CN108563878A - 多功能的焊接结构疲劳寿命计算与焊接质量等级确认一体化的集成系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能的焊接结构疲劳寿命计算与焊接质量等级确认一体化的集成系统，包括：前处理模块、计算模块、后处理可视化模块和质量等级确认模块。前处理模块中，读取有限元分析结果文件形成有限元结果集合，根据预定义焊缝文件构建网格可视化模型。本发明所述系统，解决了计算时反复读取有限元结果文件的低效率问题；自动取得板厚、疲劳开裂方向等信息减少了大量手工操作，提高了求解效率；使用表格、曲线和云图同步映射，快速定位薄弱点和关注点可视化方法提高了交互式计算和评估效率；更新疲劳云图时只需刷新焊缝集合，不必刷新整个模型，提高了显示效率；构建了高效可视化的疲劳寿命计算结果确认焊缝质量和检查等级的方法。

Description

多功能的焊接结构疲劳寿命计算与焊接质量等级确认一体化 的集成系统

技术领域

本发明涉及一种多功能的焊接结构疲劳寿命计算与焊接质量等级确认一体化的集成系统。

背景技术

工程上承载传力的焊接结构的功能十分优异，当前包括轨道车辆在内的各种载运工具的结构产品中，焊接结构的贡献不可替代。然而，焊接结构又是一把双刃剑，由于焊缝上存在非常隐蔽且难以识别的高应力集中，因此它的抗疲劳能力显著低于构成的母材，在动态载荷作用下，疲劳开裂总是从焊缝上开始。因此，会导致重大经济损失乃至非常负面社会影响的焊接结构疲劳隐患治理一直是国内外许多制造行业非常关注的一个研究课题。

2007年，美籍华人科学家董平沙教授发明了预测焊缝疲劳寿命的新方法——结构应力法，并被写进到美国ASME《BP&C Section VIII Div 2Code》标准[1]。这种基于网格不敏感的结构应力法的提出，使得这一世界性的难题在理论上被彻底解决。在引进与消化该方法的基础，该专利申请单位负责人、大连交通大学的兆文忠教授，他的博士生李向伟与董平沙教授三人，历时两年，撰写了一部专著《焊接结构抗疲劳设计——理论与方法》[2]，该专著于2017年6月由我国机械工业出版社正式出版，该专著也为本发明专利奠定了坚实的理论基础。

为了尽快将专著中的理论转化为工程上可用的工具，需要进行软件开发。由于ASME标准中的计算公式已经公开发表，因此国外有人基于这些公式编写了疲劳寿命计算软件，该软件嵌套在FE-SAFE软件之中，在国内，由销售ANSYS的软件公司代理。然而，我们在工程应用中发现了该软件存在许多缺陷及应用局限性。

另外，焊接领域的欧洲标准BS EN15085[3]对焊接结构焊接质量等级的确认给出了执行路线，然而该标准仅提出要求，没有给出任何可具体执行的技术，因此将该标准的要求可以执行，即实现疲劳寿命计算与焊接质量等级确认的一体化，显然这是一个极有工程应用意义的发明专利。

关于计算焊接结构疲劳寿命的已有技术的特征是：

1)以Verity软件为代表，创建被评估结构的有限元模型并求解，然后在结果文件中读取计算结构应力的节点力，其功能单一，步骤繁琐，计算效率低。

2)是基于ASME标准的计算疲劳寿命的公式的编程封装，无二次开发接口。

3)为了计算焊缝上的疲劳寿命，需要定义焊线，该软件采用的是人工设置的方式来定义焊线的各种属性。

4)通过2D表格和2D曲线的形式给出疲劳寿命计算结果，疲劳寿命计算结果与计算模型不关联。

5)仅可以计算疲劳寿命，与焊接质量等级的确认不关联。

关于欧洲标准BS EN15085中确认焊接质量等级的技术特征是：

1)规定了确认焊接结构质量等级的技术路线。

2)规定了疲劳寿命计算是执行该技术路线的第一个必要条件。

3)规定了应力状态、应力因数的等级划分。

4)规定了焊接质量等级与焊缝检查等级的因果关系。

一、已有的焊接结构疲劳寿命计算软件中的技术缺陷或问题是：

1)它仅是将文献[1]中的计算公式写为一个计算程序，特别是它的计算结果不能自动用来确认焊接质量等级，软件功能单一，没有工程上更需要的寿命计算与焊接质量一体化集成的功能。

2)不能对所建焊缝模型直接快速定位、建模单元检验。焊缝模型定义模糊，有限元母材结构模型和焊缝单元是一体的，因此无法在前处理和后处理后过程中单独显示，这给焊缝模型定位和检验焊缝建模单元是否正确带来困难。

3)前处理步骤繁琐，求解计算效率低。例如，很多步骤需手动设置：板厚，开裂方向需手工测量；设置界面不友好；由于有容差限制，焊缝定义要求过高，处理工作量大。

4)在求解过程中反复调用有限元结果文件求解的节点力，或者使用二次开发的脚本程序计算，因此求解大模型时速度慢，且容易出现假死现象等。

5)可视化程度低，无交显示互能力，疲劳寿命计算结果与计算模型不关联，只能通过2D表格和2D曲线的形式给出计算结果，影响计算交互操作和评审效率。特别是当模型规模很大且有许多焊缝需要评估时，用户寻找相关信息不方便：一方面，当在3D焊缝模型中点击焊缝模型节点时，用户无法识别3D模型的图元存在2D数据表中哪个具体部分，无法根据在2D界面中显示疲劳结果曲线及3D疲劳曲线上的具体位置；另一方面，用户在浏览2D数据表和曲线图时时，点击界面中的2D表格数据项和2D曲线，不能识别出其对应的3D实体，无法在3D模型中定位并显示。

