專利名稱：評價產品持久性的正弦振動試驗的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種根據在實驗室內的加速正弦振動試驗對電子產品的使用持久性進行評價的計算機程序和方法，該方法采用了損壞與失效機理之間的關系。
本發(fā)明還涉及一種根據在實驗室內的加速正弦振動試驗對電子產品的使用持久性進行評價的方法，該方法采用了損壞與失效機理之間的關系。
在實際工作條件下，作用在自動化產品上的振動載荷是幾個對應于不同激勵的隨機過程的合成的結果。為了提高產品質量、縮短試驗時間和降低成本，通常在實驗室內對產品進行加速的試驗。在汽車制造業(yè)中，廣泛采用加速正弦振動試驗，這是因為其試驗設備的價格低，試驗的準備和監(jiān)測工作也很方便。如果正弦振動試驗的數據能與實際工作時的數據準確地聯(lián)系起來，就可以通過正弦振動試驗準確地評價產品的持久性。
本發(fā)明的目的是，提供一種根據失效機理和損壞等效原理的試驗方法，從而確定正弦振動試驗的方法，這樣，在實驗室內的試驗中所產生的振動破壞就等效于在現(xiàn)場的隨機振動所造成的破壞。等效的實驗室正弦振動試驗的方案，包括振動幅度和試驗時間，是這樣確定的，就是要依據現(xiàn)場的隨機振動情況和產品的預定壽命來決定。如果產品在實驗室環(huán)境下不損壞，那么，在現(xiàn)場環(huán)境下，該產品也能在預定的壽命周期內不損壞。
本發(fā)明提供了一種確定試驗方案的計算機程序和方法，以對產品進行實驗室內的加速的正弦振動試驗，該方法包括下列步驟
(i)選擇在加速試驗中采用的頻率掃描的類型和速率，(ii)推導簡化的合成功率譜密度函數PSDj，包括放大系數，這些放大系數代表了預定的現(xiàn)場振動幅度的隨機振動載荷的PSD，(iii)推導加速度函數GT(f)，該加速度函數GT(f)對應于PSDj并采用了PSD放大系數，以在產品上施加對應于PSDj函數的試驗加速度載荷，(iv)計算產品的應力響應曲線H(f)，該曲線代表了從輸入加速度載荷至局部振動應力的傳遞函數，(v)計算所需的加速度載荷范圍GU，根據下列關系應用GT(f)Gu={11.1x(2)mΓ(m2+1)ΣiMifO,iλivi[∫0200PSDg,i(f)H2(f)df]m2NW[∫050Hm(f)df-∫50100amHm(f)df+∫100150bmHm(f)df-∫150200cmHm(f)df]}lm]]>然后，根據設備的試驗能力和可能的試驗時間，選擇頻率掃描的數目NW。
(vi)根據放大系數和選定的NW的數值，重新計算加速度載荷GU，然后，(vii)根據選定的掃描類型、掃描速率、加速度載荷GU的數值和頻率掃描的數目，對產品進行試驗，在NW個頻率掃描的整個試驗中沒有被試驗破壞的情況下，檢定所需的產品的使用壽命。
現(xiàn)在結合附圖通過實施例對本發(fā)明進行說明，附圖包括

圖1是寬頻帶隨機振動的修正系數的曲線圖。
圖2示出了根據實測數據的PSD曲線的一個例子。
圖3示出了在關鍵點處關于單位加速度的應力-頻率響應曲線的一個例子。
圖4是關于實驗室加速掃描試驗方案的試驗載荷相對于頻率的曲線圖。
圖5示出了特定的產品在車輛內的給定位置處的實驗室振動幅度相對于所需的試驗時間的一個例子。
圖6示出了不同材料的阻尼比對積分比的影響。
圖7示出了疲勞特性對積分比的影響，包括導出的擬合曲線。
圖8示出了實驗室振動加速度幅度與在車輛內的給定位置處所需的試驗掃描的函數關系。
圖9是根據本發(fā)明的方法和程序進行控制的計算機系統(tǒng)的示意框圖。
圖10是根據本發(fā)明的計算機程序的流程圖。
對實際破壞的估計在隨機振動條件下，疲勞破壞可根據Miner定律進行估計D=∫0∞n(SA)N(SA)dSA=Σini(SA)Ni(SA)---1]]>其中，n(SA)是應力峰值為SA時進行的循環(huán)次數，而N(SA)是在應力為SA時發(fā)生破壞的平均循環(huán)次數。一般地，SA和N(SA)之間的關系(S-N曲線)由下列公式表示N=CSA-m---2]]>其中，C和m表達了在給定溫度下的材料特性、平均應力和表面條件。
