CN109190177A - 一种轨道车辆车体焊缝疲劳可靠性评估方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轨道车辆车体焊缝疲劳可靠性评估方法及系统，本发明通过有限元法对轨道车辆车体施加疲劳冲击载荷，直接计算得到焊缝坐标系的应力，并获取节点应力文件，结合评估关键点文件和节点应力文件，对车体焊缝疲劳可靠性进行评估。与现有技术相比，解决了现有基于有限元方法计算得到的多为固定坐标下的应力，不能直接应用于焊缝多轴疲劳强度评估，需要在后处理中进行坐标系转换或二次开发程序进行应力结果处理的问题。

Description

一种轨道车辆车体焊缝疲劳可靠性评估方法及系统

技术领域

本发明涉及轨道交通装备设计和评估技术领域，尤其是涉及一种轨道车辆车体焊缝疲劳可靠性评估方法及系统。

背景技术

轨道车辆铝合金车体具有轻量化、隔音、隔热等特点，在城市轨道交通中应用极为广泛。城市轨道车辆在运行过程中承受着复杂的纵向、横向、扭转以及轨道冲击等载荷，故车体疲劳强度的评定是车体可靠性设计的一项重要指标。由于铝合金焊接后，焊缝及热影响区的强度将大大降低，且焊缝中存在着各式各样的缺陷及应力集中，焊缝的疲劳强度将远远小于母材的疲劳强度，因此，焊缝的疲劳强度将是主要的评定对象。

零件或小构件可以采用疲劳试验机对其疲劳可靠性进行评估，而大部件或者整车疲劳评估，则往往采用有限元方法，根据计算得到的名义应力对其进行疲劳可靠性评估。轨道车辆承受三个方向的疲劳载荷，所以一般对车体焊接接头进行多轴疲劳强度评估计算。焊缝多轴疲劳强度评估一般需要得到沿着焊缝或垂直于焊缝的应力，然后分别或组合评估。而现有的有限元软件计算得到的多为固定坐标下的应力，不能直接应用于焊缝多轴疲劳强度评估，需要在后处理中进行坐标系转换或二次开发程序进行应力结果处理。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种轨道车辆车体焊缝疲劳可靠性评估方法及系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种轨道车辆车体焊缝疲劳可靠性评估方法，该方法包括以下步骤：

S1：根据车体的三维几何模型，利用Hypermesh建立以板壳单元为主的有限元模型，采用共节点的连接方式模拟车体型材或板材之间的焊接。

S2：根据实际需求对焊缝局部网格进行细化，并对整车施加冲击疲劳载荷。

S3：确定车体所关心的车体焊缝位置，即对安全性要求高，承载应力高的焊缝进行着重评估。沿焊缝走向在焊缝线两侧(对接焊)或三侧(T型焊)一定距离选取焊缝疲劳评估关键点，并按照实际的焊缝形式、缺口状态选择相应焊缝质量等级。焊缝质量等级包括高级安全、中级安全和低级安全。其中，高级安全的标准为焊缝接头事故不直接影响车辆总功能、车辆的承载能力，保障人员安全以及车辆的安全。中级安全的标准为焊缝接头事故导致总功能受影响，存在导致人员损伤的使用危险的可能。低级安全的标准为焊接接头事故导致人员损伤的使用危险，并导致总功能的瘫痪，焊缝接头存在标准检查不能识别的技术性裂纹，不能负荷转移以及没有足够的裂纹收集能力。

优选地，沿焊缝走向在焊缝线两侧(对接焊)或三侧(T型焊)1至1.5倍板厚的距离选取焊缝疲劳评估关键点。

S4：在评估关键点处以平行于焊缝方向为X轴，垂直焊缝并在板壳单元面上为Y轴建立局部坐标坐标系；

S5：批量修改Nastran计算文件关键字卡片，输出Nastran计算文件和评估关键点文件，其中评估关键点文件内容包括焊缝采样点节点编号和对应的焊缝质量等级标记。根据评估关键点文件计算并控制节点应力，进而获取疲劳载荷工况下节点应力文件。具体步骤包括：

501)批量修改Nastran计算文件关键字卡片，根据评估关键点文件，在Nastran输入文件中查找与每个评估关键点与之相连的壳单元编号，有N个评估关键点则建立N个单元SET集；

502)根据单元SET集和评估关键点对应的局部坐标系建立SURFACE；

503)在SURFACE上通过一定的平均算法计算节点应力；

504)将每个评估关键点相关的单元SET集和SURFACE添加至Nastran计算输入文件中，在Nastran输入文件工况控制段添加GPSTRESS＝ALL，控制输出评估关键点的节点应力；

