CN117191311A - 物流非平稳、非高斯振动下产品的加速振动试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种物流非平稳、非高斯振动激励下产品的加速振动试验方法：将物流中产品经受的随机振动信号分解为一系列不同强度的近似平稳高斯振动信号段和非高斯冲击信号段。对于分解得到的各近似平稳高斯振动信号段，在试验中通过高斯信号振动加速试验方法逐个实施，通过提高振动强度实现缩短试验时间的目的；对于非高斯冲击信号段，在试验中按原强度和时间实施，等效复现物流中幅值较大冲击信号段对产品造成的冲击损伤作用。本发明在大幅节省试验时间的同时保证了试验精度，为物流非平稳、非高斯随机振动激励下产品加速振动试验提供了新方法，对于有效保护产品、合理评价产品和包装、节约资源具有重要价值。
Description
技术领域
本发明涉及随机振动加速试验领域，特别涉及一种物流非平稳、非高斯振动下产品的加速振动试验方法。
背景技术
产品要经包装和物流才能到达客户消费，物流中有大量的产品破损和功能失效现象发生。随着现代物流的迅猛发展，我国年社会物流总额快速上升，每年因包装设计和防护不当引起的产品损失巨大。同时，由于包装防护过度，造成了大量包装材料浪费。建立产品运输包装有效性与适度性的科学评价方法显得尤为重要和迫切。
为评价产品在物流振动条件下的性能及其包装的有效性与适度性，实验室加速振动试验成为实践中必不可少的重要手段。它通过提高振动强度而缩短试验时间，节约资源。所述产品主要指包装的产品(产品运输包装)，也包括未包装的产品。
现有的产品加速振动试验方法适用于平稳高斯随机振动激励，它通过方程(1)至(4)在实验室加以实现。
式中，T(s)和T(r)分别为实验室加速试验和实际物流运输时间，和/>分别为实验室加速试验和实际物流运输振动信号的加速度均方根(RMS)，/>和/>分别为实验室加速试验和实际物流运输振动信号的单边加速度功率谱密度(PSD)，b是与产品材料相关的常数，Ksr是加速比例因子。
对于非高斯随机振动，目前试图通过引入一个非高斯修正因子的近似方法加以实现，但是难以使实验室加速试验和实际物流运输两种情况下产品的损伤等效。物流中产品经受的随机振动信号十分复杂，具有非平稳、非高斯和冲击特征，其原因一是由于不同的车速和路况导致了不同强度等级的振动，另一个原因是振动信号中包含了一些幅值较大的冲击信号。如何建立物流非平稳、非高斯随机振动激励下产品加速振动试验方法，现有技术没有提出切实可行的方案。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种物流非平稳、非高斯振动下产品的加速振动试验方法，使实验室加速信号与物流原始信号对产品造成的损伤偏差可控制在10％以内，可按需要在较大范围内压缩试验时间，在大幅节省试验时间的同时保证了试验精度。所述产品主要指包装的产品(产品运输包装)，也包括未包装的产品。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
物流非平稳、非高斯振动下产品的加速振动试验方法，包括以下步骤：
S1信号分解：
对真实物流中产品经受的非平稳、非高斯的随机振动信号进行分解，得到n段不同强度的近似高斯信号段和一段非高斯冲击信号段的串联；n大于或等于1；
所述各近似高斯信号段的峭度控制在3附近，推荐在2.5～3.5以内；
所述非高斯冲击信号段的峭度控制为大于3.5；
S2加速振动试验：
对于各近似高斯信号段，按照高斯信号振动加速试验方法进行试验，提高振动强度，缩短试验时间；
对非高斯冲击信号段，按该非高斯冲击信号段的强度实施试验，即采用该非高斯冲击信号段或者采用统计意义上与该非高斯冲击信号段等价的信号段实施，试验时间同该非高斯冲击信号段的时间。
优选的，步骤S1所述对真实物流中产品经受的非平稳、非高斯随机振动信号进行分解，得到n段近似高斯信号段和一段非高斯冲击信号段的串联，具体为：
