;如果一个谷落在一
个等级的边界上,则其值通常取等于邻近较低等级的代表值。
通过本过程可获得代表值和对应于等级边界的两组数值。
建议至少使用32个等级(见ISO 12110-1)。
注:一般工业实践采用64个载荷水平(见ISO 12110-1)。
图A.3和图A.4给出了采用了等级划分的载荷信号处理的示例。
说明:
1---等级宽度或等级步距;
2---第2等级;
X---时间;
Y---应力范围。
图A.3 基于等级划分的处理之前的载荷
说明:
1---等级宽度或等级步距;
2---第2等级;
X---时间;
Y---应力范围。
图A.4 处理之后的载荷
这种处理可能导致清除了同一等级内的一些连续的值。如果这种情况频繁发生,那么当前的等级
划分就太过宽松,因此等级的数量应增加,等级宽度将需要减小(见ISO 12110-1)。
A.3 雨流法的循环计数方法
A.3.1 原理
通过雨流法提取载荷循环的基本原理是使用分别记作1、2、3和4的四个连续的点。
可用以下方式说明:当S代表应力水平(作为示例)时,在应力-应变(S,e)图中的一个闭环代表或
视为一个循环。
应区分循环发生的两种情况(参见图A.5)。
计算以下三个应力范围:ΔS1=|S2-S1|、ΔS2=|S3-S2|、ΔS3=|S4-S3|。
如果ΔS2≤ΔS1并且ΔS2≤ΔS3(范围ΔS2小于或等于其他两个范围),按如下步骤操作:
---从信号中提取由极值S2和S3代表的循环以进一步处理;
---从信号中消除S2和S3两个点;
---将位于已提取循环两端的信号的两个部分连接起来。
如果不满足上述要求,将四点出现次序移动一个单位,再次执行同样的程序。
重复上述程序直至信号末端,参见附录B。
说明:
X ---时间;
Y ---应力范围。
图A.5 循环发生的两种可能情况
当完成上述操作时,仍会有某些峰和谷没有被提取,因为它们不属于闭合循环。因此,这些余下的
点就属于开放循环序列。
开放循环序列的点的数目不能超过(2k-1),其中k是水平或等级的数量。
计数结果以矩阵“起始等级-终止等级”或“Smin-Smax”或“Sm-ΔS”(参见A.3.4.1)的形式报告,其
中,Smin、Smax和ΔS分别是最小值,最大值和范围。
通过将信号的一部分从首端移动到序列尾端绝对最大值处,如果这样可以人为地闭合整个序列(参
见图A.6),那么在再一次执行计数程序之后将不存在开放循环序列。
a)
b)
图A.6 人为闭合载荷时间历程的程序
A.3.2 运算法则
载荷预处理(参见A.2)后得到载荷峰值和谷值,这些连续的数值Si(1≤i≤N)就是预处理后的得
出初始数据。
图A.7给出了算法流程图。
图A.7 雨流法的运算法则
A.3.3 开放循环序列的使用和处理
A.3.3.1 概述
在循环计数的最后阶段,开放循环序列包含在A.3.1中定义了的非闭合循环,且与原始信号的顺序
相同。它可以是连续范围增加或减小的信号(参见图 A.8)。最大范围由最大的峰值和最小的谷值
构成。
根据下列两种方法之一处理开放循环序列:
---开放循环序列复制法;
---开放循环序列闭合法。
图A.8 信号的开放循环序列
A.3.3.2 开放循环序列复制法
疲劳寿命的确定要求载荷信号可视为一系列循环。所以开放循环序列应处理成一系列循环。
添加一个同样的开放循环序列到计数处理后得到的开放循环序列之后,但是考虑到待连接的峰值
和谷值以及开放循环序列的第一个斜坡和最后一个斜坡,则应对两个相同序列间的连接采取一些预防
措施(参见图A.9)。
图A.9 用于开放循环序列处理的信号(开放循环序列复制)
当将雨流计数法应用于由这两个连续的完全相同的开放循环序列构成的新序列后,最终将再次得
到一个和之前完全相同的开放循环序列(参见图A.8)。因此,提取的循环相当于开放循环序列里的循
环,参见附录B。
应用本程序的好处是使用的仍然是雨流计数法。
彻底地处理整个疲劳载荷信号就可以得到一个连续的完全相同的循环序列。
在连接连续的循环序列时,应采取以下预防措施。
开放循环序列的最后一点之后连接整个载荷序列的第一点。可不再认为这些点是峰或谷。在这种
情况下,应该清除这些点。
可能出现八种不同的情况(参见图A.10)。为了清晰地说明,暂且假定R1和R2是开放循环序列的
开头两个点,Rn-1和Rn是其最后两个点。
a) 直接连接:历程变化段(Rn,R1) b) 连接:历程变化段(Rn-1,R2),清除R1和Rn点
c) 连接:历程变化段(Rn,R2),清除R1点 d) 连接:历程变化段(Rn-1,R1),清除Rn点
说明:
1---在(Rn-Rn-1)·(R2-R1) >0且(Rn-Rn-1)·(R1-Rn)< 0的情况下;
2---在(Rn-Rn-1)·(R2-R1) >0且(Rn-Rn-1)·(R1-Rn)≥0的情况下;
3---在(Rn-Rn-1)·(R2-R1)< 0且(Rn-Rn-1)·(R1-Rn)≥0的情况下;
4---在(Rn-Rn-1)·(R2-R1)< 0且(Rn-Rn-1)·(R1-Rn)< 0的情况下;
5---连接。
图A.10 序列连接......
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