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基于局部自适应带宽扩散核密度估计的载荷外推

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吉林大学学报(工学版) 2024年

作者：王立勇郑存金张金乐李乐北京信息科技大学现代测控技术教育部重点实验室中国北方车辆研究所

为由有限载荷数据外推得到全周期载荷谱，针对传统自适应带宽优化算法参数选择的局限性，提出一种基于局部自适应带宽扩散核密度估计的载荷外推方法。该方法将二维雨流矩阵降维至一维等效幅值，基于局部积分均方误差优化局部带宽，由局... 详细信息

为由有限载荷数据外推得到全周期载荷谱，针对传统自适应带宽优化算法参数选择的局限性，提出一种基于局部自适应带宽扩散核密度估计的载荷外推方法。该方法将二维雨流矩阵降维至一维等效幅值，基于局部积分均方误差优化局部带宽，由局部最优带宽采用扩散核密度估计得到概率密度分布模型，结合蒙特卡洛模拟外推目标频次载荷。利用预处理后的某特种车辆综合传动装置载荷数据对比验证，结果表明：与传统方法相比，所提方法得到的概率密度分布和累计频次曲线与实际等效幅值更为接近，二者间的相关系数与决定系数均更接近于1，相关系数分别为0.9838与0.9996，决定系数分别为0.9679与0.9991，均方根误差均更小，分别为5.05E-05与1.59E+01。

关键词：机械工程特种车辆综合传动装置载荷谱载荷外推局部自适应带宽扩散核密度估计

基于载荷外推的新能源传动系统载荷谱合成方法研究

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中国科技纵横 2024年第4期 45-48页

作者：胡霏闵磊丁元俊何春华安徽江淮汽车集团股份有限公司安徽合肥 230000 上海山外山机电工程科技有限公司上海 200235

通过采集新能源汽车用户的实际使用载荷数据,分析各特征路面的百公里载荷数据,并基于车辆传动系统载荷分散性的威布尔分布百分位载荷外推方法编制新能源传动系统载荷谱,为传动系统的试验场耐久规范优化和台架试验标准的建立提供参考.

关键词：新能源传动系统载荷外推耐久性试验

来源：博看期刊评论

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机电装备载荷谱外推技术研究进展及发展趋势

吉林大学学报（工学版） 2023年第4期53卷 941-953页

作者：于立娟安阳何佳龙李国发王升旭吉林大学数控装备可靠性教育部重点实验室长春130022 吉林大学机械与航空航天工程学院长春130022

在梳理、分析国内外机电装备载荷谱外推最新研究成果的基础上,针对机电装备运行过程中的载荷形式及载荷特性,综述了时域载荷外推、雨流域载荷外推(参数雨流外推、非参数雨流外推和雨流矩阵外推)和分位点外推等载荷外推技术的研究进展和... 详细信息

在梳理、分析国内外机电装备载荷谱外推最新研究成果的基础上,针对机电装备运行过程中的载荷形式及载荷特性,综述了时域载荷外推、雨流域载荷外推(参数雨流外推、非参数雨流外推和雨流矩阵外推)和分位点外推等载荷外推技术的研究进展和对比分析。在大数据的时代背景下,讨论了机电装备载荷谱外推技术的潜在方向与发展趋势。

关键词：机械工程机电装备载荷谱载荷外推时域外推雨流域外推

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基于核密度估计的拖拉机传动轴载荷外推方法

中国农业大学学报 2021年第10期26卷 175-184页

作者：李淑艳翟友邦王小龙李若晨杨子涵宋正河中国农业大学工学院北京100083

为编制拖拉机传动轴在实际作业工况下的载荷谱,针对拖拉机传动轴载荷具有单峰和多峰的特点及参数外推的局限性,运用拇指法(Rule-of-thumb,ROT)确实带宽,提出一种改进的基于核密度估计(Kernel density estimation,KDE)的载荷外推方法。... 详细信息