采用移动峰值因子定位冲击信号发生时刻，用十分之一峰值法确定冲击信号持续时间，逐次调整移动峰值因子阈值，将该物流振动信号分解为至少一段近似高斯信号段和一段非高斯冲击信号段。
优选的，所述各近似高斯信号段的强度不同，第i(i＝1,2，...，n-1)近似高斯信号段的加速度均方根值低于第i+1近似高斯信号段的加速度均方根值；所述第n近似高斯信号段的加速度均方根值低于所述非高斯冲击信号段的加速度均方根值。
优选的，当n＝2时，所述第一近似高斯信号段、第二近似高斯信号段、非高斯冲击信号段的时间占比分别为20％、60％、20％。
优选的，步骤S2中所述对于各近似高斯信号段，按照高斯信号振动加速试验方法，提高振动强度，实现缩短试验时间，具体为：
将各近似高斯信号段的功率谱密度按加速比例因子放大后形成实验室加速振动试验的激励功率谱密度，试验中逐个实施，压缩各近似高斯信号段的试验时间。
优选的，所述加速比例因子取值为1.2～2.5。
优选的，步骤S2中所述加速振动试验为通过试验设备施加的实物试验或者为通过数值计算的仿真试验。
优选的，步骤S2中所述加速振动试验中，第i(i＝1,2，...，n)近似高斯信号段的实验时间采用下式表示：
其中，Ksr(i)表示第i近似高斯信号段的加速比例因子，b表示与产品材料相关的参数；表示物流随机振动信号中第i近似高斯信号段的时间。
优选的，试验总时间为：
其中，为非高斯冲击信号段的时间。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)与现有的非高斯振动下产品的加速振动试验方法完全不同，本发明是基于物流随机振动的信号特征，将物流中产品经受的非平稳、非高斯随机振动信号分解出一系列不同强度的近似平稳高斯振动信号段，进而实施加速振动试验，缩短试验时间。
(2)本发明的加速振动试验方法在实验室等效复现了物流中幅值较大冲击信号段对产品造成的冲击损伤作用，解决了现有的加速振动试验方法导致的冲击信号被平均和损伤被严重低估的问题。
(3)本发明的加速振动试验方法使实验室加速信号与物流原始信号对产品造成的损伤偏差可控制在10％以内(实施例损伤偏差仅为2.70％)，可按需要在较大范围内压缩试验时间，在大幅节省试验时间的同时保证了试验精度。
(4)本发明的信号三段法分解适用于大多数物流振动情况，但信号三段法分解仅是为了说明本发明的具体实施方式。本发明的方法不限于信号三段法分解。
(5)本发明为物流非平稳、非高斯随机振动下产品加速振动试验提供了新方法，对于有效保护产品、合理评价产品和包装、节约资源具有重要价值。
附图说明
图1是本发明的实施例之物流振动信号时域图；
图2是本发明的实施例之物流振动信号分解得到的低、中、高信号段；
图3是本发明的实施例之低、中信号段的原始功率谱密度和放大2倍后的加速振动试验功率谱密度对比图；
图4是本发明的实施例之加速振动试验信号时域图；
图5是本发明的实施例之有限元法分析振动损伤的产品模型及其关键点位置示意图；
图6是本发明的实施例之物流振动信号激励下产品关键点应力响应的时间历程；
图7是本发明的实施例之加速振动试验下产品关键点应力响应的时间历程；
图8是本发明的实施例之产品关键点处铝合金材料的疲劳寿命曲线。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本发明的物流非平稳、非高斯随机振动下产品加速振动试验方法的核心在于：以振动信号的分解策略为突破口，将物流中产品经受的非平稳、非高斯随机振动信号分解为一系列不同强度的近似平稳高斯振动信号段和一段幅值较大的冲击信号段。对于分解得到的各近似平稳高斯振动信号段，在试验中通过高斯信号振动加速试验方法逐个实施，通过提高振动强度实现缩短试验时间的目的；对于幅值较大的冲击信号段，在试验中按原强度实施，试验时间同物流中的冲击部分时间。
解析步骤如下：
假设实际物流非平稳、非高斯随机振动信号为u(t)，可应用移动峰值因子(MovingCrest Factor)和十分之一峰值法(One-tenth Peak Value)，也可应用其他方法，对振动信号进行逐级识别与分离，将该信号分解为n段不同强度的近似高斯信号段ui(t) (i＝1,2，...，n)和一段幅值较大的非高斯冲击信号段u0(t)，u(t)是u0(t)和ui(t) (i＝1,2，...，n)的串联。