6)用户不能通过二次开发扩展其功能，由于采用二次开发脚本语言，计算效率低，互动性差，支持的开发库少，可扩展能力差。

二、与已有的焊接质量等级确认标准中的技术缺陷或问题是：

已有的标准仅从概念上提出了确认焊接结构质量等级与焊缝检查等级的三个步骤：

第一步，确认应力状态；

第二步，根据应力状态，结合安全要求，确认焊缝质量等级；

第三步，根据焊缝质量等级确认焊缝质量等级。

可见，应力状态的确认是执行该技术路线的必要条件，而应力状态由疲劳强度状态确认，疲劳强度状态由疲劳寿命确定，如果不能可靠的计算疲劳寿命，该路线将不能被执行。

但是，如何计算疲劳寿命，则让用户自己想办法。调查表明，该标准难于在工厂执行，其原因就在这里。由于工厂难于执行，因此在确认焊缝质量等级及检查等级时，它们只能向高等级选取，因而导致制造成本不科学的增加。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种多功能的焊接结构疲劳寿命计算与焊接质量等级确认一体化的集成系统，用于解决现有的识别焊接结构焊缝上的应力集中与确认焊缝质量检查等级的多功能计算工具中具有很多缺陷与问题：功能单一，不能将疲劳寿命计算与焊接质量等级确认或质量检查关联，不能直接服务于制造工艺质量控制；建模效率低、无可视化的交互功能，不利于可视化交互式计算、方案的直观评审；如果焊接结构结上焊缝数量庞大，载荷工况多，求解速度慢的缺点。本发明采用的技术手段如下：

一种多功能的焊接结构疲劳寿命计算与焊接质量等级确认一体化的集成系统，包括：前处理模块、计算模块、后处理可视化模块和质量等级确认模块；所述前处理模块中，建立含焊缝细节的有限元模型，并读取结果文件形成有限元结果集合，根据预定义焊缝文件中的定义焊缝的单元和节点号，构建网格可视化模型；所述网格可视化模型包括焊缝组模型和母材模型，并根据焊缝集合从有限元结果集合提取节点号、单元号、节点坐标、单元类型、节点力、节点弯矩到内存中成为焊缝属性值为下一阶段所述计算模块的求解计算作好准备。

所述计算模块中，根据焊缝属性值，自动生成板厚、开裂方向方法，并根据焊缝属性值，对结构应力、等效结构应力和寿命进行求解计算；所述后处理可视化模块中，将计算模块得到的结果数据使用2D表格排序，快速定位薄弱点关注节点，使用2D表格、2D曲线和3D云图同步映射可视化方法，交互式显示计算结果；所述的质量等级确认模块中，基于疲劳寿命计算结果，计算应力因数，并依次确认应力状态级别，确定焊缝质量等级，确定焊缝检测等级。

作为优选所述前处理模块中的处理过程，具体包括以下步骤：

S11、根据计算需要，建立含焊缝细节的有限元模型：壳单元模型建立焊趾含a节点集合的有限元模型，如图2-1，图3-1；实体单元模型建立含焊趾a节点集合和母材垂直对端b节点集合，焊根表面c节点集合和焊根底部d节点集合(a、b节点集节点数量一致，b、c节点集节点数量一致)的有限元模型，如图2-2，图3-2。然后对该有限元模型根据指定工况进行求解，从而得到有限元模型分析结果文件。

S12、利用编写的模块读取上述有限元模型分析结果文件的分析结果数据：读取结果文件中节点号、单元号、节点坐标、单元类型、节点力和节点弯矩成为有限元结果集合；一次性读取结果文件形成该有限元结果集合，避免计算过程中反复读取有限元结果文件效率低的问题。

S13、根据预定义焊缝文件中的定义焊缝的单元和节点号，基于步骤S12读取的有限元结果集合取得焊缝对应单元号、节点坐标、单元类型成为焊缝集合，构建网格可视化模型使用；以图形引擎库根据单元类型将焊缝集合绘制单元面片和线框，建立可视化网格焊缝集合模型，将这些以焊缝名称命名的n条焊缝以树状场景图结构组织；其余非焊缝集合的单元用相同方式构建母材体网格模型，并加入上述树状场景图中，实现网格可视化模型构建。

S14、构建场景图结构，在界面上构建2D树形结构组件内容；根据树形结构组件名称与场景图中焊缝集合模型名称、网格体一一对应，使得点击2D树形组件上的焊缝、母材体名称，3D网格可视化模型被高亮点选显示；反之，点选3D网格可视化模型，2D树形组件焊缝、母材体也被高亮点选显示；当在2D树形组件上点选焊缝时，根据焊缝快速定位方法在3D模型上定位焊缝。

S15、根据焊缝集合从有限元结果集合提取节点号、单元号、节点坐标、单元类型、节点力、节点弯矩到内存中成为焊缝属性值为下一阶段求解计算作好准备；由于基于同一节点号、单元号和坐标等构建，此焊缝属性值是和步骤S13所建立的网格可视化模型的单元和节点是互相一一对应的。