为编制拖拉机传动轴在实际作业工况下的载荷谱,针对拖拉机传动轴载荷具有单峰和多峰的特点及参数外推的局限性,运用拇指法(Rule-of-thumb,ROT)确实带宽,提出一种改进的基于核密度估计(Kernel density estimation,KDE)的载荷外推方法。通过搭建拖拉机传动轴无线扭矩测试系统并进行田间试验,获得了传动轴犁耕工况下的载荷数据,采用拇指法求得From-To雨流矩阵的最优带宽,并由雨流矩阵计算出核密度估计阈值,对大于阈值的载荷采用基于核密度估计的非参数法进行外推,小于阈值的载荷则按比例外推,最后对外推载荷的合理性进行验证。结果表明:与传统非参数法相比,采用基于核密度估计的外推方法时,运算时间缩短了54.16%;与实测载荷相比,外推后的均值、标准差和最大值的误差分别为2.2%、0.87%和6.3%,拟合度R^(2)和伪损伤比均大于0.99。用此方法对传动轴的其他工况载荷进行外推,同样得到了良好的效果。基于核密度估计的外推方法有助于编制反映拖拉机传动轴实际受载工况的载荷谱,同时为具有相似载荷分布特点的机械零部件载荷外推提供参考。

关键词：拖拉机传动轴载荷外推非参数法核密度估计拇指法

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混合动力装载机电机载荷外推方法研究

混合动力装载机电机载荷外推方法研究

作者：江柱锦吉林大学

学位级别：硕士

混合动力装载机具备多动力源,采用电机驱动并取消了变矩器,可有效提升整机的作业效率和能源利用率,具备良好的发展前景。但就其研究状况而言,其存在的关键技术问题有:电机的控制策略影响电机的载荷分布,进而影响载荷外推方法的适用性,因... 详细信息

混合动力装载机具备多动力源,采用电机驱动并取消了变矩器,可有效提升整机的作业效率和能源利用率,具备良好的发展前景。但就其研究状况而言,其存在的关键技术问题有:电机的控制策略影响电机的载荷分布,进而影响载荷外推方法的适用性,因此,研究适用于混合动力装载机电机的载荷外推方法,编制电机的长期载荷谱,为其可靠性设计提供数据基础,具有重要的理论意义和工程应用价值。本文依托国家科技支撑计划项目“工程机械节能减排共性技术研究”(项目号:2015BAF07B01)以及国家自然科学基金项目“多动力源混合驱动工程车辆的全工况极值载荷度量与外推智能优化”(项目号:51375202),围绕上述关键技术问题开展研究工作,主要研究内容与结论如下:(1)以混合动力装载机电机载荷外推为研究重点,搭建试验样机和电机控制模型,制定电机载荷谱测试方案。以1.8吨轮式装载机为样机原型,对其动力系统进行硬件选型,搭建了试验样机;采用dSPACE快速控制原型系统和VCUink信号转换模块组建了整机控制系统和整机数据采集系统;重点研究前后桥电机控制策略,制定了电机总力矩控制策略、电机过载保护策略和电机力矩优化分配策略,可根据驾驶员操作优化电机的驱动力矩,并保证其作业安全性;根据装载机的作业特性,制定了适用于混合动力装载机的电机载荷谱测试方案。(2)测试电机在典型工况下的载荷谱,分析电机载荷特性。基于电机载荷谱测试方案,测试了电机在典型工况下的载荷变化;采用小波阈值降噪法对测试数据进行了滤波降噪,有效提高了载荷数据的信噪比。根据装载机的“V型六段”作业特点,对前后桥电机载荷数据进行作业段划分;通过分析铲掘段电机数据发现,单个电机的转矩不满足厚尾分布,而前后桥电机总转矩呈厚尾分布,并通过了平稳性和各态历经性检验,符合时域外推法的前提条件。(3)建立POT模型,对前后桥电机总转矩进行时域外推。为获取单个电机的外推载荷,提出了将POT模型与行驶系统联合仿真模型相结合的载荷外推方法;从阈值选取、分布拟合、参数估计和拟合优度检验等方面建立POT模型,并利用POT模型对前后桥电机的总转矩进行时域外推,分析结果表明基于POT模型的时域外推法可以实现前后桥电机总转矩的合理外推。(4)基于MATLAB/Simulink和AMESim搭建行驶系统的联合仿真模型,通过仿真获取单个电机外推载荷。利用AMESim搭建了混合动力装载机行驶系统的动力学模型,利用MATLAB/Simulink搭建了前后桥电机的控制模型,通过建立两者的联系,获得行驶系统联合仿真模型;利用图示法和相关系数法,验证了行驶系统联合仿真模型的合理性;以前后桥电机的外推总负载作为行驶系统联合仿真模型的负载输入,通过仿真模拟得到基于控制策略的单个电机外推载荷。本文提出的将POT模型与行驶系统联合仿真模型相结合的载荷外推方法,能有效实现混合动力装载机电机的载荷外推,为其可靠性研究提供基础数据。