505)将修改后的输入文件提交Nastran进行计算，获取疲劳载荷工况下节点应力文件。

S6：结合评估关键点文件和节点应力文件，依据DVS1608标准对焊缝疲劳可靠性进行评估。具体包括以下步骤：

601)读取评估关键点和节点应力文件，节点应力文件为ASCII文件，可直接读取每个采样点在各个载荷工况下平行于焊缝方向应力分量、垂直于焊缝方向应力分量和剪切应力分量，无需再对应力进行坐标系转换；

602)找出某一评估关键点在所有计算工况中平行于焊缝方向应力分量的最小值和最大值，计算应力比和平均值；

603)根据应力比和平均值，以及评估关键点对应的焊缝质量等级标记，在DVS1608标准中分别确定平行于焊缝方向疲劳强度值分量、垂直于焊缝方向疲劳强度值分量和剪切疲劳强度值分量；

604)根据平行于焊缝方向应力分量、垂直于焊缝方向应力分量和剪切应力分量，以及其各自对应的疲劳强度值分量对焊缝的疲劳强度进行评估，生成评估关键点的评估表。

采用总负荷比对焊缝的疲劳强度进行评估，总负荷比a_v的计算公式为：

式中，a_||、a_⊥、a_τ分别为平行于焊缝方向应力分量负荷比、垂直于焊缝方向应力分量负荷比和剪切应力分量负荷比。

其中，a_||、a_⊥、a_τ的表达式为：

式中，σ_||、σ_⊥、τ分别为与焊缝平行应力分量、与焊缝垂直应力分量和剪切应力分量。[σ_||]、[σ_⊥]和[τ]分别为在DVS1608标准中确定的与三个应力分量相对应的疲劳强度值。若单个应力分量的负荷比小于1，且总负荷比小于1，则判定焊缝的疲劳强度符合无限寿命设计的要求，表明在规定的冲击疲劳载荷工况下，该处焊缝不会发生疲劳破坏。若存在其他取值情况，则表明焊缝处发生疲劳破坏的可能性非常大。

一种轨道车辆车体焊缝疲劳可靠性评估系统，该系统包括：

建模及处理模块：

模型建立单元，用于根据车体的三维几何模型建立以板壳单元为主的有限元模型，并采用共节点的连接方式模拟车体型材或板材之间的焊接；

处理单元，用于根据实际需求对焊缝局部网格进行细化，并施加车辆疲劳载荷工况；

坐标系建立单元，用于确定所需的车体焊缝位置，并建立焊缝局部坐标系；

计算文件修改及计算模块：用于修改建模及处理模块输出的计算文件，并提交计算，使计算结果直接得到沿焊缝平行和垂直的节点应力；

结果文件处理模块：用于根据计算结果文件获取评估关键点沿焊缝平行和垂直的节点应力，并结合标准对焊缝疲劳可靠性进行评估，获取采样点的评估表。

与现有技术相比，本发明通过有限元法对轨道车辆车体施加疲劳冲击载荷，直接计算得到焊缝坐标系的应力，对车体焊缝疲劳可靠性进行评估，解决了现有基于有限元方法计算得到的多为固定坐标下的应力，不能直接应用于焊缝多轴疲劳强度评估，需要在后处理中进行坐标系转换或二次开发程序进行应力结果处理的问题。

附图说明

图1为本发明一种轨道车辆车体焊缝疲劳可靠性评估方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中选取的车体地板纵梁焊缝示意图；

图3本发明实施例中选取车体地板纵梁焊缝有限元模型及焊缝局部坐标系示意图；

图4本发明实施例中轨道车辆车体焊缝疲劳可靠性评估系统的结构示意图。

图2中标号所示：

1、地板纵梁焊接处。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明涉及一种轨道车辆车体焊缝疲劳可靠性评估方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤一、根据车体的三维几何模型，利用Hypermesh建立以板壳单元为主的有限元模型，采用共节点的连接方式模拟车体型材或板材之间的焊接。

步骤二、根据需要对焊缝局部网格进行细化，并对整车施加冲击疲劳载荷。

步骤三、确定车体焊缝位置，选取焊缝疲劳评估关键点，并按照实际的焊缝形式、缺口状态选择相应焊缝质量等级。

步骤四、在评估关键点处以平行于焊缝方向为X轴，垂直焊缝并在板壳单元面上为Y轴建立局部坐标坐标系。

步骤五、批量修改Nastran计算文件关键字卡片，输出Nastran计算文件和评估关键点文件，根据评估关键点文件计算并控制节点应力，进而获取疲劳载荷工况下节点应力文件。

步骤六、结合评估关键点文件和节点应力文件，依据DVS1608标准对焊缝疲劳可靠性进行评估。

结合具体实施例说明过程如下：

本实施例对车体局部，即车体地板纵梁焊接处进行具体方法操作。地板纵梁焊接处1的三维几何模型如图2所示，对板材结构抽取中面后划分网格，焊缝采用单元共节点连接，并沿评估处焊缝细化网格如图3所示。