作为优选步骤S13中，焊缝集合模型和母材体网格模型以不同颜色绘制，通过不同的视角变换，实现对网格可视化模型的多角度观察；通过建立鼠标键盘交互功能，实现局部放大以及对拾取的对象高亮显示功能。

作为优选所述计算模块中的处理过程，具体包括以下步骤：

S21、自动生成板厚、开裂方向方法；壳单元模型板厚通过壳模型中a节点集合所在单元类型获取，如图3-1；如图3-2，实体单元模型通过实体模型中焊趾a节点集和下表面母材垂直对端的节点集b坐标差方法获得板厚；焊根厚度方向通过定义焊根表面节点集c和焊根底部节点集d对应节点间的坐标差获取；根据焊趾节点集a中节点和对面节点集b中节点之间的节点矢量获得开裂方向；焊根开裂方向通过定义节点集c和节点集d对应节点之间的矢量的垂直矢量获取。

S22、基于步骤S21结果，结合用户定义初始裂纹长度、化学/应力腐蚀参数、载荷谱与焊缝属性值按照ASME标准中的计算步骤进行结构应力、等效结构应力和寿命的求解计算。

S23、当焊缝集合出现切换工况、焊缝单元或节点更新时，将焊缝属性值更新然后进行重新计算。

作为优选所述后处理可视化模块中的处理过程，具体包括以下步骤：

S31、使用2D表格、2D曲线和3D云图同步映射可视化方法，交互式显示计算结果；计算模块中计算出所有焊缝节点的结构应力、等效结构应力、寿命、里程和损伤比的结果数据集，即疲劳数据，形成2D表格、2D曲线和3D云图结果。

2D表格：所有焊缝为以焊缝名称、节点序号、节点号、焊缝长度、结构应力、等效结构应力、疲劳寿命和损伤比为字段的2D表格结果文件，表格每一行数据为焊缝一个节点对应的上述字段值；2D曲线：单条焊缝以焊缝长度或节点号作为x坐标，结果数据集之一作为y坐标；3D云图：选取所有焊缝中所需显示云图的焊缝为集合，并采用疲劳数据3D模型映射方法进行绘制；2D表格、2D曲线和3D云图结果是同步关联显示的。

S32、使用2D表格排序，快速定位薄弱点关注节点；对指定关注字段按照值大小排序，就获得对应节点排序，供用户重点选择查看。

S33、结果快速更新；由于轻量级的焊缝组构建方法，当切换工况、焊缝定义修改时需要更新云图时，不需刷新整个模型和数据，只需更新焊缝集合模型颜色以及对应焊缝属性值即可。

作为优选步骤S14中的焊缝快速定位方法，指的是在视口范围内快速定位焊缝及焊缝关注点，具体包括以下步骤：

S141、视口内定位关注焊缝初始位置；基于单独构建了焊缝单元模型后，当需要定位某焊缝时，根据焊缝的名称，在场景树上获得该焊缝几何指针。

根据几何指针获取焊缝几何包围球中心坐标Pcenter，将相机操作器设置Pcenter为关注中心，将轨迹球操作器相机初始位置设置如下；

P_cam＝P_center+vec3(radius*n,radius*n,radius*n) (1)

其中：P_cam为相机坐标，radius为包围球半径，n为系数，取经验值如1.3；实现在屏幕视口范围内显示关注焊缝，设置了初始位置；

S142、获取相机初始矩阵。

初始位置确定后，还需保证焊缝关注点始终位于虚拟场景的聚焦旋转中心，否则对所关注焊缝模型进行放缩和旋转等操作时，焊缝会移出屏幕；

虚拟场景中，相机世界坐标系统中的位置姿态矩阵M_cam等于相机观察矩阵的逆矩阵，如公式式(2)；

M_cam＝(M_d*M_uvn*M_c)^-1 (2)

