雨流計數法誤差詳析方法的提出及實例研究

陳 晶，金永興，肖英杰，毛奇凰，吳華鋒

（上海海事大學 商船學院，上海 201306）

雨流計數法誤差詳析方法的提出及實例研究

陳 晶，金永興，肖英杰，毛奇凰，吳華鋒

（上海海事大學 商船學院，上海 201306）

文章依據頻譜分析以及應變能量原理，對雨流計數法的系統誤差進行定量分析。并結合集裝箱船的現場采樣數據，提供給業界一種定量計算雨流計數法誤差的方法，可在進行結構疲勞計算時，根據應力曲線的定量特征和工程精度要求，來確定是否適合選用雨流計數法進行計算。

位錯；雨流計數法；應變能；載荷頻譜

1 引 言

金屬構件的疲勞，源自金屬結構內局部范圍反復形變產生的塑性應變。這些結構在使用中所出現的應力歷程十分復雜，主要是由于交變載荷產生的應變能，造成與加劇受力點在微觀結構上的位錯。位錯反復累積，一定程度之后，越發呈現宏觀裂紋。裂紋繼續擴展，最終導致結構失效。實測可知，這種結構的應力時間歷程符合隨機寬帶過程，可采用循環計數法，統計出全部歷程中各種幅值的應力循環次數。在各種計數法中，雨流計數法的原理與材料疲勞損傷機理吻合較好，在業界被視作復雜載荷歷

程中損傷計算的首選方法。雨流計數法又可稱為塔頂法，最早由英國的Matsuiski和Endo兩位工程師提出，在疲勞壽命計算中運用非常廣泛[1-4]。算法的操作過程，是把“載荷—時間”歷程數據記錄轉過90°，時間坐標軸豎直向下，數據記錄猶如一系列屋頂檐面，應力往復幅值與次數的統計過程類似于雨水順其而下的畫面，故稱為雨流計數法。

雨流計數法的優勢在于：該方法對載荷的時間歷程進行計數的過程反映了材料的記憶特性，具有明確的力學概念，與結構疲勞理論較為契合；同時算法流程簡便，廣泛適用于工程領域的疲勞計算。但該法在精度上存在顯著局限：應力采樣歷程曲線在計數之前，須做簡化（鋸齒化）預處理。預處理過程將采樣曲線簡化為折線段，舍棄復雜的折曲細節。如果不做預處理，則無法確保計數過程正常進行。尤其對于能量譜分布較寬的海浪載荷，簡化處理將丟失掉諸多不應忽視的應變能量，導致某些場合計算誤差顯著。

關于雨流計數法在精度等方面的局限，文獻[1-5]等有定性闡釋，其中文獻[3]、[5]在定性闡釋后，對其進行了一定程度的改進，但依然無法回避簡化預處理過程中造成的系統誤差。至于簡化預處理過程中造成誤差的信號學原理，學界及工程界目前幾乎沒有進行過系統的定量分析。就此，本文展開兩部分工作：

（1）依據頻譜分析以及應變能量原理，對雨流計數法的誤差進行誤差的定量分析[6]；

（2）結合實體集裝箱船采樣數據，得到精確的定量分析結果以及雨流計數法的實際工程誤差情況，以此例提供給業界一種定量的計數法誤差分析方法，可在進行結構疲勞計算時，根據應力曲線的定量特征和工程精度要求，來確定是否適合選用雨流計數法進行計算。

2 雨流計數法誤差詳析方法的提出

基于傅里葉頻譜分析以及應變能量原理，對不同應力載荷在離散采樣過程中形成的誤差，提出一套理論相對較完備的誤差詳析方法。

實際工程中的各類載荷采樣曲線均為離散時間序列采樣。對于較高精度的采樣序列，可以較為準確地反映載荷曲線的基波波形以及各階諧波。而雨流計數法將忽略掉任意相鄰兩極值點間的所有中間采樣點。如圖1所示，設X（ k- 1 ）與X（k）是某相鄰兩極值點，兩點間的實際載荷曲線有諸多可能。圖1中左圖為單一拐點、駐點（凸性改變）情況的曲線簇，右圖為無拐點、駐點（凸性不變）情況的曲線簇，另外還有存在多個拐點、駐點（凸性多次改變）的特殊情況。