假定由每條道路表面所產生的隨機振動都是穩(wěn)態(tài)的Gaussian過程或呈Gaussian分布，那么，由各條道路所產生的總的積累破壞可由下式進行估計DF=ΣiDi=Σi3600MifO,i(2)mΓ(m2+I)λiviC{∫fminfmaxPSDg,i(f)H2(f)df}m2---3]]>其中，Mi是在第i條道路上運行的里程；Γ(.)是Gamma函數；λi是如圖1所示的對帶寬的修正系數；νi是測試功率譜密度(PSD)的行駛速度(單位英里/小時)；而PSDg，i(f)是道路輸入加速度的功率譜密度(PSD)函數。H(f)是應力響應函數，該函數是把輸入加速度轉換成局部應力的傳遞率，該局部應力可采用CAE工具通過動態(tài)應力分析的方法得到；而fmim和fmax分別是所用頻率的上下限。界限是這樣確定的，就是使界限之外的PSDg(f)數值小于峰值的0.001。式3中的fo，i是由下式確定的平均頻率fO,i=∫0∞f2PSDg,i(f)H2(f)df∫0∞PSDg,i(f)H2(f)df----4]]>對在實驗室內的正弦試驗所造成的破壞的估計在實驗室試驗中，通常進行穩(wěn)態(tài)的對數掃描試驗和線性掃描試驗。對于對數掃描試驗Logf＝At+B 5其中，A和B是確定掃描速率的常數。由式5可以得到dt=1Aln10fdf---6]]>然后，在每個頻率段中的實際循環(huán)數可由下式進行估計Δn=fΔt=fAln10{log(f+Δf2)-log(f-Δf2)}=IAln10Δf---7]]>把Δn記作ni(SA)，并把式2和式7代入式1，在對數掃描試驗中的最后的破壞DT可由下式得到DT=2xNWAln10C∫fminfmaxGTm(f)Hm(f)df---8]]>其中，GT(f)是試驗中的輸入加速度的幅值，而NW對應于正弦掃描(從低頻到高頻，再從高頻回到低頻)數目所需的試驗時間。對于線性掃描f＝A′t+B′9其中，A’和B’分別是確定掃描速率的常數。由式9可以得到dt=1A′df---10]]>然后，在每個頻率段中的實際循環(huán)數可由下式進行估計Δn=fΔt=fA′Δf---11]]>因此，在線性掃描試驗中的最后的破壞可由下式得到DT=2xNWA′C∫fminfmaxfGTm(f)Hm(f)df---12]]>從式7中可以看出，對于一個給定的頻率增量，對數掃描試驗的循環(huán)數是一樣的，而與頻率大小無關。然而，根據式11可以看出，對于同樣的頻率增量，線性掃描試驗在高頻時的循環(huán)數也多。
實際上，非常大的加速度幅值(對應于低頻)的循環(huán)數和非常小的加速度幅值(對應于高頻)的循環(huán)數都少于中等加速度幅值(對應于中值理論)的循環(huán)數。因此，在實驗室內的試驗中，對數頻率掃描試驗比線性頻率掃描試驗更理想，這是因為，后者在高頻范圍內會導致過多的循環(huán)數。
掃描速率不能太高，以致于使結構產生不了預定的響應，而掃描速率也不能太低，以致于使在大幅值和小幅值之間的物理效果產生不出來。在一個汽車儀器組件及其電子設備模塊的推薦的實施例中，對應于從5至200Hz的頻率，掃描時間為10分鐘是合適的。在這種情況下，從5至200Hz的頻率掃描10分鐘(t＝0時f＝5Hz，而t＝600時f＝200Hz)可得到常數A＝0.00267和B＝0.7，因此Δn＝fΔt＝162.65Δf 13因此，在實驗室的加速試驗中，最后的破壞可由下式計算DT=2x162.5xNWC∫fminfmaxGTm(f)Hm(f)df---14]]>破壞等效技術上述的近似方法形成了在規(guī)定的試驗時間內的實驗室試驗方法，該方法使得在規(guī)定的試驗時間內在實驗室中所產生的破壞和產品在現(xiàn)場應用時在預定的壽命周期內所產生的破壞是一樣的。即DF(壽命)＝DT(試驗時間) 15因此，根據式3和14，如果明確了適當的試驗時間，就可以計算出所需的實驗室試驗數值，反之，如果明確了實驗室試驗數值，就可以計算出所需的適當的試驗時間。