M_c为场景旋转中心坐标矩阵，M_uvn为旋转坐标系矩阵，M_d为将局部坐标系沿Z轴平移视点到关注点距离的距离矩阵；

当初始位置确定后，这些值就被确定并被读出；

S143、设置焊缝关注节点为旋转中心；

增加M_ptc作为焊缝关注点到原旋转中心的平移距离矩阵，使旋转中心平移到焊缝关注点为旋转中心；根据公式(3)，Mcam被获取并用于实时更新相机位置

M_cam＝(M_d*M_ptc*M_uvn*M_c)^-1 (3)。

作为优选将计算模块得到的结果数据实现疲劳数据3D模型映射；

基于单元和节点的唯一编号，结构应力、等效结构应力、疲劳寿命次数和寿命里程结果数据将被映射在对应单元的节点上，随时根据不同工况和焊缝集切换显示各类结果云图；

以绘制焊缝疲劳寿命次数为例，n条焊缝集云图绘制的具体步骤如下：

A、提取第1…n条焊缝疲劳寿命次数计算结果数据，存储到结果矩阵中。

B、提取结果矩阵所有焊缝疲劳寿命次数的最大最小值，确定彩色条带标量范围，通过绘制彩色条带标尺的形式建立颜色线性映射表，建立彩色条带。

C、遍历n条焊缝，按焊缝单元顺序从结果矩阵中取得结果数值。

根据值从标量范围彩色条带中取得对应的颜色的RGBA值绘制在对应节点上；绘制颜色是利用单元网格着色方法，对单元网格各顶点绑定对应颜色，均匀填充单元网格。

D、当需定位计算结果的最值时，根据最值对应节点的坐标值，按照步骤S14中的焊缝快速定位方法，将该点坐标值设置为焊缝关注节点旋转中心。

作为优选所述的质量等级确认模块中，基于疲劳寿命计算结果确认焊缝质量等级，具体包括以下步骤：

S41、给定设计寿命，基于主S-N曲线，得到参考疲劳强度值。

S42、基于结构应力法，计算设计寿命，基于主S-N曲线，得到实际疲劳强度值。

S43、将实际得到的疲劳强度值除以参考疲劳强度值，得到应力因数。

S44、根据应力状态与应力因数之间的关系，确定应力状态级别。

S45、根据指定焊接接头上焊缝的质量等级的确认关系，结合安全需求，确定焊缝质量等级。

S46、根据指定焊接接头上焊缝的质量等级的确认关系，结合焊缝质量等级，确定焊缝检验等级。

S47、以2D表格列出所有焊缝的焊缝质量等级结果，以绘制不同颜色的焊缝3D可视化网格模型表示质量等级，交互显示。

与现有技术相比较，本发明所述的多功能的焊接结构疲劳寿命计算与焊接质量等级确认一体化的集成系统，具有以下优点：

1、针对功能单一问题，将焊缝上疲劳寿命计算结果导入到新创建的焊缝质量等级确认模块，遵循BS EN 15085标准流程，以人机交互方式计算应力因数、确定应力状态级别；然后，结合安全需求，确定焊缝质量等级及焊缝检验等级，最终实现焊缝疲劳寿命计算与质量等级确认的一体化。

这一技术特征，将显著提高我国包括载运工具产品的焊接构的抗疲劳设计水平，降低疲劳失效风险；将减少制造过程中焊缝质量等级及检查等级确认的随意性，因此，产生的直接的经济效益将是重大的。

2、针对可视化程度低，导致计算效率低的问题，本发明通过建立可视化网格模型，树图可视化组件，同步可视化结果，大幅度地提高了仿真人机交互界面的可视化程度，用户可快速、直观地在视口定位焊缝的三维位置以及焊缝之间的相互关系，同时以点选等交互方式，在被评估的结构焊缝上以计算结果表格、曲线、云图、薄弱点关联方法显示疲劳寿命和快速定位焊接结构寿命最短位置，降低了设计人员在大量的繁杂数据处理过程中出错几率，实现了疲劳寿命计算结果2D表格、曲线与3D模型的一体可视化，取消了用户只能在2D表格曲线与3D模型中来回切换的操作模式，减少了对繁杂数据的处理过程，提高了操作效率。

3、针对前处理步骤繁琐、计算和显示效率低的问题，本发明解决了计算时反复读取有限元分析结果文件的低效率问题；自动获取板厚、疲劳开裂方向等信息减少了大量手工操作，提高了运算效率；在构建了每条焊缝单元的可视化模型和数据结构以后，更新计算工况及焊缝集合的疲劳计算结果云图时，只需单独刷新焊缝集合即可，不必刷新整个模型，再一次提高了交互式计算和显示效率。

本发明所述的多功能的焊接结构疲劳寿命计算与焊接质量等级确认一体化的集成系统，不仅可用于轨道车辆、汽车、船舶、航空航天、海洋平台等焊接结构的抗疲劳设计阶阶段，也能够用于制造工艺段，它不仅支持疲劳寿命计算与焊接质量等级确认的一体化，还支持设计方案在快速对比中优选，以及互联网加的焊接结构的健康监测。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明系统流程图。

图2-1是本发明含焊缝的壳单元模型有限元网格示意图。

图2-2是本发明含焊缝的实体单元模型有限元网格示意图。

图3-1是本发明壳单元模型a节点集合的定义示意图。

图3-2是本发明实体单元模型a、b、c、d节点集合的定义示意图。

图4是本发明焊缝及焊缝关注节点的快速定位步骤流程图。

图5-1是本发明疲劳数据同步映射显示的2D表格数据示意图。

图5-2是本发明疲劳数据同步映射显示的3D模型云图及关注点示意图。

图5-3是本发明疲劳数据同步映射显示的2D曲线及关注点示意图。

图6是本发明BS EN15085焊接接头上焊缝的质量等级的确认关系图表。

图7是本发明应力状态与应力因数图表。

具体实施方式

如图所示，一种多功能的焊接结构疲劳寿命计算与焊接质量等级确认一体化的集成系统，包括：前处理模块、计算模块、后处理可视化模块和质量等级确认模块；系统流程图如图1，采用C++语言编写，执行效率高。

所述前处理系统模块的处理过程，具体包括以下步骤：

S11、根据计算需要，建立如图2-1、图2-2示意图所示的含焊缝细节的壳单元或实体单元有限元模型(如ANSYS、ABAQUS和NASTRAN)。壳单元模型建立焊趾含a节点集合的有限元模型，如图2-1，图3-1；按照图2-2、图3-2；实体单元模型建立焊趾a节点集合和母材垂直对端b节点集合，焊根表面c节点集合和焊根底部d节点集合(a、b节点集节点数量一致，b、c节点集节点数量一致)的有限元模型。然后对该有限元模型根据指定工况进行求解，从而得到有限元模型分析结果文件；

S12、利用编写的模块读取上述有限元分析结果文件的分析结果数据：读取结果文件中节点号、单元号，节点坐标，单元类型、节点力、节点弯矩等成为有限元结果集合。一次性读取结果文件形成该“有限元结果集合”，避免计算过程中反复读取有限元结果文件效率低的问题。