对于幅值较大的非高斯冲击信号段u0(t)，在试验中，直接用非高斯冲击信号段u0(t)或产生统计意义上与u0(t)等价的信号段，实施振动。
对于不同强度的近似高斯信号段ui(t) (i＝1,2，...，n)，在试验中，通过高斯信号振动加速试验方法实施。即通过设定合适的加速比例因子Ksr(i)(Ksr(i)＞1)，将ui(t) (i＝1,2，...，n)的功率谱密度放大一定倍数，形成各加速振动试验的激励功率谱密度/>试验中逐个实施，压缩各近似高斯信号段试验时间。第i近似高斯信号段的加速比例因子Ksr(i)用式(5)表示，实验室加速试验时间/>用式(6)表示。总的实验室加速试验时间T(s)为幅值较大的非高斯冲击信号段的试验时间与各近似高斯信号段的加速试验时间之和，用式(7)表示。
式中，和/>分别为实际物流中幅值较大的非高斯冲击信号段和第i近似高斯信号段的时间。
以信号三段法分解为例，即以物流振动信号分解为二段不同强度的近似高斯信号段和一段幅值较大的非高斯冲击信号段为例，具体实施方式如下：
(1)应用移动峰值因子和十分之一峰值法，或应用其他方法，通过调整振动强度阈值，将物流振动信号分解出较低和中等二段振动水平的近似高斯信号段和一段幅值较大的非高斯冲击信号段，分别称为低、中、高信号段。为保证较好的加速振动试验精度，优选将物流振动信号分解为时间占比20％的低信号段、60％的中信号段和20％的高信号段。
(2)对时间占比20％的高信号段，直接用该高信号段或产生统计意义上等价的高信号段，实施振动，试验时间同物流中的高信号段作用时间。
(3)对时间占比20％的低信号段和60％的中信号段，分别取合适的加速比例因子(建议在1.2～2.5间取值)，将低、中信号段功率谱密度按加速比例因子放大后形成实验室加速振动试验的激励功率谱密度，试验中逐个实施，压缩低信号段和中信号段试验时间。
以图1中的物流随机振动信号为例，本发明的物流非平稳、非高斯随机振动下产品加速振动试验方法的具体实施过程如下：
(1)信号分解。对图1所示物流随机振动信号，用移动峰值因子定位幅值较大的冲击信号发生时刻，用十分之一峰值法确定冲击信号持续时间，逐次调整移动峰值因子阈值，将该物流振动信号分解为图2所示时间占比20％的低信号段、60％的中信号段和20％的高信号段。
物流振动信号及低、中、高信号段的统计参数见表1。表1中数据表明：物流振动信号峭度为6.9009，远大于3，为非高斯振动信号；低、中信号段峭度均在3附近，偏度均接近于0，加速度均方根值为0.1835g和0.2833g，可认为是两段不同振动水平的近似高斯信号段；高信号段峭度为5.1312，远大于3，加速度均方根值为0.4925g，可认为是幅值较大的冲击信号段。
(2)加速振动试验。该实施例的加速振动试验方案取值见表2。对步骤(1)中信号分解出的低、中信号段，取加速比例因子为2，低、中信号段的原始功率谱密度和放大2倍后的加速振动试验功率谱密度的对比见图3。使用MATLAB对低、中信号段的加速振动试验功率谱密度进行频域-时域转换，结合高信号段时域信号，得到加速振动试验所需的时域激励信号，见图4。图4表明：加速振动试验时，低、中信号段振动强度提高了，时间分别从20s和60s分别压缩到了1.25s和3.75s，压缩比为1/16，而高信号段振动强度和时间均保持不变，总时间压缩比1/4(表2)。
(3)产品有限元模型。图5是本发明的实施例之有限元法分析振动损伤的产品模型及其关键点位置示意图。考虑到一般的产品由机体和零部件组成，为体现有限元模型的一般性，该实施例构建的产品模型由一外框结构、一悬臂结构和一立柱结构所组成。外框代表产品的机体，悬臂与立柱结构代表产品的两个关键零部件，其分别连接一质量块，代表零部件质量。该产品模型的关键点A为悬臂与外框的连接处。模型机体和零部件的材料参数见表3。