关键词：混合动力装载机电机控制策略仿真建模 POT模型载荷外推

基于自适应带宽核密度估计的载荷外推方法研究

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农业机械学报 2021年第1期52卷 375-384页

作者：牛文铁才福友付景静天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室天津300350

为了快速准确地得到玉米收获机车架的载荷谱,针对载荷谱编制过程中传统的载荷外推方法的局限性,提出一种基于四叉树算法的自适应带宽核密度估计(Kernel density estimation)算法,用来进行载荷外推。将经过预处理的实测原始载荷数据进行... 详细信息

为了快速准确地得到玉米收获机车架的载荷谱,针对载荷谱编制过程中传统的载荷外推方法的局限性,提出一种基于四叉树算法的自适应带宽核密度估计(Kernel density estimation)算法,用来进行载荷外推。将经过预处理的实测原始载荷数据进行雨流计数统计,得到载荷循环均幅值矩阵,将小于载荷循环最大幅值10%的载荷滤除,其余的载荷循环均幅值数据根据四叉树分割算法进行不同区域的分割,选择高斯核函数,根据拇指法则计算各个区域的局部最优带宽,并根据数据区域内数据点的密集程度对核密度估计的输入进行优化,减少了核密度估计的计算量,最后结合蒙特卡洛模拟算法进行载荷外推。采用玉米收获机车架实测载荷数据进行实例验证,结果表明,与传统的固定带宽、自适应带宽核密度估计的载荷外推方法相比,本文提出的方法大大提高了计算效率,其概率密度函数图与实际载荷分布更为接近;载荷循环均幅值频次分布相关系数更接近于1,均方根误差更小;载荷循环幅值累积频次曲线的决定系数均大于0.99。

关键词：玉米收获机车架载荷谱载荷外推自适应带宽核密度估计蒙特卡洛模拟

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自卸车耐久性试验载荷谱编辑与外推

自卸车耐久性试验载荷谱编辑与外推

作者：张佳云重庆大学

学位级别：硕士

为适应全球汽车行业不断加剧的竞争,缩短新车型开发周期,耐久性快速评价技术已成为国内外整车及零部件企业进行产品验证的主要手段。耐久性快速评价方法有:汽车试验场道路试验和汽车室内台架试验。汽车试验场道路试验耐久性测试方法是... 详细信息

为适应全球汽车行业不断加剧的竞争,缩短新车型开发周期,耐久性快速评价技术已成为国内外整车及零部件企业进行产品验证的主要手段。耐久性快速评价方法有:汽车试验场道路试验和汽车室内台架试验。汽车试验场道路试验耐久性测试方法是根据用户使用条件下车辆全寿命周期载荷损伤而制定的,由于车辆全寿命周期载荷很难获得,因此需要对有限载荷数据进行合理的外推,进而获得全寿命周期载荷谱。汽车室内台架试验可以通过对载荷谱进行编辑处理来提高试验效率,因此被广泛使用。论文以某8×4自卸车用户道路与试验场道路行驶载荷数据为基础,对于试验场道路试验,将多准则决策技术运用于载荷外推,将多目标遗传算法运用于建立关联用户的试验场耐久性测试方法;对于室内台架试验,将希尔伯特-黄变换运用于载荷谱编辑。论文选题来自校企合作项目,具有理论意义和工程使用价值。运用六分力、应变、加速度等传感器对自卸车试验场和用户道路载荷谱数据进行采集,并对载荷谱数据进行处理分析,验证了试验数据的有效性。对于试验场道路试验,基于POT模型的时域载荷外推,提出多准则决策的阈值选取方法。从广义帕累托分布函数拟合效果角度出发,利用熵权法确定各拟合检验准则权重;利用TOPSIS法和灰色关联度法定义了每个备选阈值的综合贡献度系数,并利用综合贡献度来确定样本数据的最优阈值。采用50组仿真数据验证了所提方法的可行性。以用户道路左前轮垂向力载荷为例,实现了载荷的外推,并验证了外推载荷的有效性。基于等损伤原则,以外推载荷损伤与试验场组合损伤之差作为目标函数,以试验场各路况循环圈次为设计变量,建立“用户-试验场”关联模型,利用多目标遗传算法实现模型的求解。针对在多个非劣解中选取最优解问题,以各测点相对损伤比的平均值和标准差为选取标准,得到了最优解,从而建立了关联用户的汽车试验场耐久性测试方法。对于室内台架试验,针对载荷谱编辑加速,提出基于希尔伯特-黄变换的汽车耐久性载荷谱编辑方法。以用户道路左前轮垂向力载荷谱为例,对其进行编辑压缩,与基于损伤保留编辑方法进行对比分析。结果表明,在伪损伤保留量相同的前提下,基于希尔伯特-黄变换的编辑方法优于传统的基于损伤保留编辑方法。