圖1 采樣歷程中兩極值點間應力變化曲線的各類可能情況（左圖為有拐點、駐點情況，右圖為無拐點、駐點情況）Fig.1 Various possible stress curves between two extreme points in the sampling history(Left:situation with Inflection and Stagnation points,Right:situation with no Inflection and Stagnation points)

而動載荷疲勞理論研究存在兩處關鍵：（1）動載荷的變化范圍與變化中心（動載荷的期望值）；（2）動載荷變化速率的分布情況（以dσ/dt表示）。以上兩個因素對結構體局部位錯嚴重程度都將產生直接影響。鑒于以上考察指標，圖1所示的兩點之間，不同類型的曲線將導致動載荷的期望值以及變化速率dσ/dt的時序分布發生差異很大，所對應的結構疲勞損耗也各不相同。兩相鄰極值點間隔時間越大，不同類型載荷曲線對結構體影響的差異也越大。但依據計數法要求，中間若干非極值點均被忽略掉，換以直線代替，不同的載荷曲線均簡化為同一條直線段，從而得到完全相同的應力集中點疲勞損耗數值，勢必引起不可忽略的計算誤差。在各種極端曲線情況下，誤差在結果數值中的占比將高到無法忽視的程度。

為了便于更加直接、量化地呈現曲線簡化處理后的誤差情況，基于對圖1的分析，下面采取由圖1中兩點之間四種有代表性的曲線形式組成的四組不同的曲線序列為例（如圖1所示），分析計數法在原理上存在的誤差。為使分析過程簡潔清晰，四組波形有統一的設定：（1）載荷作用點結構類型相同，疲勞損耗過程滿足W型S-N疲勞曲線[8]；（2）載荷范圍相同，均為25-85 N/mm2；（3）載荷波形為嚴格周期函數，周期T均為3S，采樣時間均為4個完整周期；（4）計算與繪制載荷頻譜時，傅氏變換的時域窗口寬度均為3S，與載荷周期一致，以使傅氏載荷譜無能量泄漏的問題；（5）波形圖中點劃線為交變載荷的期望值，虛線為雨流計數法的簡化歷程。

四組波形圖如圖2所示。

圖2 四類交變載荷序列Fig.2 Four types of alternating load sequence

（a）簡諧震蕩（正弦）式交變載荷

簡諧震蕩式交變載荷是最常用于應力測試的交變載荷形式，也是最貼近船舶行駛中受海浪施加于船體的交變載荷形式（實際海浪波形可拆解為一系列兩兩正交的簡諧震蕩波）。本文中曲線具體采用表達式 30·sin（ 2πx/3+ ）θ，波形如圖 2（a）所示。

該交變載荷的特點是：載荷的期望值線為載荷數值分布的幾何中心，交變能量圍繞期望值呈現對稱分布，載荷的交變速率亦遵從正弦交變規律，即載荷的交變不但存在一定的速率，還存在加速度（且加速度亦隨時間交變），即載荷對受力對象的施加方式在不斷地改變，對受力對象微觀結構的影響是最不容忽視的。

該載荷歷程的傅氏載荷譜如圖3（a）所示。該載荷頻譜圖像定量顯示了簡諧波式交變載荷的應變能密集程度，幾乎全部能量都集中在基頻（1倍頻）處（實際操作中由于數值計算的誤差，有極少能量散落在其他頻段）。應變能的集中性使同等能量下載荷的交變幅度達到理論最大值（60 N/mm2）。應變能產生的致損功率經過定量計算得到為8 879 kW（參數k=Aσ2l·ΔT/2ET，其中E為楊氏模量，ΔT為采樣周期，T為波形周期，A為受力面積，σ為交變應力幅值，l為受力體靜載時尺寸）。

圖3 四類交變載荷頻譜圖Fig.3 Four types of alternating load spectrogram

依據S-N曲線中W型應力集中點受力公式，得到該段載荷序列對該受力點造成的積損程度為千萬分之23.69，即該受力點在結構失效前總共可承受此交變載荷約1 407小時（具體計算公式詳見《船體結構疲勞強度指南》[8]）。