(4)损伤比较。应用有限元方法，对物流振动信号和加速振动试验两种情况下的产品关键点应力和损伤进行分析。图6是物流振动信号激励下产品关键点应力响应的时间历程，图7是加速振动试验下产品关键点应力响应的时间历程。结合产品关键点处铝合金材料的疲劳寿命曲线(图8)，使用雨流法和线性累积损伤准则计算产品关键点处的损伤量，表4是本发明的实施例之物流振动信号激励和加速振动试验下的产品关键点处损伤比较数据表。表4表明：加速振动试验下与物流振动信号激励下的产品关键点处损伤误差仅为2.70％，同时加速振动试验总时间压缩至1/4(表2)。本发明在大幅节省试验时间的同时保证了试验精度。
表1
表2
表3
表4
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.物流非平稳、非高斯振动下产品的加速振动试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1信号分解：
对真实物流中产品经受的非平稳、非高斯随机振动信号进行分解，得到n段不同强度的近似高斯信号段和一段非高斯冲击信号段的串联；n大于或等于1；
所述各近似高斯信号段的峭度控制在2.5～3.5范围内；
所述非高斯冲击信号段的峭度控制为大于3.5；
S2加速振动试验：
对于各近似高斯信号段，按照高斯信号振动加速试验方法，提高振动强度，缩短试验时间；
对非高斯冲击信号段，按该非高斯冲击信号段的强度实施，即采用该非高斯冲击信号段或者采用统计意义上与该非高斯冲击信号段等价的信号段实施，试验时间同该非高斯冲击信号段的时间。
2.根据权利要求1所述的物流非平稳、非高斯振动下产品的加速振动试验方法，其特征在于,步骤S1所述对真实物流中产品经受的非平稳、非高斯随机振动信号进行分解，得到n段近似高斯信号段和一段非高斯冲击信号段的串联，具体为：
采用移动峰值因子定位冲击信号发生时刻，用十分之一峰值法确定冲击信号持续时间，逐次调整移动峰值因子阈值，将该物流振动信号分解为至少一段近似高斯信号段和一段非高斯冲击信号段。
3.根据权利要求2所述的物流非平稳、非高斯振动下产品的加速振动试验方法，其特征在于，所述各近似高斯信号段的强度不同，第i(i＝1,2,…,n-1)近似高斯信号段的加速度均方根值低于第i+1近似高斯信号段的加速度均方根值；所述第n近似高斯信号段的加速度均方根值低于所述非高斯冲击信号段的加速度均方根值。
4.根据权利要求3所述的物流非平稳、非高斯振动下产品的加速振动试验方法，其特征在于，当n＝2时，第一近似高斯信号段、第二近似高斯信号段、非高斯冲击信号段的时间占比分别为20％、60％、20％。
5.根据权利要求1所述的物流非平稳、非高斯振动下产品的加速振动试验方法，其特征在于,步骤S2中所述对于各近似高斯信号段，按照高斯信号振动加速试验方法，提高振动强度，实现缩短试验时间，具体为：
将各近似高斯信号段的功率谱密度按加速比例因子放大后形成实验室加速振动试验的激励功率谱密度，试验中逐个实施，压缩各近似高斯信号段的试验时间。
6.根据权利要求5所述的物流非平稳、非高斯振动下产品的加速振动试验方法，其特征在于,所述加速比例因子取值为1.2～2.5。
7.根据权利要求1所述的物流非平稳、非高斯振动下产品的加速振动试验方法，其特征在于,步骤S2中所述加速振动试验为通过试验设备施加的实物试验或者为通过数值计算的仿真试验。
8.根据权利要求1所述的物流非平稳、非高斯振动下产品的加速振动试验方法，其特征在于，步骤S2中所述加速振动试验中，第i(i＝1,2,…,n)段近似高斯信号段的实验时间采用下式表示：
其中，Ksr(i)表示第i段近似高斯信号段的加速比例因子，b表示与产品材料相关的常数；表示随机振动信号中第i段近似高斯信号段的时间。
9.根据权利要求8所述的物流非平稳、非高斯振动下产品的加速振动试验方法，其特征在于，试验总时间为：
其中，为非高斯冲击信号段的时间。
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