S13、根据预定义焊缝文件(如采用Hypermesh等前处理软件生成)中的定义焊缝的单元和节点号，基于上步读取的“有限元结果集合”取得焊缝对应单元号、节点坐标、单元类型等(如Ansys的185实体、181壳类型)成为焊缝集合，给构建可视化网格模型使用。

以图形引擎库(如OpenSceneGrpah、OpenGL和DirectX)根据单元类型将焊缝集合绘制单元面片和线框，建立可视化网格焊缝集合模型(如以weld_1、weld_2…weld_n命名的n条焊缝模型)，将这些以焊缝名称命名的n条焊缝以树状场景图结构组织。

其余非焊缝集合的单元用相同方式构建母材体网格模型，并加入上述树状场景图中。网格可视化模型构建完成。

焊缝模型和母材体模型以不同颜色绘制，通过不同的视角变换，实现对网格可视化模型的多角度观察；通过建立鼠标键盘交互功能，实现局部放大以及对拾取的对象高亮显示功能。

S14、构建场景图结构，在界面上构建2D树形结构组件内容。根据树形结构组件名称与场景图中焊缝集合模型名称、网格体一一对应。使得点击2D树形组件上的焊缝、母材体名称，3D网格可视化模型被高亮点选显示。反之，点选3D网格可视化模型，2D树形组件焊缝、母材体也被高亮点选显示。当在2D树形组件上点选焊缝时，根据焊缝快速定位方法在3D模型上定位焊缝。

焊缝快速定位方法指的是在视口范围内快速定位焊缝及焊缝关注点(如疲劳寿命最小、最大点)，这时靠以下三步方法实现，如图4所示。

S141、视口内定位关注焊缝初始位置。

基于以上方法单独构建了焊缝单元模型后，当需要定位某焊缝时，根据焊缝的名称，在场景树上获得该焊缝几何指针。

根据几何指针获取焊缝几何包围球中心坐标Pcenter，将相机操作器(如轨迹球TrackballManipulator)设置Pcenter为关注中心，将轨迹球操作器相机初始位置设置如下。

P_cam＝P_center+vec3(radius*n,radius*n,radius*n) (1)

其中：P_cam为相机坐标，radius为包围球半径，n为系数，取经验值如1.3。这样就保证了在屏幕视口范围内显示关注焊缝，设置了初始位置。

S142、获取相机初始矩阵。

初始位置确定后，还需保证焊缝关注点始终位于虚拟场景的聚焦旋转中心，否则对所关注焊缝模型进行放缩和旋转等操作时，焊缝会移出屏幕。

虚拟场景中，相机世界坐标系统中的位置姿态矩阵M_cam等于相机观察矩阵的逆矩阵，如式2。M_c为场景旋转中心坐标矩阵，M_uvn为旋转坐标系矩阵,M_d为将局部坐标系沿Z轴(即n轴)平移视点到关注点距离的距离矩阵。当初始位置确定后，这些值就被确定并可以被读出。

M_cam＝(M_d*M_uvn*M_c)^-1 (2)

S143、设置焊缝关注节点为旋转中心。

增加M_ptc作为焊缝关注点到原旋转中心的平移距离矩阵，使旋转中心平移到焊缝关注点为旋转中心。

M_cam＝(M_d*M_ptc*M_uvn*M_c)^-1 (3)

根据式(3)，Mcam被获取并用于实时更新相机位置。

S15、根据焊缝集合从有限元结果集合提取节点号、单元号，节点坐标，单元类型、节点力、节点弯矩到内存中成为焊缝属性值为下一阶段求解计算作好准备。由于基于同一节点号、单元号和坐标等构建，这些焊缝属性值是和上步所建立的网格可视化模型的单元和节点是互相一一对应的。

所述计算模块的求解，具体包括以下步骤：

S21、自动生成板厚、开裂方向方法。

壳单元模型板厚通过壳模型中a节点集合所在单元类型获取，如图3-1；如图3-2，实体单元模型通过实体模型中焊趾a节点集和下表面母材垂直对端的节点集b坐标差(距离)方法获得板厚。焊根厚度方向通过定义焊根表面节点集c和焊根节点集d对应节点间的坐标差(距离)获取。根据焊趾节点集a中节点和对面节点集b中节点之间的节点矢量获得开裂方向。焊根开裂方向通过定义节点集c对节点集d对应节点之间的矢量的垂直矢量获取。

S22、使用焊缝属性值的节点力、节点号、单元类型和节点坐标等，基于上步结果，结合用户定义初始裂纹长度、化学/应力腐蚀等参数、载荷谱与焊缝属性值按照ASME标准(参考文献1中标准)中的计算步骤进行结构应力、等效结构应力和寿命的求解计算。

S23、当焊缝集合出现切换工况、焊缝单元或节点等更新时，将焊缝属性值更新然后进行重新计算。

所述后处理可视化模块的处理过程，具有包括以下步骤：

S31、使用2D表格、2D曲线和3D云图同步映射可视化方法，交互式显示计算结果。

如图5-1至图5-3所示，上阶段计算出所有焊缝节点的结构应力、等效结构应力、寿命、里程和损伤比等的结果数据集，形成2D表格、2D曲线和3D云图结果。

2D表格：所有焊缝为以焊缝名称、节点序号、节点号、焊缝长度、结构应力、等效结构应力、疲劳寿命和损伤比为字段的2D表格结果文件，表格每一行数据为焊缝一个节点对应的上述字段值。