关键词：汽车耐久性试验载荷外推用户关联载荷谱编辑

基于载荷反演的地铁车辆焊接构架服役安全性评估

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基于载荷反演的地铁车辆焊接构架服役安全性评估

作者：杜文兰州交通大学

学位级别：硕士

由于地铁车辆在实际运行中存在载荷变化大、启停频繁、线路曲线较多等因素,导致焊接构架受载条件复杂多变,各安装吊座部位服役载荷恶化。与此同时,轮轨磨耗导致构架振动加剧,易产生附加动载荷,使得焊接构架的服役条件恶化。构架在制造... 详细信息

由于地铁车辆在实际运行中存在载荷变化大、启停频繁、线路曲线较多等因素,导致焊接构架受载条件复杂多变,各安装吊座部位服役载荷恶化。与此同时,轮轨磨耗导致构架振动加剧,易产生附加动载荷,使得焊接构架的服役条件恶化。构架在制造过程中焊接缺陷不可避免,在缩孔、夹渣、气孔等类裂纹缺陷处易产生应力集中,从而影响其服役寿命。此外,受测试成本、安全等因素限制,焊接构架部分载荷不能直接测量且传统载荷反演方法受系统矩阵病态性影响大。为此,很有必要基于现有载荷测试数据开展载荷反演得到焊接构架载荷条件并根据实际运营条件开展服役安全性评估,以保障其在服役期内安全、可靠运行。论文主要研究内容如下:(1)通过分析焊接构架结构特点和受载情况,建立精细化有限元模型,采用Combin14弹性单元模拟焊接构架的轴箱弹簧支撑,通过均布力和集中力相结合的方式施加载荷,以此体现实际受载条件。结合地铁车辆相关参数,依据TB/T 2368-2005标准进行超常载荷工况和模拟运营载荷工况下的载荷计算,在此基础上分别开展静强度和疲劳强度仿真分析,采用安全系数和Goodman疲劳极限图进行焊接构架强度校核。分析结果表明,构架强度满足设计要求。(2)基于现有测试的应力响应信息,通过有限元载荷标定得到载荷-应力传递关系矩阵,采用截断奇异值法和Tikhonov法两种正则化方法开展焊接构架载荷反演,以此根据已有应力响应信息获得载荷信息。考虑到系统矩阵病态性导致载荷反演问题的不适定,为避免系统矩阵带来的载荷反求误差问题,采用深度神经网络算法以应力响应作为系统输入、载荷作为系统输出,通过载荷-应力数据训练反演载荷。结果表明,基于深度神经网络的载荷反演方法可有效解决系统矩阵病态性的问题,且可根据现有数据反演得到载荷-时间历程信息。(3)针对载荷测量数据样本不足的问题,以焊接构架载荷反演数据为基础,采用马尔科夫链蒙特卡洛方法进行载荷信息的时域扩展。根据反演载荷-时间历程信息,提取峰谷值构建载荷数据转折点序列,以此得到具有离散随机性载荷-时间历程信息的马尔科夫链模型的平稳分布,在所构建平稳分布的基础上采用M-H采样产生载荷随机样本。通过雨流计数统计获得载荷幅值和均值特征,采用核密度估计的非参数方法对载荷-时间历程信息进行雨流域外推,从而实现载荷大小和出现次数的同步拓展。(4)为确保构架服役安全,开展焊接构架疲劳薄弱处的服役寿命评估,根据有限元强度仿真分析结果,选取侧梁与空气弹簧座连接处焊缝为评估对象。为准确评估焊缝处的应力和疲劳寿命,建立反映焊缝特征的构架子模型,焊缝采用实体单元模拟。在应力仿真分析基础上,结合构架载荷-时间历程信息和材料的S-N曲线,基于结构应力法开展构架焊缝疲劳寿命评估。评估结果表明,构架疲劳薄弱位置为侧梁与空气弹簧座连接处焊缝,疲劳寿命为1.13×10～7次,满足设计要求。

