(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111410973.9 (22)申请日 2021.11.25 (71)申请人 南京林业大 学 地址 210037 江苏省南京市玄武区龙蟠路 159号 (72)发明人 孙嵩松　侯宇　龚小林　 (74)专利代理 机构 南京灿烂知识产权代理有限 公司 323 56 代理人 吴亚 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/25(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) G06F 119/02(2020.01)G06F 119/04(2020.01) (54)发明名称 一种曲轴加速疲劳试验的方法 (57)摘要 本发明公开一种曲轴加速疲劳试验的方法， 包括建立曲轴裂纹深度随循环次数变化的经验 模型、 对建立的经验模型优化， 获得曲轴剩余寿 命预测模型的递推公式， 建立曲轴剩余寿命预测 的状态转移方程和观测方程， 基于建立的曲轴剩 余寿命预测的状态转移方程和观测方程作为现 验数据， 采用粒子滤波算法对曲轴疲劳寿命进行 预测等步骤， 本发明在确定曲轴疲劳破坏裂纹阈 值的基础上， 基于时间序列分析方法， 曲轴的弯 曲剩余疲劳寿命 预测模型， 并基于多组试验数据 对预测结果进行试验验证， 与实际数据得到的疲 劳极限载荷进行对比， 在曲轴失效之前就可以对 其剩余寿命进行准确预测， 可以达到加速的效 果， 缩短曲轴疲劳试验的时间。 权利要求书3页 说明书18页 附图9页 CN 114091203 A 2022.02.25 CN 114091203 A 1.一种曲轴加速疲劳试验的方法， 其特 征在于， 包括： S1、 建立曲轴裂纹深度随循环次数变化的经验 模型： y＝a  exp(bx)+c  exp(dx)； S2、 对建立的经验模型优 化， 获得曲轴剩余寿命预测模型的递推公式： yk＝yk‑1·exp(b) +c·exp[d(k‑1)][1‑exp(b‑d)]+uk,uk～N(0, σw)， 其中， yk为曲轴在一定的弯矩作用下第k次循环的裂纹的深度； b、 c、 d为曲轴剩余寿命改 进模型的参数； uk为过程噪声， 满足均值 为0、 方差为σw的标准正态分布； S3、 建立曲轴剩余寿命预测的状态转移方程和观测方程， 其中， 状态转移方程为曲轴剩 余寿命预测模型的递推公式， 观测方程 为： 其中： 为在一定的弯 矩作用下第k次循环时观测到的曲轴的裂纹深度； vk为观测噪声， 满足均值 为0、 方差为σw的标准正态分布； S4、 基于建立的曲轴剩余寿命预测的状态转移方程和观测方程作为现验数据， 采用粒 子滤波算法对曲轴疲劳寿命进行 预测。 2.根据权利要求1所述的一种曲轴加速疲劳试验的方法， 其特征在于， 建立曲轴裂纹深 度随循环次数变化的经验 模型： y＝aexp(bx)+cexp(dx)的具体步骤如下： S101、 获取曲轴裂纹深度随循环次数的增 加而增加的试验数据； S102、 对获得的试验数据进行非线性拟合， 得到非线性 函数； S103、 依据曲轴的裂纹深度随循环次数增加变化规律拟合误差最小的原则对比不同的 拟合公式得到的结果， 选择双指数 经验模型。 3.根据权利要求2所述的一种曲轴加速疲劳试验的方法， 其特征在于， 所述步骤S103 中， 依据曲轴的裂纹深度随循环次数增加变化规律拟合误差最小的原则对比不同的拟合 公 式得到的结果具体如下： 引入拟合优度值R2和方均根误差RMSE对各个模型拟合试验数据优 劣程度进行评判， R2取值范围为[0,1]， R2越接近于1则拟合效果越好， 反之R2靠近0则模 型匹 配度不理想， RMSE值越小表示模型拟合效果越好， R2与RMSE的计算公式如下： 其中， yi代表第i个原始数据点， 为原始数据平均值， 为模型计算值， n为原始数据点 数量。 4.根据权利要求1所述的一种曲轴加速疲劳试验的方法， 其特征在于， 所述步骤S4中， 基于建立的曲轴剩余寿命预测的状态转移方程和观测方程作为现验数据， 采用粒子滤波算 法对曲轴疲劳寿命进行 预测的具体步骤如下： S401、 初始状态 设置初始化迭代次数t＝0， 粒子数目N以及算法中所涉及的各种参数值， 用大量的粒子 模拟x(t)， 粒子在 空间里面均匀的分布， 并将粒子群中的所有粒子初始权重值均设置为1/ N；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114091203 A 2S402、 预测状态 从已知的过程噪声ωt中采样得到N个噪声粒子， 根据状态转移方程式计算下一次迭代 时粒子位置的预测值 式中， xk表示系统当前时刻的状态值， yk表示系统当前的观测值， f( ·)代表状态转移函 数， 表征前一时刻和现在时刻状态之间的函数关系， h( ·)代表观测函数， uk代表系统的过 程噪声， vk代表系统的观测噪声； S403、 重要性采样 设置迭代次数t＝t+1， 从重要性密度函数 中进行随机采样粒子群集， 使用 表示； S404、 校正阶段 计算各粒子的权 重值， 对预测粒子进行权 重评估， 计算粒子集中的所有粒子的权 重值 S405、 权值归一 化 进行权值归一 化， S406、 重采样 计算有效粒子数Neff， 设置门限值Nth， 当且仅当Neff<Nth时， 对 进行重采 样， 并将权 重设置为1/N； S407、 状态输出 进行状态输出； S408、 迭代是否结束 判断是否结束， 如果结束则退 出， 否则转向第S3 02步。 5.根据权利要求3所述的一种曲轴加速疲劳试验的方法， 其特征在于， 在获取曲轴裂纹 深度随循环次数的增加而增加的试验数据后， 所述步骤S101中， 还包括对获取的试验数据 进行处理加工， 把前面一部 分曲轴裂纹萌生的曲轴裂纹深度和对应的循环次数的数据舍弃 掉。 6.根据权利要求3所述的一种曲轴加速疲劳试验的方法， 其特征在于， 所述步骤S101 中， 获取曲轴裂纹深度随循环次数 的增加而增加的试验数据的具体步骤如下： 曲轴疲劳试 验台加载强化载荷对曲轴进行循环， 计算 其失效时的循环次数。 7.根据权利要求4所述的一种曲轴加速疲劳试验的方法， 其特征在于， 所述步骤S304 中， 有效粒子数Neff采用如下计算公式计算：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114091203 A 3