2D曲线：单条焊缝以焊缝长度或节点号作为x坐标，结果数据集之一作为y坐标。

3D云图：选取所有焊缝中所需显示云图的焊缝为集合，采用后文中疲劳数据3D模型映射方法进行绘制。

2D表格、2D曲线和3D云图结果是同步关联显示的。

例如，当点选2D表格中的一个节点行时，该节点号就成为了选择点。同时，根据节点号换算成2D曲线中的x坐标，在x坐标的y结果值上增加高亮点显示选择节点的2D曲线位置(如图5-3中的选择点)。同时，根据节点号在焊缝集合获得的对应的节点坐标，增加高亮球体显示选择点(即关注点)的3D模型位置(如图5-2中的关注点)，使用下文“关注节点快速定位方法”在视口快速定位焊缝。同理，点选3D模型或者2D曲线点，其它两项结果也同时高亮显示节点。

S32、使用2D表格排序，快速定位薄弱点等关注节点。

如图5-1，2D表格中，对某些关注字段按照值大小排序，就可获得对应节点排序，供用户重点选择查看。

例如，按照寿命结果按从小到大排序，就快速得到所有焊缝薄弱焊缝节点排序。按照步骤S31，点击这些薄弱节点或关注点，即在3D模型上和2D曲线上高亮显示。

S33、疲劳结果快速更新，由于轻量级的焊缝组构建方法，当切换工况、焊缝定义修改时需要更新云图时，不需刷新整个模型和数据，只需更新焊缝集合模型颜色以及对应焊缝属性值即可。

疲劳数据3D模型映射技术。

基于单元和节点的唯一编号，结构应力、等效结构应力、疲劳寿命次数和寿命里程等结果数据将被映射在对应单元的节点上，随时根据不同工况和焊缝集切换显示各类结果云图。以绘制焊缝疲劳寿命次数为例，n条焊缝集云图绘制的具体步骤如下：

(1)提取第1…n条焊缝疲劳寿命次数计算结果数据，存储到结果矩阵中。

(2)提取结果矩阵所有焊缝“疲劳寿命次数”的最大最小值，确定彩色条带标量范围，通过绘制彩色条带标尺的形式建立颜色线性映射表，建立彩色条带。

(3)遍历n条焊缝，按焊缝单元顺序从结果矩阵中取得结果数值。根据值从标量范围彩色条带中取得对应的颜色的RGBA值(Red红色、Green绿色、Blue蓝色和Alpha透明度的色彩空间)绘制在对应节点上。

绘制颜色是利用单元网格着色方法，对单元网格各顶点绑定对应颜色，均匀填充单元网格。

(4)当需定位计算结果的最值时，根据最值对应节点的坐标值，按照焊缝快速定位方法将该点坐标值设置为焊缝关注节点旋转中心。

所述质量等级确认模块的处理过程为基于疲劳寿命计算结果确认焊缝质量等级技术。

首先，计算应力因数，BS EN 15085标准用图6中图表的形式给出了焊接接头上焊缝的质量等级的确认关系它们之间相互关系。

可见，如果应力状态不能确认，焊缝质量等级、焊缝检验等级将无法继续确认。但是该标准仅提出了要求，没有给出可实现的技术。

如图1质量等级确认模块，这是一个逻辑性极强的完整流程，该流程对包括轨道装备等焊接结构产品的焊接接头设计都将具有指导价值。图7的图表中给出了应力状态与应力因数之间的关系。

确定应力因数等级的方法，具体包括以下步骤：

S41、给定设计寿命，基于主S-N曲线，得到参考疲劳强度值。

S42、基于结构应力法，计算设计寿命，基于主S-N曲线，得到实际疲劳强度值。

S43、将实际得到的疲劳强度值除以参考疲劳强度值，得到应力因数。

S44、根据图7图表，确定应力状态级别。

S45、根据图6图表，结合安全需求，确定焊缝质量等级。

S46、根据图6图表，结合焊缝质量等级，确定焊缝检验等级。

S47、以2D表格列出所有焊缝的焊缝质量等级结果，以绘制不同颜色的焊缝3D可视化网格模型表示质量等级(比如CT1为红色、CT2为蓝色、CT3为绿色)，用后处理可视化模块中方法交互显示。

本发明所述的多功能的焊接结构疲劳寿命计算与焊接质量等级确认一体化的集成系统，具有以下优点：

1、利用图形引擎库，构建可视化场景图结构，建立了具备轻量级的焊缝组的网格可视化模型。结合界面上构建2D树形结构组件显示焊缝名称，实现了焊缝可视、快速定位和便捷更新。

2、定义焊缝属性值，并与所建立的网格可视化模型互相一一对应。使用焊缝属性值，自动生成板厚、开裂方向和进行疲劳计算。

3、创建了2D表格、2D曲线和3D云图同步映射可视化方法，实现了通过2D表格排序快速获得薄弱点，并定位到3D模型位置和2D曲线位置等交互式计算和显示计算结果的功能。

4、创建了焊缝及焊缝关注节点快速定位技术，以及焊缝疲劳数据3D模型映射技术。

5、从计算结果中自动提出疲劳寿命，快速计算应力因数。

6、创建了可视化的基于疲劳寿命计算结果确认焊缝质量等级、焊缝检查等级技术。

7、实现了三维模型上每一条焊缝的质量等级、检查等级的交互显示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

参考文献

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[12].Dong P.A structural stress definition and numericalimplementation for fatigue analysis of welded joints[J].International Journalof Fatigue,2001,23(10):865-876.

