лостного повреждения) амплитуд. Приведение осуществляют по формуле
'.**,+♦*«,. ПРИxmj>0;
'[ Ха; , При ДЦ, < 0 ,
где у — коэффициент чувствительности к асимметрии цикла нагружения.
Коэффициент чувствительности к асимметрии цикла нагружения для сталей выбирают по ГОСТ 25.504—82. Для других материалов значение коэффициента ф должно быть подтверждено экспериментально или теоретически.
В ряде случаев более удобным является получение однопара-метрических распределений приведенных амплитуд по последовательности амплитуд и средних нагрузок каждого выделенного цикла нагружения ха., хт, бе;з использования корреляционных таблиц.•'•'.,;
! ■ 4. ВЫБОР МЕТОДА СХЕМАТИЗАЦИИ. КРИТЕРИИ ВЫБОРА
Каждый из методов схематизации, изложенных в разд., 3, имеет свои особенности применения в зависимости от характера подлежащего схематизации процесса нагружения. Для обоснованного выбора метода схематизации в пп. 4.1 — 4.7. кратко изложены особенности каждого из 'них.
4.1.При использовании методов экстремумов, максимумов и минимумов (пп. 3.2.1; 3.2.2; 3.2.3) не учитывают отрицательные максимумы и положительные минимумы. Это приводит к заниженному количеству зарегистрированных циклов нагружения по сравнению с количеством циклов, образуемым всеми максимумами, и минимумами процесса. В целом схематизированный процесс по методу экстремумов будет более, повреждающим, чем реальный, поскольку мелкие наложенные циклы нагружения учитывают с завышенной амплитудой, например, амплитуда хапроцесса нагружения, изображенного на черт. 4.%
4.2.Методы максимумов и минимумов дают удовлетворительные результаты для процессов с симметричным относительно средней нагрузки распределением экстремумов.,; '
4.3.При использовании однопараметрцческого метода, разма-хов (п. 3.2.2) не учитывают средние значения какдого выделенного цикла. Поэтому метод может быть использован только для процессов с незначительным изменением среднего значения циклов нагружения или для оценки нагружения элементов машин и конструкций, сопротивление усталости материала. которых зави-
ГОСТ 35.101—»? Стр. 17
сит практически только от переменной составляющей цикла нагружения,','
4.4.Методы размахов как однопараметрический, так и двух-параметрический (п. 3.3.1) приводят к схематизированному процессу менее повреждающему, чем реальный, так как не учитывают циклы с большой амплитудой,! на которые наложены мелкие циклы нагружения.'
4.5.Методы выделения полных циклов (п. 3.3.3) имеют преимущество по сравнению с перечисленными методами* поскольку учитывают как основные, так и наложенные циклы (см. приложение 3).
' 4.6. Все методы схематизации, изложенные в настоящем стандарте, в равной степени применимы к процессам нагружения с коэффициентом нерегулярности х=ч1.
Для меньших значений х возрастает различие в результатах схематизации, полученных с применением разных методов.
4.7, Область применения методов схематизации, изложенных в разд. 3, для процессов нагружения с различными коэффициентами нерегулярности х приведена в табл, 3, Критерием выбора метода схематизации является коэффициент нерегулярности ис-. следуемого процесса нагружения и. v
Та блица 3 Область применения методов схематизации
Метод схематизации
Пункт стандарта
/
ж процесса нагружения
1. Метод пересечения
границ
классов
2.2.2
0,8<х<1,0
2. Метод экстремумов
V
3.2.1
0,5ое«1,0
3. Метод максимумов
3.2.2
0,5<х<1,0
4. Метод минимумов
, 3.2.3
0,5«х«1,0
5. Однопараметрический
метод
размахов
3.2.4
0,8<х<1,0
6. Двухпараметрический
метод
размахов ■
3.3.1
0,5<х«1,0
7. Методы выделения полных
циклов
3.3.3
0 <х<1,0
1 . *
5. СТАТИСТИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ СХЕМАТИЗАЦИИ
■ ■ . .'
•5.1.Функции распределения Для оценки нагруженности и сопротивления усталости эле^ ментов мащин и конструкций используют следующие функции распределения:
F(xs )—сглаженная эмпирическая функция распределения;
f(xs )—эмпирическая функция плотности распределения. Перечисленные функции распределения могут строиться для амплитуд ха, приведенных амплитуд,, размахов а, максимумов xmtxи минимумов хШпвыделенных циклов. Функции распределения представляют в виде таблиц с числом интервалов" т. Ширину интервала группирования случайной величины принимают равной или кратной ширине класса Л. В таблицах распределений h(xs) и H(xs) указывают в циклах или полуциклах полученные частоты распределения. Примеры построения рядов распределений, графическая интерпретация функции F3 (xs) и функции плотности распределения f3 (xs) приведены в справочном приложении 4.