正弦掃描數NW由下式計算NW=11.1(2)mΓ(m2+1)∫fminfmaxGTm(f)Hm(f)dfΣiMifO,iλivi{∫fminfmaxPSDg,i(f)H2(f)df}m2---16]]>式16表明，所需的正弦掃描數取決于材料的疲勞特性和應力響應函數(可由有限元方法得到)。而產品的壽命可由車輛在各道路上的行駛里程Mi(單位英里)反映出來。實驗室試驗要求的確定為了把實驗室正弦試驗與現(xiàn)場所面臨的隨機振動聯(lián)系起來，可根據破壞等效技術采用一種用實驗結果描述產品持久性的方法，在試驗中，用在現(xiàn)場測試到的載荷作為輸入變量。根據典型的現(xiàn)場環(huán)境和預定的壽命確定的實驗室試驗要求包括確定掃描類型和掃描速率、實驗室試驗方案的細節(jié)(或放大系數)、試驗掃描數、以及實驗室試驗方案的數值。為了確定這些參數，在現(xiàn)場測試到的典型的PSDS應該進行簡化，并且應該計算出應力響應曲線。推薦的加速試驗方法的說明根據上述的假設和理論，可用下列步驟描述用于加速地檢定產品的持久性的方法，為此，要確定振動試驗的要求，所述步驟包括(i)選擇掃描類型和掃描速率對于給定的頻率增量，對數頻率掃描的循環(huán)數是相同的，而與頻率的大小無關。然而，對應于同樣的頻率增量，線性掃描在高頻時的循環(huán)數就很多。實際上，對數頻率掃描比線性掃描循環(huán)要理想一些，這是因為，后者在高頻范圍內的循環(huán)數可能太多。因此，在推薦的試驗方法中，采用的是對數頻率掃描。
掃描速率不能太高，以致于使結構產生不了預定的響應。掃描速率也不能太低，以致于使在大幅值和小幅值之間產生沒有合適的載荷分布的結果。據信，對于5至200Hz(A＝0.00267)的頻率，掃描的時間為10分鐘是合適的，但對于特定的加速試驗來說，也可能需要5-30分鐘的掃描速率。對于在高頻環(huán)境下應用的零件來說，可能需要高達2000Hz的頻率。
(ii)簡化在現(xiàn)場測試的PSDs現(xiàn)場隨機振動載荷是對能遇到的各典型的道路表面進行測試所得到的功率譜密度(PSD)曲線。圖3示出了合成功率譜密度PSD曲線，它表示了在典型的產品安裝位置處典型的車輛振動環(huán)境。合成功率譜密度PSD曲線是這樣得到的，即首先在現(xiàn)場測試到PSD數據，然后把該PSD數據簡化成四區(qū)間函數，如圖3中的虛線所示。在各區(qū)間的端點處的頻率數值分別為f0＝0Hz，f1＝50Hz，f2＝100Hz，f3＝150Hz和f4＝200Hz。這種假設條件可能不適合于對安裝在發(fā)動機上的零件進行振動模擬。合成功率譜密度PSD曲線的各區(qū)間(PSD1，PSD2，PSD3和PSD4)可由當量均值(能量等效)原理用下式表示PSDj=ΣiMifg,ivi∫fj-1jPSDg,i(f)df(fj-fj-1)ΣiMifg,ivij=1,2,3,4----17]]>其中，平均頻率fg，i由式4進行計算。因此，有代表性的產品安裝部位的合成功率譜密度PSD可由下式表示PSDj=PSD10<f<50a2PSD150<f<100b2PSD1100<f<150c2PSD1100<f<150---18]]>其中，a2是PSD1和PSD2的比值，b2是PSD1和PSD3的比值，而c2是PSD1和PSD4的比值。如圖3和4所示，系數a2、b2和c2對應于合成功率譜密度PSD中的多種頻率帶的相應的能量級。
(iii)確定實驗室試驗方案實驗室內的試驗方案是根據簡化的合成功率譜密度PSD曲線的形狀確定的。為了保證在實驗室內所輸入的能量的分布(頻域)與在現(xiàn)場所遇到的情況相似，應該采用下列的區(qū)間函數作為加速試驗的正弦輸入(輸入載荷以加速度g為單位)，這是因為該區(qū)間函數模擬了由式18表示的合成功率譜密度PSD的區(qū)間函數，該區(qū)間函數可表示為GT(f)=GU0<f<50aGU50<f<100gGU100<f<150cGU150<f<200---19]]>其中，放大系數常數a、b和c由式18確定，而GU是試驗方案中的最大加速度數值，其也對應于施加在被試產品上的最大的振動力。圖4以頻域表示了正弦加速輸入函數GT(f)。