Claims (8)

1.一种多功能的焊接结构疲劳寿命计算与焊接质量等级确认一体化的集成系统，其特征在于包括：前处理模块、计算模块、后处理可视化模块和质量等级确认模块；

所述前处理模块中，建立含焊缝细节的有限元模型，并读取结果文件形成有限元结果集合，根据预定义焊缝文件中的定义焊缝的单元和节点号，构建网格可视化模型；

所述网格可视化模型包括焊缝组模型和母材模型，并根据焊缝集合从有限元结果集合提取节点号、单元号、节点坐标、单元类型、节点力、节点弯矩到内存中成为焊缝属性值为下一阶段所述计算模块的求解计算作好准备；

所述计算模块中，根据焊缝属性值，自动生成板厚、开裂方向方法，并根据焊缝属性值，对结构应力、等效结构应力和寿命进行求解计算；

所述后处理可视化模块中，将计算模块得到的结果数据使用2D表格排序，快速定位薄弱点关注节点，使用2D表格、2D曲线和3D云图同步映射可视化方法，交互式显示计算结果；

所述的质量等级确认模块中，基于疲劳寿命计算结果，计算应力因数，并依次确认应力状态级别，确定焊缝质量等级，确定焊缝检测等级。

2.根据权利要求1所述的多功能的焊接结构疲劳寿命计算与焊接质量等级确认一体化的集成系统，其特征在于：

所述前处理模块中的处理过程，具体包括以下步骤：

S11、根据计算需要，建立含焊缝细节的有限元模型：壳单元模型建立含焊趾节点集合的有限元模型；实体单元模型建立含焊趾节点集合和母材垂直对端节点集合，此两节点集节点数量一致，焊根表面节点集合和焊根底部节点集合，此两节点集节点数量一致的有限元模型。然后对该有限元模型根据指定工况进行求解，从而得到有限元模型分析结果文件；

S12、利用编写的模块读取上述有限元模型分析结果文件的分析结果数据：一次性读取结果文件中节点号、单元号、节点坐标、单元类型、节点力和节点弯矩成为有限元结果集合；

S13、根据预定义焊缝文件中的定义焊缝的单元和节点号，基于步骤S12读取的有限元结果集合取得焊缝对应单元号、节点坐标、单元类型成为焊缝集合，构建网格可视化模型使用；

以图形引擎库根据单元类型将焊缝集合绘制单元面片和线框，建立可视化网格焊缝集合模型，将这些以焊缝名称命名的n条焊缝以树状场景图结构组织；

其余非焊缝集合的单元用相同方式构建母材体网格模型，并加入上述树状场景图中，实现网格可视化模型构建；

S14、构建场景图结构，在界面上建立2D树形结构组件内容；

根据树形结构组件名称与场景图中焊缝集合模型名称、网格体一一对应，使得点击2D树形组件上的焊缝、母材体名称，3D网格可视化模型被高亮点选显示；反之，点选3D网格可视化模型，2D树形组件焊缝、母材体也被高亮点选显示；

当在2D树形组件上点选焊缝时，根据焊缝快速定位方法在3D模型上定位焊缝；

S15、根据焊缝集合从有限元结果集合提取节点号、单元号、节点坐标、单元类型、节点力、节点弯矩到内存中成为焊缝属性值为下一阶段求解计算作好准备；

由于基于同一节点号、单元号和坐标等构建，此焊缝属性值是和步骤S13所建立的网格可视化模型的单元和节点是互相一一对应的。

3.根据权利要求2所述的多功能的焊接结构疲劳寿命计算与焊接质量等级确认一体化的集成系统，其特征在于：

步骤S13中，焊缝集合模型和母材体网格模型以不同颜色绘制，通过不同的视角变换，实现对网格可视化模型的多角度观察；通过建立鼠标键盘交互功能，实现局部放大以及对拾取的对象高亮显示功能。

4.根据权利要求2所述的多功能的焊接结构疲劳寿命计算与焊接质量等级确认一体化的集成系统，其特征在于：

所述计算模块中的处理过程，具体包括以下步骤：

S21、自动生成板厚、开裂方向方法；

壳单元模型板厚通过壳模型中焊趾节点集合所在单元类型获取；实体单元模型通过实体模型中焊趾节点集和下表面母材垂直对端的节点集坐标差方法获得板厚；焊根厚度方向通过定义焊根表面节点集和焊根底部节点集对应节点间的坐标差获取；根据焊趾节点集中节点和对面节点集中节点之间的节点矢量获得开裂方向；焊根开裂方向通过表面节点集和底部节点集对应节点之间的矢量的垂直矢量获取；

S22、基于步骤S21结果，使用焊缝属性值的节点力、节点号、单元类型和节点坐标，结合用户定义初始裂纹长度、化学/应力腐蚀参数、载荷谱与焊缝属性值按照ASME标准中的计算步骤进行结构应力、等效结构应力和寿命的求解计算；