关键词：地铁车辆焊接构架载荷反演载荷外推结构应力服役寿命

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数控车床典型工况的载荷谱编制方法研究

数控车床典型工况的载荷谱编制方法研究

作者：池佳伟吉林大学

学位级别：硕士

数控机床是装备制造业中常用到的工业设备,因其可靠性不高,在实际使用中,常会发生一些故障和失效,因此提高数控机床的可靠性十分有必要。数控机床载荷谱可以用在可靠性设计、可靠性建模和可靠性试验等多个方面,对数控机床载荷谱的研究... 详细信息

数控机床是装备制造业中常用到的工业设备,因其可靠性不高,在实际使用中,常会发生一些故障和失效,因此提高数控机床的可靠性十分有必要。数控机床载荷谱可以用在可靠性设计、可靠性建模和可靠性试验等多个方面,对数控机床载荷谱的研究可以提高数控机床的可靠性,提升装备制造业的实力。随着我国制造业水平的不断提高,数控机床的应用范围也越来越广,实际切削工况也越来越复杂,常规典型工况的确定方法有正交试验法和切削力经验公式结合概率密度函数等概率区间划分法,其确定的典型工况代表性低,无法反映真实的切削工况;另外,对切削力信号进行雨流计数后,采用核密度估计方法对均幅值的频率分布直方图进行拟合时,核函数带宽选取不合适,拟合效果不佳,导致编制的载荷谱不能真实全面地反映切削力数据。针对上述问题,本文系统地研究了数控车床典型工况的载荷谱编制方法。主要包括:聚类方法确定典型工况、多层小波降噪、Topsis综合评价方法确定核函数最优带宽、搭建BP神经网络核密度估计带宽模型求取最优带宽、数控车床二维载荷谱编制。论文主要研究内容如下:(1)为了获取数控车床的典型工况,对现场采集的数控车床切削工艺数据进行整理,提出了利用聚类分析方法确定典型工况。选取进给量、背吃刀量和切削速度为聚类分析三要素,先通过系统聚类方法对现场跟踪采集到的372种工况进行聚类,求得聚类个数范围为[30,40],本文选取聚类个数为36,并且求取了初始聚类中心。再利用k-means聚类方法进行快速聚类,不断迭代更新,获得了最终聚类中心,将其作为数控车床典型工况,最终确定了36组典型工况,更加符合实际切削工况。(2)搭建了数控车床切削力测试系统,求得最小采样频率为1000 HZ,对采集到的切削力信号进行了去除奇异值和消除趋势项处理。针对切削力信号中存在的噪声信号,采用多层小波降噪法进行降噪,针对传统的降噪效果评价指标:均方根误差(RMSE)、信噪比(SNR)、平滑度(r)没有联系,不能综合评价降噪效果的问题,提出了基于灰关联分析的多准则决策小波降噪法,对一到六层小波降噪法进行灰关联分析多指标综合评价,求得各种降噪方法降噪效果与最优降噪效果的关联度,发现四层小波降噪法降噪效果与最优降噪效果的关联度最高,因此选取四层小波降噪法对切削力信号进行降噪。(3)采用雨流计数法对切削力信号统计计数,求得切削力信号均值-幅值雨流矩阵,从而绘制了切削力幅值频率直方图和均值频率直方图。利用核密度估计对幅值频率直方图和均值频率直方图进行拟合,核密度估计中传统的带宽确定方法为经验法则法和交叉验证法求取核函数带宽,本文采用Topsis综合评价方法对不同带宽的核密度估计效果进行综合评价,从而确定最优带宽。另外,本文还引入了BP神经网络来求取最优带宽,搭建了BP神经网络核密度估计带宽模型,将前30种典型工况共90组数据作为训练集,后6种典型工况共18组数据作为测试集,通过对模型的不断训练,发现决定系数R大于0.75,BP神经网络核密度估计带宽模型预测效果良好,大大提高了最优带宽的求取效率。(4)编制了数控车床切削力二维载荷谱,将36种典型工况合并成一个总工况,利用BP神经网络模型求得主切削力、背向力和进给力的均值分布核密度估计最优带宽和幅值分布核密度估计最优带宽。采用二维高斯核函数对雨流计数后的均幅值频率直方图进行拟合,将均值和幅值等间距地划分为十级,并将载荷循环次数外推至10,获得了主切削力、背向力、进给力的幅值和均值二维谱。

关键词：数控机床载荷谱多小波降噪核密度估计 BP神经网络载荷外推