因此，表示載荷大小的函數GT(f)中的常數的放大系數就確定了實驗室內的試驗方案。
(iv)計算應力響應曲線產品的應力響應曲線H(f)可用CAE工具通過動態(tài)應力分析的方法得到，如采用ABAQUS有限元分析軟件，該軟件由地址在1080 Main Street，Pawtucket，Rhode Island的名為Hibbitt，Karlsson and Sorensen，Inc.的公司出售。應力響應曲線H(f)是從輸入振動加速度載荷至局部振動應力的傳遞函數。正如在現(xiàn)有技術中所熟知的，H(f)函數的結果數據文件是所選定的頻率的H數值表，并將在后續(xù)的確定試驗載荷大小的過程中被采用。
(v)選擇試驗掃描的數目掃描數可根據試驗設備的能力和允許的試驗時間確定。為了有效地對試驗進行監(jiān)測，掃描數少些為好。然而，從準確觀測的角度看，在試驗中的頻率掃描數越多，對現(xiàn)場情況的模擬就越準確，因為減少掃描數就需要更大的加速度數值，而加速度數值過大會使產品的疲勞機理發(fā)生變化，試驗設備也可能產生不了過大的加速度。
在如圖2所示的上述步驟中計算出了應力頻率響應曲線H(f)，把該曲線H(f)與式18和式19一起代入式16，可以確定出最大振動加速度數值和理想的掃描數之間的關系，這種關系可表示為Gu={11.1x(2)mΓ(m2+1)ΣiMifO,iλivi[∫0200PSDg,i(f)H2(f)df]m2NW[∫050Hm(f)df+∫50100amHm(f)df-∫100150bmHm(f)df+∫150200cmHm(f)df]}1m---20]]>該式表達了加速度載荷GU與掃描數NW之間的函數關系。這種關系在圖5中可以由線條GU表示。在圖中還畫出了所需的加速度力aGu、bGu和cGu，以用于折衷加速度載荷和所需的試驗時間之間的關系。例如，Gu線表明0-50Hz的頻帶所需的加速度力大約為4.2g，50-100Hz的頻帶所需的加速度力大約為1.6g，100-150Hz的頻帶所需的加速度力大約為0.94g，150-200Hz的頻帶所需的加速度力大約為1.9g。即使試驗設備能夠產生這些載荷，也最好在較低的加速度載荷下進行較多的頻率掃描數，因為這更接近于現(xiàn)場實際的加速度載荷。
然后，可以根據可能的試驗時間、試驗設備的能力和考慮到疲勞機理的改變進行綜合判斷。一般地，推薦的掃描數目為18-36，但在特定的試驗要求下，頻率掃描的數目可少至5和多至100。在推薦的方法中，掃描數NW為18被認為是理想的。
(vi)確定載荷數值一旦在步驟(v)中確定了振動掃描的數目，就可以計算出試驗時的振動載荷的輸入數值，方法是根據式19和20確定，或在圖5中從線條Gu、aGu、bGu和cGu中看出。應把實驗室的試驗設備依據選定的加速度數值調整在預定的頻率帶上。
(vii)進行實驗室試驗然后，根據選定的掃描類型、選定的掃描速率、方案/放大系數和掃描的數目進行實驗室內的加速試驗。如果在試驗過程中沒有發(fā)現(xiàn)破壞現(xiàn)象，那么，在預定的產品壽命周期內，所提出的產品的方案就不會在現(xiàn)場的應用過程中損壞。如果在實驗室試驗結束之前產品發(fā)生了破壞，就必須再進行更長時間的實驗室試驗，以觀察在繼續(xù)進行的試驗或擴大的試驗樣本中是否還出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。確定所需的附加試驗和判斷實驗室試驗的成功或失敗的方法在一個未決的專利申請中進行了公布，該專利申請的申請?zhí)枮?8/543,418，于1995年10月16日提交，其題目是“在加速的可靠性檢定試驗中減小樣本的方法”，其內容也在此提及，以供參考。儀器組件的例子在該部分中，以一個儀器組件作為例子來說明上述的加速的耐久性試驗方法的應用。該儀器組件包括一個塑料外殼、一塊印刷電路板(PWB)和數個帶插角的大型顯示元件。潛在的破壞機理是振動產生的疲勞現(xiàn)象，疲勞的部位在元件的插角的下端。應力幅值S和使端部材料疲勞的循環(huán)數目之間的關系可由材料疲勞試驗確定，該關系可表示成N=2.54x1019SA-6.11----21]]>選擇對數頻率掃描，掃描速率選定在從5至200Hz的頻率掃描10分鐘。