5.2. Расчетстатистическ их характеристик распределений
Расчет статистических параметров распределений случайных величин, полученных в результате схематизации, производят по формулам: среднее выборочное значение случайной величиныi
т
xs= -^--------- ;(14)
i=l.\
выборочная дисперсия
т
#-
-------—---------- : (15)
( gj ***)+!.
выборочное среднее квадратическое отклонение
^S^ + VW:
коэффициент, вариации
, vs=-£*-■№%,
xs
где hsk— значение h(xs) в &-ом интервале.
(16) (17)
ГОСТ 15.101— 83 Стр. 19
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Обязательное
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В СТАНДАРТЕ
x(t) — функция, описывающая реализацию случайного процесса нагруженйя; t — время;,
I б — длительность периода работы машины или конструкции, соответствующая одному блоку нагруженйя, измеряемая в часах работы, километрах пробега, количестве полетов и т. п.; пэ— количество экстремумов в процессе нагруженйя; о,max — диапазон изменения нагрузок процесса; • ^min —абсолютный минимум процесса нагруженйя; ^гаах — абсолютный максимум процесса нагруженйя; Д — ширина класса; I — номер класса, i=l, 2,..., m; я» — количество классов или интервалов; •« — среднее арифметическое значение процесса нагруженйя (средняя
нагрузка); ix—класс средней нагрузки; *5о — медиана экстремумов процесса нагруженйя; ixl0—класс нагрузки, соответствующий медиане экстремумов;
'о —класс, в котором располагается значение нагрузки, равное нулю; Fmax — наибольшая частота процесса нагруженйя; t ф — длительность одного фрагмента, при, определении Fmax! Д< — интервал дискретизации процесса нагруженйя по времени; xi —ордината процесса нагруженйя, получаемая при дискретизации; S8 — дисперсия нагрузок процесса нагруженйя;
S — среднее квадратическое отклонение нагрузок процесса нагруженйя; 1 % — коэффициент нерегулярности;
щ — число пересечений процессом уровня средней нагрузки; xs— значение нагрузок схематизированного процесса. Под xs- подразумевается одна из характеристик выделенных циклов: ха, Хщ > *max> *mln > xnp'i ха. —амплитуда схематизированного процесса;
aj — размах схематизированного процесса; #пр/ — амплитуда схематизированного процесса, приведенная к сим-метричному циклу;''
Hxs) —распределение частот повторения д;^ ; х 3— экстремум процесса нагруженйя;
-*min .— минимальное значение нагрузки в у'-м цикле нагруженйя;
-«max —максимальное значение нагрузки в /-м цикле нагруженйя;
хт—среднее значение нагрузки в /-м цикле нагруженйя;
ixmn — номер интервала корреляционной таблицы, в который попадает максимум;
Стр. 20 ГОСТ IJ.101—13
ixmia— номер интервала корреляционной таблицы, в который попадает
минимум; 1Хл—номер интервала корреляционной таблицы, в который попадает
амплитуда;i■ » •-
ixm — номер интервала корреляционной таблицы, в который попадает среднее значение цикла;'
* — коэффициент чувствительности к асимметрии цикла нагружёвдЫ; H(xs ) — распределение накопленных частот повторения xs; Fa (xs ) — эмпирическая функция распределения xs;
F(xs у— сглаженная эмпирическая функция распределения xs; .! f(xs)— эмпирическая функция плотности распределения xt; hsk, Hsk. — значения функций А (х s), Я (х, ), F» (xs), F {хs), / (хs } соот-Fak. Fk • fsk ветственно в интервале k;
i xs—выборочное среднее значение нагрузки xs; S2S— выборочная дисперсия нагрузок xs;
S s—«выборочное среднее квадратическое отклонение xs; vs—коэффициент вариации; hBi —число пересечений верхней границы i-то класса; Xosit — верхняя граница й-го интервала нагрузок схематизированного
. процесса; ■• Xusk— нижняя граница fc-го интервала нагрузок схематизированного-
процесса; x'sk—середина k-то интервала нагрузЬк схематизированного процесса; ve — общее число циклов в блоке нагружения; е —деформация.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Справочное
МЕТОД | ПЕРЕСЕЧЕНИЙ ДЛЯ СХЕМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ НАГРУЖЕНИЯ
Для числа пересечений отдельных уровней to числа максимумов и минимумов в классе i справедливо соотношение
I Ац< — Лм-1 I = 1 ft(*max, )— Цхт{П{) | ,(J)i
где hBi — число пересечений верхней границы 1-го класса восходящими ил» нисходящими ветвями процесса. Для того, чтобы воспользоваться уравнением (1), принимают следующие-допущения: ■',..'■-.'.,
Ч*ттс).=0, если »<Ц0 A(*min( ) = 0, если i>iXsQ.