对整车施加冲击疲劳载荷。车辆冲击疲劳载荷工况如表1所示：

表1车辆冲击疲劳载荷工况

其中，g为重力加速度，取值9.81m/s2。

确定车体所关心的车体焊缝位置，即对安全性要求高，承载应力高的焊缝进行着重评估。沿焊缝走向在焊缝线两侧(对接焊)或三侧(T型焊)一定距离选取焊缝疲劳评估关键点(以下称采样点)，按照实际的焊缝形式、缺口状态选择相应焊缝质量等级。选定图3中标注的分布在焊缝两侧的节点为采样点。在采样点处以平行于焊缝方向为X轴，垂直焊缝并在板壳单元面上为Y轴建立局部坐标系如图3中所示。

输出Nastran计算文件和采样点文件，其中采样点文件内容包括焊缝采样点节点编号和对应的焊缝质量等级标记。

批量修改Nastran计算文件关键字卡片。根据采样点文件，在Nastran输入文件中查找与每个采样点与之相连的壳单元编号，有N个采样点则建立N个单元SET集。根据单元SET集和采样点对应的局部坐标系建立SURFACE。Nastran求解过程首先得到单元应力，然后在SURFACE上通过一定的平均算法计算节点应力。将每个采样点相关的*SET卡片和*SURFACE关键字卡片添加到Nastran计算输入文件中。在Nastran输入文件工况控制段添加GPSTRESS＝ALL，控制输出采样点的节点应力。

将修改后的输入文件提交Nastran进行计算，得到疲劳载荷工况下节点应力文件。

读取采样点文件和节点应力文件，依据DVS1608标准对焊缝疲劳可靠性进行评估，得到采样点的评估表。节点应力文件为ASCII文件，可直接读取每个采样点在各个载荷工况下平行于焊缝方向应力分量、垂直于焊缝方向应力分量和剪切应力分量，无需再对应力进行坐标系转换。找出每个采样点在所有计算工况中平行于焊缝方向应力分量的最小值和最大值，计算应力比和平均值，采样点冲击载荷疲劳载荷应力处理结果如表2所示。

表2采样点冲击疲劳载荷应力处理结果(应力单位MPa)

根据应力比和平均值以及采样点对应的焊缝质量等级标记，在DVS1608标准中确定疲劳强度值[σ_||]、[σ_⊥]和[τ]。则应力分量负荷比的计算公式为：

式中，a_||、a_⊥、a_τ分别为平行于焊缝方向应力分量符合比、垂直于焊缝方向应力分量符合比和剪切应力分量符合比。σ_||、σ_⊥、τ分别为与焊缝平行应力分量、与焊缝垂直应力分量和剪切应力分量。

总负荷比a_v的计算公式为：

若单个应力分量的负荷比小于1，且总负荷比小于1，即判定焊缝的疲劳强度符合无限寿命设计的要求。遍历所有采样点，重复这一过程，完成车体关键部位焊缝疲劳可靠性评估。图3中地板纵梁焊接处8个采样点的疲劳可靠性评估结果如表3所示。各个应力分量以及总负荷比均小于1，表明在规定的冲击疲劳载荷工况下，该处焊缝不会发生疲劳破坏。

表3地板纵梁焊缝采样点疲劳可靠性评估结果(应力单位MPa)

本发明还涉及一种轨道车辆车体焊缝疲劳可靠性评估系统，如图4所示，该系统包括：

建模及处理模块：该模块包含三个部分。一是根据车体的三维几何模型建立以板壳单元为主的有限元模型，采用共节点的连接方式模拟车体型材或板材之间的焊接，根据需要对焊缝局部网格进行细化；二是施加车辆疲劳载荷工况；三是确定车体所关心的车体焊缝位置，建立焊缝局部坐标系。

计算文件修改及计算模块：该模块修改模型建立模块输出的计算文件，并提交计算，使计算结果直接得到沿焊缝平行和垂直的节点应力。

结果文件处理模块：该模块计算结果文件得到关键点沿焊缝平行和垂直的节点应力，结合标准对焊缝疲劳可靠性进行评估，得到采样点的评估表。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种轨道车辆车体焊缝疲劳可靠性评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)根据车体的三维几何模型，利用Hypermesh建立以板壳单元为主的有限元模型，采用共节点的连接方式模拟车体型材或板材之间的焊接；

2)根据实际需求对焊缝局部网格进行细化，并对整车施加冲击疲劳载荷；

3)确定车体焊缝位置，选取焊缝疲劳评估关键点，并按照实际的焊缝形式、缺口状态选择相应焊缝质量等级；

4)在评估关键点处以平行于焊缝方向为X轴，垂直焊缝并在板壳单元面上为Y轴建立局部坐标坐标系；

5)批量修改Nastran计算文件关键字卡片，输出Nastran计算文件和评估关键点文件，根据评估关键点文件计算并控制节点应力，进而获取疲劳载荷工况下节点应力文件；

