(19)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 202211010519.9 (22)申请日 2022.08.23 (71)申请人 武汉昶隽科技有限公司 地址 430000 湖北省武汉市东西湖区径河 街道十字东街7号 (72)发明人 魏文杰　 (51)Int.Cl. G01M 13/00(2019.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 119/04(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种高可靠性弹簧 疲劳性能预测方法 (57)摘要 本发明公开了一种高可靠性弹簧疲劳性能 预测方法， 涉及弹簧性能测试技术领域， 本发明 包括步骤1、 产品选 取； 在置信 度1‑α、 可靠性P条 件下， 取样本数n的同规格弹簧钢丝与对应的圆 柱压缩弹簧产品； 步骤2、 压缩实验； 选取三个应 力水平即弹簧压缩过程中的内侧切应力并分别 标记为S1、 S2、 S3来进行弹簧压缩疲劳试验， 得到 三组疲劳寿命； 步骤3、 扭转实验； 对弹簧钢丝试 件施加纯剪切应力S1、 S2、 S3， 进行弹簧钢丝扭转 试验， 得到三组疲 劳寿命； 步骤4、 疲劳曲线拟合； 采用基于威布尔分布的三参数函数模型进行疲 劳曲线拟合； 步骤5、 建立疲劳曲线关系模型； 步 骤6、 对比验证。 本发明为弹簧疲劳研究提供了简 便又低成本的方法。 权利要求书2页 说明书6页 附图2页 CN 115406637 A 2022.11.29 CN 115406637 A 1.一种高可靠性弹簧 疲劳性能预测方法， 其特 征在于： 包括以下五个步骤； 步骤1、 产品选取； 在置信度1 ‑α、 可靠性P条件下， 取样本数n的同规格弹簧钢丝与对应 的圆柱压缩弹簧产品， 其中 1‑α表示置信水平， 是指总体参数值落在样本统 计值某一区内的概率， α表示疲劳试验的显著性水平， P表示真实疲劳寿命大于最小观测值 时总样本的失效概 率， n表示 疲劳试验中试件的样本容 量； 步骤2、 压缩实验； 选 取三个应力水平即弹簧压缩过程中的内侧切应力并分别标记为S1、 S2、 S3来进行弹簧压缩疲劳试验， 得到三组疲劳寿命； 步骤3、 扭转实验； 对弹簧钢丝试件施加纯剪切应力S1、 S2、 S3， 进行弹簧钢丝扭转试验， 得到三组疲劳寿命； 步骤4、 疲劳曲线拟合； 采用基于威布尔分布的三 参数函数模型进行疲劳曲线拟合； 式中， α和C为待定的系数， S0对应中值 疲劳极限， CR表示可靠度为R时对应疲劳曲线的参数,Na表示特征寿命， N0(S)表示试验应力 为S时,三参数威布尔分布的位置参数， αR表示可靠度为R对应P ‑S‑N曲线的待定参数， 拟合 疲劳曲线时会消除； 步骤5、 建立疲劳曲线关系模型； 通过进行数值变换、 多项式拟合、 误差分析等数据处理 方法， 建立两条疲劳曲线的对应关系模型f＝F(N钢 丝， N弹簧)； 步骤6、 对比验证； 将根据关系模型计算得出的弹簧疲劳性能参数与实际测验所得数据 进行对比验证确认疲劳曲线关系模型的可靠性。 2.根据权利要求1所述的一种高可靠性弹簧疲劳性 能预测方法， 其特征在于： 所述步骤 4中主要采用三 参数函数模型进行曲线拟合的详细步骤为： 步骤1.1： 某一应力水平下， 试验样件的疲劳寿命n服从三参数威布尔分布， 其概率密度 函数可表示为： exp表示以自然 常数e为 底的指数函数， f(N)为试验样件的疲劳寿命N 服从三参数威布尔分布的概 率密度函数； 步骤1.2： 拟合出来的疲劳曲线还需要考虑其可靠度， 也就是疲劳学中的失效概率， 其 数学表达式为： 表示N≥N0时， 发生疲劳断裂 的概率； 步骤1.3： 利用成组法求P ‑S‑N曲线时， 选定的每一应力水平下都进行一组疲劳试验， 并 得到该应力水平下服从三 参数分布的三 参数， 利用公式： N＝N0+(‑ln R)1/b(Na‑N0) 求出一定可靠度下的可靠寿命NR， 然后将每个应力水平和相应的可靠寿命进行拟合即 得P‑S‑N曲线方程。 3.根据权利要求1所述的一种高可靠性弹簧疲劳性 能预测方法， 其特征在于： 所述步骤 4公式中： b 表示三参数威布尔分布的形状参数； N为特征寿命； N0为其位置参数， 即是最小疲权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115406637 A 2劳寿命。 4.根据权利要求1所述的一种高可靠性弹簧疲劳性 能预测方法， 其特征在于： 所述步骤 5中对于两条疲劳曲线之间的数量关系模型的求解， 通过解析法或数值法进行求解， 其中， 解析法为： 若两条曲线能转化成一个坐标系中的两条直线， 则通过旋转、 平移 等手段将 两条 直线重合， 从而求得两条曲线之间的关系模型； 其中， 数值法为： 若两条曲线不能转化成一 个坐标系的两条直线， 则通过数值拟合， 通过寻找变量之 间的映射关系， 以变量的映射关系 表示两条直线之间的关系。 5.根据权利要求1所述的一种高可靠性弹簧疲劳性 能预测方法， 其特征在于： 所述步骤 3扭转实验的详细操作为： 按分组法知道三组S1、 S2、 S3应力水平下的疲劳寿命N1、 N2、 N3， 在 进行钢丝扭转疲劳试验时， 将多大应力S1、 S2、 S3进行试验得到的N'1,N'2,N'3可替代N1、 N2、 N3， 在进行正式扭转疲劳试验研究时， 做一个预试验， 拟合出弹簧应力和钢丝应力的转化关 系； 得到应力关系后， 做S1、 S2、 S3应力下的钢丝扭转疲劳试验， 在此应力下结合弹簧参数 对应的钢丝参数， 计算出限制频率和夹持力的范围， 再根据夹持力的范围和钢丝直径规格 选择合适的长径比， 进行钢丝扭转 疲劳试验， 依据置信度和可靠性选择 试验的最小次数； 若弹簧应力和钢丝扭转应力的关系未知时， 进行预试验， 找出应力关系式， 此阶段的弹 簧疲劳试验可参考已经存在的弹簧疲劳试验规范进行弹簧疲劳试验， 对于钢丝扭转疲劳试 验的各参数， 依据直径选取钢丝试验长度和夹持力， 依据钢丝直径和钢丝允许的最大切应 力选取限制频率进行钢丝扭转疲劳试验， 得到少量相同寿命下的弹簧应力和钢丝扭转应力 数据， 再进行线性拟合， 从而得到应力关系式。 6.根据权利要求4所述的一种高可靠性弹簧疲劳性 能预测方法， 其特征在于： 所述步骤 4拟合出的模型还要进行误差检测， 误差检测的具体操作是在钢丝扭转疲劳曲线上选取若 干个点A(Ni， s)， 通过前面得到的应力关系模型进行应力修正S， 得到相同疲劳寿命下的弹 簧应力， 组合成点B(Ni， S)， 再与真实进行弹簧疲劳试验得到的弹簧疲劳曲线进行误差分 析， A(Ni， s)表示 疲劳曲线上选取的第i个点的疲劳寿命与应力组成的点。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115406637 A 3