S23、当焊缝集合出现切换工况、焊缝单元或节点更新时，将焊缝属性值更新然后进行重新计算。

5.根据权利要求4所述的多功能的焊接结构疲劳寿命计算与焊接质量等级确认一体化的集成系统，其特征在于：

所述后处理可视化模块中的处理过程，具体包括以下步骤：

S31、使用2D表格、2D曲线和3D云图同步映射可视化方法，交互式显示计算结果；

计算模块中计算出所有焊缝节点的结构应力、等效结构应力、寿命、里程和损伤比的结果数据集，即疲劳数据，形成2D表格、2D曲线和3D云图结果；

2D表格：所有焊缝为以焊缝名称、节点序号、节点号、焊缝长度、结构应力、等效结构应力、疲劳寿命和损伤比为字段的2D表格结果文件，表格每一行数据为焊缝一个节点对应的上述字段值；

2D曲线：单条焊缝以焊缝长度或节点号作为x坐标，结果数据集之一作为y坐标；

3D云图：选取所有焊缝中所需显示云图的焊缝为集合，并采用疲劳数据3D模型映射方法进行绘制；

2D表格、2D曲线和3D云图结果是同步关联显示的；

S32、使用2D表格排序，快速定位薄弱点关注节点；

对指定关注字段按照值大小排序，就获得对应节点排序，供用户重点选择查看；

S33、结果快速更新；

由于轻量级的焊缝组构建方法，当切换工况、焊缝定义修改时需要更新云图时，不需刷新整个模型和数据，只需更新焊缝集合模型颜色以及对应焊缝属性值即可。

6.根据权利要求4所述的多功能的焊接结构疲劳寿命计算与焊接质量等级确认一体化的集成系统，其特征在于：

步骤S14中的焊缝快速定位方法，指的是在视口范围内快速定位焊缝及焊缝关注点，具体包括以下步骤：

S141、视口内定位关注焊缝初始位置；

基于单独构建了焊缝单元模型后，当需要定位某焊缝时，根据焊缝的名称，在场景树上获得该焊缝几何指针；

根据几何指针获取焊缝几何包围球中心坐标Pcenter，将相机操作器设置Pcenter为关注中心，将轨迹球操作器相机初始位置设置如下；

P_cam＝P_center+vec3(radius*n,radius*n,radius*n) (1)

其中：P_cam为相机坐标，radius为包围球半径，n为系数，取经验值如1.3；实现在屏幕视口范围内显示关注焊缝，设置了初始位置；

S142、获取相机初始矩阵；

初始位置确定后，还需保证焊缝关注点始终位于虚拟场景的聚焦旋转中心，否则对所关注焊缝模型进行放缩和旋转等操作时，焊缝会移出屏幕；

虚拟场景中，相机世界坐标系统中的位置姿态矩阵M_cam等于相机观察矩阵的逆矩阵，如公式式(2)；

M_cam＝(M_d*M_uvn*M_c)^-1 (2)

M_c为场景旋转中心坐标矩阵，M_uvn为旋转坐标系矩阵，M_d为将局部坐标系沿Z轴平移视点到关注点距离的距离矩阵；

当初始位置确定后，这些值就被确定并被读出；

S143、设置焊缝关注节点为旋转中心；

增加M_ptc作为焊缝关注点到原旋转中心的平移距离矩阵，使旋转中心平移到焊缝关注点为旋转中心；根据公式(3)，Mcam被获取并用于实时更新相机位置

M_cam＝(M_d*M_ptc*M_uvn*M_c)^-1 (3)。

7.根据权利要求6所述的多功能的焊接结构疲劳寿命计算与焊接质量等级确认一体化的集成系统，其特征在于：

将计算模块得到的结果数据实现疲劳数据3D模型映射；

基于单元和节点的唯一编号，结构应力、等效结构应力、疲劳寿命次数和寿命里程结果数据将被映射在对应单元的节点上，随时根据不同工况和焊缝集切换显示各类结果云图；

以绘制焊缝疲劳寿命次数为例，n条焊缝集云图绘制的具体步骤如下：

A、提取第1…n条焊缝疲劳寿命次数计算结果数据，存储到结果矩阵中；

B、提取结果矩阵所有焊缝疲劳寿命次数的最大最小值，确定彩色条带标量范围，通过绘制彩色条带标尺的形式建立颜色线性映射表，建立彩色条带；

C、遍历n条焊缝，按焊缝单元顺序从结果矩阵中取得结果数值；

根据值从标量范围彩色条带中取得对应的颜色的RGBA值绘制在对应节点上；绘制颜色是利用单元网格着色方法，对单元网格各顶点绑定对应颜色，均匀填充单元网格；

D、当需定位计算结果的最值时，根据最值对应节点的坐标值，按照步骤S14中的焊缝快速定位方法，将该点坐标值设置为焊缝关注节点旋转中心。

8.根据权利要求7所述的多功能的焊接结构疲劳寿命计算与焊接质量等级确认一体化的集成系统，其特征在于：

所述的质量等级确认模块中，基于疲劳寿命计算结果确认焊缝质量等级，具体包括以下步骤：

S41、给定设计寿命，基于主S-N曲线，得到参考疲劳强度值；

S42、基于结构应力法，计算设计寿命，基于主S-N曲线，得到实际疲劳强度值；

S43、将实际得到的疲劳强度值除以参考疲劳强度值，得到应力因数；

S44、根据应力状态与应力因数之间的关系，确定应力状态级别；

S45、根据指定焊接接头上焊缝的质量等级的确认关系，结合安全需求，确定焊缝质量等级；

S46、根据指定焊接接头上焊缝的质量等级的确认关系，结合焊缝质量等级，确定焊缝检验等级；

S47、以2D表格列出所有焊缝的焊缝质量等级结果，以绘制不同颜色的焊缝3D可视化网格模型表示质量等级，交互显示。