(2)
Зная распределения hBi с использованием соотношений (1) и (2),- строят распределение fc(*max) и h(xm[a), используя для выделения амплитуд принцип метода экстремумов (п. 32.1), и на основании распределения ft(xmax) и h(xmin} строят распределение амплитуд h(xh)
ГОСТ 25.101—И Стр. 21
Чха{ )"Hxmtaix -t )+Ч*тшцх +t )
(3)
Экстремумы, попадающие в класс ix, не учитывают при построении распределения h{xa), так, как для них амплитуда меньше половины ширины клас^ са Д.-'.:■... •
Для процесса, изображенного на чертеже, распределения Ты, Цхтп), ■ n(Xtata) и ft(*•) приведены в таблице.
Схематизация процесса нагружения по методу пересечений
Для процесса, изображенного на черт. 1, коэффициент нерегулярности х=0Д Для процессов, имеющих такой коэффициент нерегулярности, допускается при- " менять любой из изложенных методов схематизации (см. табл. 3 настоящего стандарта).
В таблице приведены, распределения, полученные при однопараметрической схематизации процесса разными методами. На черт. 2 приведена графическая интерпретация распределений. Следует отметить, что для данного процесса имеет место небольшое расхождение, результатов схематизации' по разным методам.
Распределения амплитуд, полученных по разным методам схематизации
к
•
2,
3
4
5
6
7
8
Метод экстремумов
ЩхЛ « FA*,)
9
9
0,181
• 12 21 0,436
9
30 0,628
7
37
0,777
4
41
0,862
3
44
0,925
1
45
0,947
2
47
0,989
Метод пересечений
hlxs) H(xs) F9(xs)
9
9
0,236
8
17
0,458
6
23
0,625
5
28
0,764
, 3
31
0,847
2
33
0,903
2 35
0,958
1
36
0,986-
Метод размахов
h(xs) H(xs) F9(xs)
19
19
0,314
23
42
0,703
15
57
0,958
I
58
0,974
1
59
0,9915
—
—
—
Метод «дождя»
H{xs) Fsixs)
31
31
0,517
12
43
0,720
7
50
0,839
50 0,839
5
55
0,924
2
57
0,958
1
58
0,974
1 59 0,991
I Примечание. Распределения h(xs) и H(xs) приведены для полуциклов.
ГОСТ ».1(И-43 Стр. 23
Черт. 1
Ffxj.%
99 98
95 90
SO,
60 kO
20
' •
0t'3€
1—-А
J?
L^\
^^1
<
» ^
isz30
\^0>*?2£Z'A
A >^-
у^^^^
>^^
к ^-^
"i *
^^\L^^
\]frv»
v«-=»
.jr\yiZ^
^-^^
\4 ^
•'
УУ
у
/Г-
/—метод размахов; 2—метод «дождя»; 3— метод экстремумов; 4— метод пересечений
Черт. 2
Стр. 24 ГОСТ И.101г-вЗ
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Справочное
ПРИМЕРЫ СТАТИСТИЧЕСКОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ . . СХЕМАТИЗАЦИИ
i. Распределение частот повторений
Функция A (xs) представлена в-табл. 1..
i
/
Таблица I
k
, Г
2
/
3
*
5
*Л
(0т1)А 0.5Д 13
(1т2)Д 1,'бД 3
(2т-3)Д
2,5Д
1
(3^4)Д
3.5Д
2
(4+5)Д 4,5Д
Продолжение табл. t
к
' 6
7
8
9
10
xvsk~txnsk
л*4
(5-f6);A, 5.5Д • 1
(6+7) Д 6.5Д 1
(7г8)Д 7,5Д '
(8+9)Д
8.5Д
2
1
(9+10)Д , 9.5Д 1
В первой строке таблицы указывают нймера интервалов k;,so второй — границы интервалов: х^м'— верхняя граница, xBSk ~ нижняя граница А-го интервала; в третьей строке — середины интервалов — xsk; в четвертой — частоты попадания случайной величины в А-ый интервал — ft",* . Если случайна» величина попадает на границу интервала, суммирование осуществляют в интервале с большим номером., ■
Табл. 1 заполнена для амплитуд полуцикла процесса иагружения, изображенного Hai черт. 10 настоящего стандарта при схематизации по методу «дождя». Величины интервалов и классов совпадают.