圖3示出了在現(xiàn)場檢定試驗中輕型卡車在7條路面上運行時在其儀器板上測得的7條PSD曲線。表1列出了平均運行速度、所需的運行距離和運行時間。該現(xiàn)場檢定運行試驗被認為相當于輕型卡車實際運行150000英里。根據7條PSD曲線和在表1中列出的信息，可由式17和18確定合成PSD曲線。圖3中的虛線表示合成PSD曲線，該合成PSD曲線將用于確定加速試驗的數值。根據合成PSD曲線，用于確定實驗室試驗方案的常數a、b和c可由式18經計算可以得a＝0.33、b＝0.22、而c＝0.06。
用有限元方法進行動態(tài)振動的應力分析。得到插角根部的應力響應曲線H(f)，并繪制在圖2中。把應力響應曲線和材料特性m＝6.11(由式21給出)代入式20，把最大振動的數值和所需的掃描數目之間的關系繪制在圖5中。
如果選擇NW＝18作為在掃描過多和過少之間的折衷，可以根據式19計算出振動的數值。其結果在表2中進行了總結。因為每個掃描的試驗時間為20分鐘，所以，對每個坐標軸的試驗時間為6小時(20分鐘乘以18個掃描)，而對三個坐標軸的試驗時間為18小時。
表1 現(xiàn)場道路的載荷工況(相當于150000英里
表2 儀器組件與現(xiàn)場破壞相關的實驗室試驗要求
確定一般的試驗要求表2中列出的實驗室試驗要求適用于這樣的特定產品，即與潛在的破壞相關的材料的特性是已知的，并且其傳遞函數可以用動態(tài)有限元方法計算出來。然而，對于那些材料特性是不容易得到或不容易知道的情況，可能需要在給定的車輛部位的一般的實驗室試驗要求。在這種情況下，需要研制出一種實驗室試驗方法，該方法與傳遞函數及材料的特性無關?？梢杂玫刃У墓こ碳僭O來估計傳遞函數(應力響應函數)及材料特性的影響。
本發(fā)明所提出的方法是合理的等效適用的方法。其確定掃描類型和掃描速率、實驗室試驗方案、以及試驗掃描的數目的過程與上述相同。所不同的只是對確定試驗輸入數值的方法進行了改進，下面對此進行說明。
在式20中表達的最大振動數值和理想的掃描數目之間的關系也可寫成
[∫050H2(f)df+∫50100a2H2(f)df-∫50150b2H2(f)df-∫150200c2H2(f)df]m2∫550Hm(f)df+∫20100amHm(f)df-∫100150bmHm(f)df-∫150200cmHm(f)df---22]]>對于大多數產品，如圖2所示，在產品固有的諧振頻率處，傳遞函數具有一個尖的幅值。因此，傳遞函數也可以由只有一個自由度的公式近似地表示如下H(f)=D(2πfn)2[1-(ffn)2]2-[2ζ(ffn)]2---(23)]]>其中，D是常數，表明了局部應力和相對位移之間的關系，fn是結構的固有諧振頻率，而z是阻尼比。
由于曲線H(f)的形狀具有一個尖峰，式22的分子和分母中的在含有固有頻率的頻率范圍以外的積分值就都很小。因此，式22的傳遞效果可通過研究下列積分比進行估計
={∫fifi+1H2(f)df}m2∫fifi+1Hm(f)df----24]]>其中，fi至fi+1是包括主頻在內的頻率范圍。
把式23代入式24，可得到積分比的數值，該積分比是阻尼比ζ和疲勞特性m的函數。對大多數產品和結構來說，阻尼比通常在ζ＝1％至ζ＝5％之間，而疲勞特性通常在m＝1.5至m＝5之間。圖6表明，阻尼比對積分比的影響不是很大。然而，積分比在很大程度上取決于材料特性m。因為產品的阻尼比通常小于5％，如圖7所示，可把基于ζ＝5％的擬合曲線作為上限。該擬合曲線的方程可表示為積分比＝0.09(5.3-m)2-0.1825因此，在式22中的輸入加速度的上限數值的傳遞效果可用下式進行估計