（b）雙邊尖脈沖式交變載荷

此類交變載荷在實際工況中也時有出現。 本文曲線由表達式±60·［4（ x - θ ）/3 ］3組合而成，波形如圖2（b）所示。與簡諧震蕩類似的是，載荷的期望值線為載荷數值分布的幾何中心，交變能量圍繞期望值呈現對稱分布。但該交變載荷也存在獨特的規律：載荷數值在多數時間相對平穩，并按一定頻次在兩個方向交替出現近似的尖脈沖；交變速率dS/dt以及加速度在多數時間相對較小，同時也按一定頻次出現脈沖式變化；交變載荷在交變范圍上下限附近停留時間很短。

該載荷歷程的傅氏載荷譜如圖3（b）所示。由于該類載荷波形與正弦波形存在差異，在做波形的傅氏正交變換后，可知載荷的能量并非集中在一個頻段，而是明顯地散落到奇數倍頻段里，能量相對集中的基頻的載荷交變幅值僅為29 N/mm2，應變能經過定量計算為2 926 kW，顯著低于簡諧震蕩式載荷。

由于S-N曲線的對數線性關系，這種影響的差異又會顯著放大，即受力點可承受該類載荷的交變總次數將遠遠超過上一種形式的兩倍。通過定量計算，得到該段載荷序列對該受力點造成的疲勞積損程度為千萬分之2.75，即該受力點在結構失效前總共可承受此交變載荷約12 121小時。

（c）單邊尖脈沖式交變載荷

單邊尖脈沖式交變載荷是另一種常見的脈沖式載荷。本文中曲線具體由半圓表達式20·（9-（tθ ）2）1/2組合而成，波形如圖2（c）所示。與前兩者顯著不同的是，載荷序列的交變情況呈現非對稱分布，不存在幾何中心，期望值線靠近曲線較平緩的一端，交變能量也隨之呈現非對稱分布。載荷數值在多數時間相對平穩，并按一定頻次在某個方向出現近似的尖脈沖；交變速率dS/dt以及加速度在多數時間相對較小，同時也按一定頻次出現脈沖式變化，在載荷交變幅度相同的前提下，交變速率與加速度的變化幅度顯著高于雙邊脈沖；交變載荷在交變范圍極限附近停留時間很短。

該載荷歷程的傅氏載荷譜如圖3（c）所示，此類載荷的能量亦十分分散。能量相對集中的基頻的載荷交變幅度為34 N/mm2，略高于雙邊脈沖形式。應變能的致損功率經計算為2 362 kW，同時該段載荷序列對該受力點造成的疲勞積損程度為千萬分之4.20，即該受力點在結構失效前總共可承受此交變載荷約7 937小時。

（d）鋸齒波式交變載荷

此類交變載荷正是雨流計數法對實際載荷曲線簡化后的常見形式。本文中曲線具體采用表達式30·（±t- θ ）組合而成，波形如圖2（b）所示。 載荷的交變數值分布對稱，存在幾何中心，期望值在幾何中心，交變能量圍繞期望值分布對稱。交變速率dS/dt恒定（無交變加速度），交變載荷在交變范圍上下限附近停留時間較短。

該載荷歷程的傅氏載荷譜如圖3（d）所示。此類載荷與簡諧震蕩式的幾何差異較小，能量亦較集中。能量集中的基頻的載荷交變幅度為49 N/mm2。應變能產生的致損功率經過定量計算得到為6 120 kW，同時該段載荷序列對該受力點造成的疲勞積損程度為千萬分之12.71，即該受力點在結構失效前總共可承受此交變載荷約2 623小時。

如表1所示，四種典型的載荷形式，交變范圍與周期均相同，而載荷交變速率、應變能、載荷期望值與載荷譜等情況差異顯著，精確計算得出的單位時間的積損差異亦較大。但是依照雨流計數法，則將上述四類曲線統一簡化為第四類，并通過計數得到與簡諧震蕩式載荷相同的積損結果。如果工況中的載荷采樣接近第二類形式，計算結果的誤差可能高達數倍。通過繪制頻譜圖及計算交變載荷的應變能，可得到使用雨流計數法而造成誤差的具體數值。下節中以實際運行的集裝箱船所受應力數據為例，探討雨流計數法的可能存在的實際誤差。

表1 四類交變載荷分析結果對比Tab.1 Analysis results and contradistinction of four types

圖4 育鋒輪應力載荷采樣點布局Fig.4 The layout of the stress load sampling points of YU FENG

3 實船應力集中點采樣分析

與陸上載運工具有所不同，船體結構承受的應力載荷周期和交變幅值都較大，應力采樣系統有較大余力采入載荷波形的細節。以上特點使雨流計數法的精度局限十分凸顯，適宜對其誤差做定量分析。