1. Распределение накопленных частот повторений
Щх, )
Вычисление функции H(xs) по данным табл. 1 представлено в Накопленные частоты вычисляют по формуле. • '
табл. 2.
HSk
к
2 *.
*—1
(1)
ГОСТ 35.101—83 Стр. 2S
Общее число циклов-в блоке ve вычисляется по формуле
т
, i; ж—у
и составляет 24 цикла (по данным табл. 2).
(2)
Таблица2
Функция накопленных частот
ft
1
2
3
4
s
в
7
8
9
10
xsk
0,5
1,5
2,5
3,5
*;5
5,6
6,5
'7,5
8,5
9,5
и*
13
16
17
19
19
20
21
21
23
24
3. Эмпирическая функция распределения F9(xs )
Функция F3 (xs) по тем же цифровым данным представлена в табл. 3. Значение функции Fa (xs) определяет отнрсительную частоту события ks<XS- Для вычисления F9* используют формулу
^э*= '------^--------- . (3)
,Та б лица 3
Вычисление эмпирической функции распределения Fa (x )
k
1
2
3
4
б
в
7
i
1
8
9
10
г
xsk F9*
i
0,5Д 0,5210
1,5А 0,6460
2,5Д 0,6870
3,5А 0,7710
4,5Д 0,7710
5.5Д 0,8120
6,5Д 0,8540
7.5Д 0,8540
8,5Д 0,9370
9,5Д 0,9792
По эмпирической функции распределения с использованием методов математической Статистики (ГОСТ 11.006—74), при необходимости, производят подбор теоретического закона распределения.
4. Сглаженная амлирическая функция распределения F(xs ), эмпирическая функция плотности распределения f(xs )
Построение F(xs) показано на чертеже. На нормальную вероятностную бумагу наносят точки (xsn, F9k) из табл. 3, которые затем соединяют плавной кривой линией, изображающей функцию F(xs). Значения F(xs) приведены в табл. 4. В табл. 4 приведены значения функции плотности распределения f(xs), которую строят как ступенчатую аппроксимацию функции F(xs).
(4)
I*- {Fk- Fk_x)
Стр. 26 ГОСТ.25.101— 83
Таблица 4 Сглаженная функция распределения F(xs) и функция плотности f(xs)
к
1
2
3
4
5 •
6
7
8
9
10
x'sk fak
(С5Д 0,5210 0,5210
1.5Д 0,6064 0,0854
2.5Д 0,6627 0,0563
3,5Д 0,7257 0,0630
4.5Д 0,7710 0,0453
5.5Д 0,8023 0,0313
6,5Д 0,8340 0,0317
7.5Д 8.5Д 0,88500,9370 0,0510 0,0520
9.5Д 0,9790 0,0420
Функция распределения F(xs),
представленная на нормальной
вероятностной бумаге
Р.% '97,5
'95 90
10
10
60 50
•'
л
1
■
-
/
-
н
кх'
-
■S
У Л
V
У
0,515»,56,58.5 k's/A
Н—функция F3(* ), О —Функция-f (ж.)
ГОСТ 25.101—83 Стр. 27
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 Справочное
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СТАНДАРТА
Настоящий стандарт разработан на основе стандартов ГДР (12) и СССР (1, 2), а также с учетом новых разработок и опыта промышленности двух стран (3—11, 13—15). Стандарт является, унифицированным стандартом ГДР и СССР.
, Рекомендация длительности реализации, как содержащей не менее 1000 экстремумов, основана на опыте ряда отраслей промышленности в СССР и согласуется с соответствующей рекомендацией ГДР, как обеспечивающей надлежащую. точность оценок параметров функций распределения амплитуд напряжений.
Из многочисленных известных методов схематизации случайных процессов в стандарте основное внимание уделено группе методов, основанных на выделении полных циклов, а именно, методу полных циклов и методу «дождя». Эти методы дают практически одинаковые результаты и по мнению большинства специалистов являются наиболее обоснованными.