現(xiàn)在，進一步假定疲勞特性m＝3(這是汽車元器件最常用的材料的平均值)，那么，試驗所需要的最大輸入加速度力的數值可由下式確定Gu=3.14xPSDu{1NWΣiMifg,ivi}13---27]]>然后，可對安裝在儀表盤上的任何產品確定其等效的試驗要求。與上述的步驟(v)的方式類似，把最大加速度力的數值和所需的掃描數目之間的關系繪制在圖8中。選定掃描的數目為NW＝18，根據式27計算出振動幅度，計算結果匯總在表3中。由于每個掃描的試驗時間為20分鐘，對于三個坐標軸的總的試驗時間為18小時。試驗結果也匯總在表3中。
將會看到，該方法采用了一般的工程假設，以使在步驟(v)中式27可以被代入式20中，如果所述假設成立，步驟(iv)還可以省略。
表3 對安裝在儀表盤上的產品進行實驗室試驗的要求
總之，為檢定產品的持久性的實驗室試驗要求取決于產品的幾何特性和與破壞有關的材料特性。如果結構的傳遞函數可以計算出來，并且材料的特性也是已知的，對于已知幾何特性的產品來說，就可以準確地確定出在給定試驗時間內所需的振動大小或在給定振動幅度的情況下所需的試驗時間。基于破壞等效技術、根據車輛的行駛里程或速度以及PSD曲線，可以準確地得出振動的方式，上述的各PSD曲線是在車輛的特定部位測試到的，該部位就是產品將安裝于此以實際使用的部位。如果幾何特性和材料特性是未知的，就要進行工程上的等效的假設，以使加速的試驗大致與這些特性無關。通過這種方法，有可能在實驗室內進行這樣的加速的振動試驗，即僅用18小時就可以模擬150000英里的行使里程。
本發(fā)明的方法可用于特殊目的的計算機/微控制器，也可用于一般目的的計算機，該一般目的的計算機在圖9中以100進行總體表示。計算機100包括輸入/輸出驅動器電路102，驅動器電路102從輸入裝置140和傳感器150接收數據。輸入裝置140的一個例子是計算機鍵盤，傳感器150的例子包括電壓傳感器、振動傳感器、應變傳感器、加速度計、力傳感器、扭矩傳感器，等等，輸入/輸出驅動器102與中央處理器(CPU)110相連，中央處理器110根據在此所述的方法進行計算和其它步驟。用于本發(fā)明的CPU的例子是采用地址在Palo Alto，California的惠普公司的PA-RISC 7200處理器。引導中央處理器110的程序貯存在貯存器120內，貯存器120可包括硬驅動器、軟驅動器、不揮發(fā)存貯器或某些其它的貯存介質，這些介質可以根據本發(fā)明保存和調出算法和計算機程序。貯存器120也可包括各種物理參數、分布(distributions)、材料數據庫、載荷(環(huán)境或路面載荷)數據庫、物理特性，等等，這些是在執(zhí)行計算機程序過程中所需要的，并且可在貯存器120內最有效地貯存和檢索。中央處理器110還可連接在附加貯存器(sufficientmemory)上，以容納和貯存選定的由中央處理器進行操作的計算機程序和數據部分。
輸入/輸出驅動器102的其它輸出可以連接至系統(tǒng)顯示器160，如CRT顯示器，和繪圖儀/打印機210，也可連接至操作被試產品180的試驗裝置170。為了對產品180的試驗進行控制，當需要指明頻率分布、載荷幅值、電壓等時，試驗裝置170可直接響應計算機100的命令。試驗裝置170的例子包括功率放大器、振動臺、激勵控制器、記錄器、條件放大器、測試放大器和力傳感器。如上所述，多個傳感器150可直接連接至產品180(如電壓傳感器、應變傳感器、加速度計、力傳感器、扭矩傳感器)，如果試驗裝置170不包括這些傳感器的話，多個傳感器150也可直接或間接地連接至試驗裝置170(如位置傳感器、應變片或類似的傳感器)。
如圖9所示，本發(fā)明的方法可在通用計算機上完全自動地進行，也可根據顯示器160顯示的試驗裝置的控制器和傳感器的信息和指令由操作者執(zhí)行一部分。各種字符可通過輸入裝置140或各種可攜帶貯存介質進行輸入?？蓴y帶輸入介質的例子包括可由兼容裝置126讀取的軟磁盤、磁帶和光盤，而該可攜帶輸入介質又可連接至輸入/輸出驅動器102或直接連接至貯存裝置120。本發(fā)明的方法/程序，或運行該程序所需的數據，或兩者兼有，都可通過磁貯存介質122進行貯存和分布。