本節以上海海事大學校船“育鋒輪”實際航行中所測數據為例，以實驗數據探討雨流計數法的誤差。采樣點為“育鋒輪”船舯左舷S6點，如圖4所示。

抽取S6點在某夏季航次中的持續時長為30.6S、采樣點為36個、采樣周期為0.85S的一段載荷序列，如圖所示。圖中虛線部分即該點在航行中某時段所承受的應力載荷序列，而實線部分為雨流計數法進行簡化處理后的序列。

圖5 S6點載荷采樣與載荷頻譜圖Fig.5 Sampling curve and spectrogram of load on S6

依照前節所述的詳析方法，計算得到S6點的積損為千萬分之31.30（傅氏載荷頻譜經過相位及屏寬補償）。采用雨流計數法將序列中的大小循環提取出來并算出每個循環單獨對應的疲勞積損（詳見表2），求和得到結果為千萬分之35.51，誤差值為千萬分之4.21，計算誤差率為+4.21/31.30=+13.45%。由此可見，由于計數法存在的系統誤差，導致計算結果的偏差較為顯著。

表2 實測數據計算結果對比Tab.2 Calculated results and contradistinction of real data

4 結 論

綜上所述，可以得出雨流計數法計算過程中出現系統誤差的原因主要有以下三點：

（1）相同交變范圍的前提下，對應的應變能可能會有較大差異，不同大小的應變能導致結構體的位錯程度各不相同，但經過雨流計數法的簡化預處理后，應變能均相同，且等于鋸齒波的應變能；

（2）載荷曲線經過簡化處理，造成曲線基本形狀在細節上的信息丟失。在相鄰的兩個極值點之間，曲線的形狀均被簡化為交變速率dσ/dt恒定的直線段，結構體所受到的交變沖擊均簡化為力度恒定而方向交變的沖擊；

（3）曲線在簡化后呈現鋸齒波的形式，而統計交變載荷循環的積損時，實際是按照簡諧震蕩（正弦波）的情況統計。

由于上述計算過程存在多處理論性錯位，雨流計數法的系統誤差在多個環節相疊加，有些工況下可能相互抵消，但也可能顯著到難以忽略。本文主旨在于提供給業界一種定量計算雨流計數法誤差的方法，可在進行結構疲勞計算時，根據應力曲線的定量特征和工程精度要求，來確定是否適合選用雨流計數法進行計算。在某個具體工況的實際工程計算中，使用雨流計數法之前，可先用部分采樣點進行傅氏頻譜分析與交變載荷的能量分析，并用雨流計數法進行比照實驗，得到計數法在該工況下的誤差率，當誤差率滿足工程計算要求時，即可方便地采用雨流計數法。

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[8]船體結構疲勞強度指南[M].上海:中國船級社上海規范研究所,2007:8-29.

A kind of error detailed analysis program proposed for rain-flow counting method and case study

CHEN Jing,JIN Yong-xing,XIAO Ying-jie,MAO Qi-huang,WU Hua-feng
(Merchant Marine Academy,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China)

Based on the spectral analysis and the strain energy theory,the systematic errors of Rain-flow counting Method were quantitatively analyzed.Combined with sampling data of the real container ship,a quantitative method for calculating the systematic errors of Rain-flow counting Method is put forward to the engineering field,which may decide the selection of Rain-flow counting Method based on the quantitative characteristics of the stress curve and engineering accuracy requirements when calculating structural fatigue life.

Rain-flow Counting Method;strain energy;stress load spectrum;Fourier series

U661.4

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2014.05.009

1007-7294（2014）05-0550-07

2013-08-16

中央高校基本科研業務費專項（10CX05005A）；國家自然科學基金資助項目（51279099）；上海市科學技術委員會基金資助項目（12ZR1412500）；上海市教委科研創新基金資助重點項目(13ZZ124)；上海市教育委員會和上海市教育發展基金會“曙光計劃”基金資助項目（12SG40）；交通運輸部應用基礎研究項目（2013329810300）；上海海事大學優秀博士學位論文培育項目（2013bxlp004）

陳 晶（1982-），男，上海海事大學博士研究生，E-mail：chenjing_taixing@163.com；

金永興（1959-），男，上海海事大學商船學院教授，博士生導師。