Если метод экстремумов приводит к схематизированному процессу более повреждающему, чем реальный, метод размахов — к менее повреждающему, то методы полных циклов и «дождя» занимают промежуточное положение и " дают расчетные оценки долговечности, более соответствующие экспериментальным данным.
Сущность методов заключается в том, что меньшие циклы рассматривают как наложенные на плавный ход нагрузки в одном направлении. На чертеже иллюстрируется явление наложения циклов.
Для наглядности зависимость «напряжение — деформация» показана непропорциональной. Данный фрагмент образует две замкнутые петли гистерезиса или два цикла. Цикл 2—3—2 наложен на цикл с' большей амплитудой 1^-4—5. В свою; очередь цикл 2—4—5 может быть наложен на еще больший цикл. . ' Особенность методов такова, что как бы далеко не располагались в реализации Хтахи Xmin. наибольший размах аШах будет выделен.
Наложение циклов
а—фрагмент процесса нагружения; б—диаграмма «напряжение—деформация»
Стр. 28 ГОСТ M.W—Ц
При приведении асимметричных циклов к симметричным используется коэффициент влияния асимметрии цикла $„ ■ В стандарте ГДР рекомендовалось для всех случаев принимать ^„«=0,33. Однако, как показывают опытные дан-ные\для сварных и болтовых соединений, для других деталей с резкой концентрацией напряжений это значение является завышенным. Поэтому в настоящем стандарте рекомендовано принимать \|50 по рекомендации ГОСТ 25.504—82 для стальных деталей и по соответствующим справочникам для других материалов.
Выбор метода схематизации производят по величине коэффициента нерегулярности х, равного отношению числа нулей процесса к <исяу экстремумов. Для процессов простой структуры, для которых х**1, все Методы схематизации приводят практически к одинаковым результатам, поэтому для использования может быть рекомендован любой из них.
Для процессов сложной структуры, для которых х<^1, рекомендуются методы полных циклов или «дождя>, как обеспечивающие наиболее достоверную оценку уровня нагруженное™.',
ГОСТ2t-101—*3 Стр. 29 '','•■ Литература
1.ГОСТ 23207—78 «Сопротивление усталости. Основные термины, определений и обозначения».'
2.ГОСТ 23604—79 «Надежность в технике. Статистическая оценка нагруженное™ машин и механизмов. Методы обработки данных о нагруЖенности. Общие положения».
3.К о га ев В. П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени. М., Машиностроение, 1977, 232 с.
4.Дмитриченко С. С, Полёв В. А., Боровик А. П. Автоматизация расчета на ЭВМ долговечности элементов машин при случайном нагруже-нйи. «Вестник машиностроения», №Д, 1982, стр. .7—11.
5.ТрофимовО. Ф;, Злобин Б. Н. Статистический анализ измерений случайной нагр'уженности для оценки накопления усталостных повреждений. «Вестник машиностроения», № 10, 1969, стр. 3-*ё.
6.К. Н. В 6 h m е. Beansprachtmgskollektlve end ihre Erwartenswahrschein-Hchkeit als Grundlage zur Berechmmg der Ausfaflwahrscheinlichkeit von Baute-ilen. «JFL— Mitteilungen», H. 1/2, 1976..'.
7.F. Pfeiffer. Uiitersuchungen zurrt EinfluB regelloser Beanspruchungs-folgen auf die Bauteifermfldung «JFL—Mitteilungen», H, 1/2, 1976.
8. J. D a t h e, B. M e i s e 1 und W. W e у g a n d t." Die Schadigungsgrenze bei Kollektivbeanspruchung und ihre Berflcksichtigung beim experimentellen Betriebsfestigkejtsnachweis. «JFL—Mitteilungen», H. 1/2, 1976.
9. F. Pfeiffer <und K- Frintert. Zangzeitklassiergerut zur Ermitt-lung von reprasentativen Belastungskollektiven. «JFL—Mitteilungen», H. 1/2, 1976.
10.DDR—Standard TGL 36766. Schwingfestigkeit Ermu$ungsprflfung von Werkstoffproben.
H.Hanel, G. Wirthgen. Die Berechmmg der Dauerfestigkeit nach dem verfahren von Kogaev und Serensen. «JFL—Mitteilungen», H. 3, 1981. ■
13.FrankLange und FritzPfeiffer. Statistisches Verfahren zur Auswertung von Betriebsbeanspruchungen auf der Basis der Bewertung Igeschlossener Hystereseschleifen («Raitf-Flow») «IFL—MITT» (21), 1982, N1.