計算機輔助工程(CAE)工作站190的輸出也可與輸入裝置140相連，也可與計算機100的輸入/輸出驅動器102直接相連。這樣，CAE工作站的設計，而不是實際模型的試驗數據，可直接提供給計算機100，以根據本發(fā)明的方法進行分析和試驗。類似地，輸入/輸出驅動器102也可直接與CAE工作站相連，分析和試驗的結果與正在CAE工作站上進行的產品設計相聯(lián)系，因此，可以根據試驗結果對產品的設計參數進行調整。也可以在CAE工作站上用有限元分析和耐久性分析技術模擬加速的試驗方法，而不是建造模型，再用上述的傳感器150在試驗裝置170上對該模型進行試驗。這種模擬試驗可在計算機100上完成，或者說，根據本發(fā)明的技術的計算機程序可以包含在CAE工作站的軟件模塊內，以對產品進行分析和設計。在這種情況下，根據本發(fā)明的計算機程序可在CAE工作站190上直接執(zhí)行。
在計算機上執(zhí)行本發(fā)明的方法的邏輯流程圖如圖10所示。
權利要求
1.一種確定試驗方案的方法，以對產品進行實驗室內的加速的正弦振動試驗，該方法包括下列步驟(i)選定在加速試驗中采用的掃描類型和掃描速率，(ii)推導簡化的合成功率譜密度函數PSDj，包括放大系數，這些放大系數代表了預定的現(xiàn)場振動幅度的隨機振動載荷的PSD，(iii)推導加速度函數GT(f)，該加速函數GT(f)對應于PSDj并采用了PSD放大系數，以在產品上施加對應于PSDj函數的試驗加速度載荷，(iv)計算產品的應力響應曲線H(f)，該曲線代表了從輸入加速度載荷至局部振動應力的傳遞函數，(v)計算所需的加速度載荷GU的范圍，以根據下列關系應用GT(f)Gu={11.1x(2)mΓ(m2+l)ΣiMifO,iλivi[∫0200PSDg,i(f)H2(f)df]m2NW[∫050Hm(f)df+∫50100amHm(f)df-∫100150bmHm(f)df-∫150200cmHm(f)df]}1m]]>然后，根據設備的試驗能力和可能的試驗時間，選擇頻率掃描的數目NW。(vi)根據放大系數和選定的NW的數值，重新計算加速度載荷GU，然后，(vii)根據選定的掃描類型、掃描速率、加速度載荷GU和頻率掃描的數目NW，對產品進行試驗，在NW個掃描的整個試驗中沒有被試驗破壞的情況下，檢定產品所需的使用壽命。
2.如權利要求1所述的加速的試驗方法，進一步包括下列步驟(viii)重新對產品進行設計，以消除在NW個試驗掃描內出現(xiàn)破壞的根本原因。
3.如權利要求1所述的加速的試驗方法，進一步包括下列步驟(ix)在第一次產品試驗發(fā)生了破壞現(xiàn)象之后，擴大試驗樣本，對擴大的試驗樣本進行NW個掃描的試驗，以確定所出現(xiàn)的破壞是否有在統(tǒng)計意義上的明顯性。
4.如權利要求1所述的加速的試驗方法，其中的步驟(i)包括下列子步驟(i1)選擇對數方式的掃描。
5.如權利要求1所述的加速的試驗方法，其中的步驟(i)包括下列子步驟(i2)將掃描速率選擇為大約從5至200Hz的頻率掃描10分鐘。
6.如權利要求1所述的加速的試驗方法，其中的步驟(ii)包括下列子步驟選定包括4個頻譜帶寬的PSD，即PSDj=ΣiMifg,iviffj-ifjPSDg,i(f)df(fj-fj-1)ΣiMifg,ivij=1,2,3,4]]>然后，將其簡化為PSDj=PSD10<f<f1a2PSD1f1<f<f2b2PSD1f2<f<f3c2PSD1f3<f<f4]]>其中，放大系數是a、b和c。
7.如權利要求6所述的加速的試驗方法，其中的步驟(ii)包括下列子步驟選定f1在50Hz左右、選定f2在100Hz左右、選定f3在150Hz左右、而選定f4在200Hz左右。
8.如權利要求1所述的加速的試驗方法，其中的步驟(iii)包括下列子步驟推導與頻率f1、f2、f3和f4以及放大系數是a、b和c有關的加速度函數GT(f)。
9.如權利要求1所述的加速的試驗方法，其中的步驟(iii)包括下列