6)结合评估关键点文件和节点应力文件，依据DVS1608标准对焊缝疲劳可靠性进行评估。

2.根据权利要求1所述的一种轨道车辆车体焊缝疲劳可靠性评估方法，其特征在于，步骤3)中，焊缝疲劳评估关键点通过沿焊缝走向在对接焊焊缝线两侧或T型焊焊缝线三侧的一定距离进行选取。

3.根据权利要求1所述的一种轨道车辆车体焊缝疲劳可靠性评估方法，其特征在于，所述的评估关键点文件内容包括焊缝采样点节点编号和对应的焊缝质量等级标记。

4.根据权利要求3所述的一种轨道车辆车体焊缝疲劳可靠性评估方法，其特征在于，步骤5)具体包括以下步骤：

501)批量修改Nastran计算文件关键字卡片，根据评估关键点文件，在Nastran输入文件中查找与每个评估关键点与之相连的壳单元编号，有N个评估关键点则建立N个单元SET集；

502)根据单元SET集和评估关键点对应的局部坐标系建立SURFACE；

503)在SURFACE上通过一定的平均算法计算节点应力；

504)将每个评估关键点相关的单元SET集和SURFACE添加至Nastran计算输入文件中，在Nastran输入文件工况控制段添加GPSTRESS＝ALL，控制输出评估关键点的节点应力；

505)将修改后的输入文件提交Nastran进行计算，获取疲劳载荷工况下节点应力文件。

5.根据权利要求4所述的一种轨道车辆车体焊缝疲劳可靠性评估方法，其特征在于，步骤6)具体包括以下步骤：

601)读取评估关键点和节点应力文件；

602)找出某一评估关键点在所有计算工况中平行于焊缝方向应力分量的最小值和最大值，计算应力比和平均值；

603)根据应力比和平均值，以及评估关键点对应的焊缝质量等级标记，在DVS1608标准中分别确定平行于焊缝方向疲劳强度值分量、垂直于焊缝方向疲劳强度值分量和剪切疲劳强度值分量；

604)根据平行于焊缝方向应力分量、垂直于焊缝方向应力分量和剪切应力分量，以及其各自对应的疲劳强度值分量对焊缝的疲劳强度进行评估，生成评估关键点的评估表。

6.根据权利要求5所述的一种轨道车辆车体焊缝疲劳可靠性评估方法，其特征在于，所述的节点应力文件为ASCII文件。

7.根据权利要求5所述的一种轨道车辆车体焊缝疲劳可靠性评估方法，其特征在于，采用总负荷比对焊缝的疲劳强度进行评估，总负荷比a_v的计算公式为：

式中，a_||、a_⊥、a_τ分别为平行于焊缝方向应力分量负荷比、垂直于焊缝方向应力分量负荷比和剪切应力分量负荷比。

8.根据权利要求7所述的一种轨道车辆车体焊缝疲劳可靠性评估方法，其特征在于，a_||、a_⊥、a_τ的表达式分别为：

式中，σ_||、σ_⊥、τ分别为与焊缝平行应力分量、与焊缝垂直应力分量和剪切应力分量，[σ_||]、[σ_⊥]和[τ]分别为在DVS1608标准中确定的与三个应力分量相对应的疲劳强度值。

9.根据权利要求8所述的一种轨道车辆车体焊缝疲劳可靠性评估方法，其特征在于，若单个应力分量的负荷比小于1，且总负荷比小于1，则判定焊缝的疲劳强度符合无限寿命设计的要求，表明在规定的冲击疲劳载荷工况下，该处焊缝不会发生疲劳破坏，否则，表明焊缝处有发生疲劳破坏的可能性。

10.一种实现如权利要求1-9任一项所述的轨道车辆车体焊缝疲劳可靠性评估方法的评估系统，其特征在于，该系统包括：

建模及处理模块：

模型建立单元，用于根据车体的三维几何模型建立以板壳单元为主的有限元模型，并采用共节点的连接方式模拟车体型材或板材之间的焊接；

处理单元，用于根据实际需求对焊缝局部网格进行细化，并施加车辆疲劳载荷工况；

坐标系建立单元，用于确定所需的车体焊缝位置，并建立焊缝局部坐标系；

计算文件修改及计算模块：用于修改建模及处理模块输出的计算文件，并提交计算，使计算结果直接得到沿焊缝平行和垂直的节点应力；

结果文件处理模块：用于根据计算结果文件获取评估关键点沿焊缝平行和垂直的节点应力，并结合标准对焊缝疲劳可靠性进行评估，获取采样点的评估表。