10.如權利要求1所述的加速的試驗方法，其中的步驟(iv)包括下列子步驟在大約12-20的范圍內選擇NW。
11.如權利要求10所述的加速的試驗方法，其中的步驟(iv)包括下列子步驟選定NW在18左右。
12.一種確定試驗方案的方法，以對產品進行實驗室內的加速的正弦振動試驗，該方法包括下列步驟(i)選擇對數方式的頻率掃描，使在大約10分鐘內頻率的范圍包括大約從5Hz至200Hz的整個范圍，(ii)推導簡化的合成功率譜密度函數PSDj，包括放大系數a、b、c和d，這些放大系數代表了預定的現(xiàn)場振動幅度的隨機振動載荷的PSD，頻帶的分界點分別為大約0Hz、50Hz、100Hz、150Hz和200Hz，(iii)推導加速度函數GT(f)，該加速度函數GT(f)對應于PSDj并采用了PSD放大系數，以在產品上施加對應于PSDj函數的試驗加速度載荷，(iv)計算產品的應力響應曲線H(f)，該曲線代表了從輸入加速度載荷至局部振動應力的傳遞函數，(v)選定頻率掃描的數目在18左右，計算所需的加速度載荷GU，以根據下列關系應用GT(f)Gu={11.1x(2)mΓ(m2+l)ΣiMifO,iλivi[∫0200PSDg,i(f)H2(f)df]m2NW[∫050Hm(f)df+∫50100amHm(f)df-∫0150bmHm(f)df+∫150200cmHm(f)df]}lm]]>(vi)根據選定的掃描類型、掃描速率、加速度載荷GU和頻率掃描的數目NW，對產品進行試驗，在NW個掃描的整個試驗中沒有被試驗破壞的情況下，檢定產品所需的使用壽命。
13.如權利要求12所述的加速的試驗方法，進一步包括下列步驟(vii)重新對產品進行設計，以消除在NW個試驗掃描內出現(xiàn)破壞的根本原因。
14.如權利要求13所述的加速的試驗方法，進一步包括下列步驟(viii)在第一次產品試驗發(fā)生了破壞現(xiàn)象之后，擴大試驗樣本，對擴大的試驗樣本進行NW個掃描的試驗，以確定所出現(xiàn)的破壞是否有在統(tǒng)計意義上的明顯性。
15.一種確定試驗方案的方法，以對產品進行實驗室內的加速的正弦振動試驗，該方法包括下列步驟(i)選定在加速試驗中采用的頻率掃描的類型和掃描速率，(ii)推導簡化的合成功率譜密度函數PSDj，包括放大系數，這些放大系數代表了預定的現(xiàn)場振動幅度的隨機振動載荷的PSD，(iii)推導加速度函數GT(f)，該加速度函數GT(f)對應于PSDj并采用了PSD放大系數，以在產品上施加對應于PSDj函數的試驗加速度載荷，(iv)計算所需的加速度載荷GU的范圍，以根據下列關系應用GT(f)Gu=3.14xPSDu{1NWΣiMifg,ivi}13]]>然后，根據設備的試驗能力和可能的試驗時間，選擇頻率掃描的數目NW。(v)根據放大系數和選定的NW的數值，重新計算加速度載荷GU，然后，(vi)根據選定的掃描類型、掃描速率、加速度載荷GU和頻率掃描的數目NW，對產品進行試驗，在NW個掃描的整個試驗中沒有被試驗破壞的情況下，檢定產品所需的使用壽命。
16.如權利要求15所述的加速的試驗方法，進一步包括下列步驟(vii)重新對產品進行設計，以消除在NW個循環(huán)塊內出現(xiàn)破壞的根本原因。
17.如權利要求16所述的加速的試驗方法，進一步包括下列步驟(viii)在第一次產品試驗發(fā)生了破壞現(xiàn)象之后，擴大試驗樣本，對擴大的試驗樣本進行NW個掃描的試驗，以確定所出現(xiàn)的破壞是否有在統(tǒng)計意義上的明顯性。
全文摘要
一種確定試驗方案的應用程序和計算機系統(tǒng),對產品進行實驗室內的加速的正弦振動試驗,該應用程序包括下列步驟:(i)選定頻率掃描的類型和速率,(ii)推導能代表預定的現(xiàn)場振動幅度的簡化的合成功率譜密度函數PSD
文檔編號G01M7/02GK1201522SQ96197310
公開日1998年12月9日 申請日期1996年12月2日 優(yōu)先權日1995年12月1日
發(fā)明者胡君明 申請人:福特汽車公司