CN109684663A - 铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估方法及装置、系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估方法及装置、系统。其中,该方法包括:基于ANSYS软件得到焊缝结构的特征参数,根据特征参数得到焊缝结构的多个节点的模态结构应力;将模态中性文件传输至ADAMS平台得到模态坐标时间历程;对模态结构应力进行叠加得到结构应力时间历程;对结构应力时间历程进行预雨流计数,得到结构应力变化范围和结构应力变化范围出现的次数;确定动态等效结构应力变化范围以及动态等效结构应力变化范围出现的次数;将动态等效结构应力变化范围以及动态等效结构应力变化范围出现的次数和主S‑N曲线对车体焊缝进行疲劳寿命评估。本发明解决了现有技术中对货车车体焊缝疲劳的预测精度比较低的技术问题。

Description

铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估方法及装置、系统
技术领域
本发明涉及疲劳寿命评估技术领域,具体而言,涉及一种铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估方法及装置、系统。
背景技术
铁路货车的疲劳可靠性是十分重要的,更是影响运行安全的关键因素之一。车体疲劳可靠性的薄弱部位是焊接接头,在运用环境中,焊接结构的焊缝开裂是结构失效的主要形式之一,焊接结构的疲劳寿命决定车体的使用寿命。现阶段,一般是采用实车试验及计算机辅助技术来评价车体的疲劳寿命。实车试验结果比较准确,但是周期较长,成本较高,导致疲劳寿命预测精度低,工程应用价值有限。
基于上述对货车车辆车体焊缝预测精度较低的弊端,现有技术中存在将动态结构应力进行静态换算,结合主S-N曲线,实现了对焊接结构的抗疲劳性能评估的程序化,基于ANSYS平台编制了WSF疲劳评估软件。然而,上述现有技术存在以下两个方面的缺陷:一方面,将动态结构应力进行静态换算实际上是属于准静态流程;另外一个方面,其所使用的载荷谱为标准载荷谱或线路载荷谱,计算结果无法与试验台架的结果进行比对。因此,利用现有技术中提供的货车车体焊缝疲劳的预测方法也无法有效提高车体焊缝疲劳寿命的预测精度。
针对上述现有技术中对货车车体焊缝疲劳的预测精度比较低的问题,目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明实施例提供了一种铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估方法及装置、系统,以至少解决现有技术中对货车车体焊缝疲劳的预测精度比较低的技术问题。
根据本发明实施例的一个方面,提供了一种铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估方法,包括:建立目标车辆的车体有限元模型,并利用ANSYS软件对所述车体有限元模型进行模态分析得到模态中性文件,其中,所述车体有限元模型中包括所述目标车辆的焊缝结构;利用所述ANSYS软件对所述模态中性文件进行分析得到所述焊缝结构的特征参数,并根据所述特征参数得到所述焊缝结构对应的多个节点的模态结构应力;将所述模态中性文件传输至ADAMS平台进行动力学计算,得到模态坐标时间历程,并将所述模态坐标时间历程导入所述ANSYS软件;根据所述模态坐标时间历程,对所述模态结构应力进行叠加得到结构应力时间历程;对所述到结构应力时间历程进行预雨流计数,得到结构应力变化范围和所述结构应力变化范围出现的次数;通过所述结构应力变化范围和所述结构应力变化范围出现的次数确定动态等效结构应力变化范围以及所述动态等效结构应力变化范围出现的次数;将所述动态等效结构应力变化范围以及所述动态等效结构应力变化范围出现的次数和主S-N曲线对所述目标车辆的车体焊缝进行疲劳寿命评估。
可选地,在建立目标车辆的车体有限元模型的同时,该铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估方法还包括:在所述车体有限元模型中生成所述焊缝结构对应的焊线节点组和焊线单元组。
可选地,在所述车体有限元模型中生成所述焊缝结构对应的焊线节点组和焊线单元组之后,该铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估方法还包括:对所述焊缝结构对应的焊线节点以及焊线单元进行排序;其中,对所述焊缝结构对应的焊线节点以及焊线单元进行排序包括:确定所述焊缝结构对应的焊线的起始节点;在所述ANSYS软件中选取与所述起始节点对应的焊线单元;确定所述焊线的方向,并根据所述起始节点和所述焊线的方向自动搜索相邻节点,以对所述焊缝结构对应的焊线节点以及焊线单元进行排序。
可选地,根据所述特征参数得到所述焊缝结构对应的多个节点的模态结构应力包括:确定所述焊缝结构对应的各阶模态的模态节点力;基于所述模态节点力确定所述焊缝结构对应的各阶模态的线力和线弯矩;根据所述模态节点力以及所述各阶模态的线力和线弯矩确定各阶模态的模态结构应力。
可选地,在将所述动态等效结构应力变化范围以及所述动态等效结构应力变化范围出现的次数和主S-N曲线对所述目标车辆的车体焊缝进行疲劳寿命评估之后,该铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估方法还包括:获取将所述动态等效结构应力变化范围以及所述动态等效结构应力变化范围出现的次数和主S-N曲线对所述目标车辆的车体焊缝进行疲劳寿命评估后的评估结果;通过预定方式显示所述评估结果,其中,所述预定方式包括以下至少之一:曲线图,柱状图,饼状图,云图。
根据本发明实施例的另外一个方面,还提供了一种铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估装置,包括:第一分析单元,用于建立目标车辆的车体有限元模型,并利用ANSYS软件对所述车体有限元模型进行模态分析得到模态中性文件,其中,所述车体有限元模型中包括所述目标车辆的焊缝结构;第二分析单元,用于利用所述ANSYS软件对所述模态中性文件进行分析得到所述焊缝结构的特征参数,并根据所述特征参数得到所述焊缝结构对应的多个节点的模态结构应力;第一获取单元,用于将所述模态中性文件传输至ADAMS平台进行动力学计算,得到模态坐标时间历程,并将所述模态坐标时间历程导入所述ANSYS软件;第二获取单元,用于根据所述模态坐标时间历程,对所述模态结构应力进行叠加得到结构应力时间历程;第三获取单元,用于对所述到结构应力时间历程进行预雨流计数,得到结构应力变化范围和所述结构应力变化范围出现的次数;确定单元,用于通过所述结构应力变化范围和所述结构应力变化范围出现的次数确定动态等效结构应力变化范围以及所述动态等效结构应力变化范围出现的次数;评估单元,用于将所述动态等效结构应力变化范围以及所述动态等效结构应力变化范围出现的次数和主S-N曲线对所述目标车辆的车体焊缝进行疲劳寿命评估。
可选地,该铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估装置还包括:生成单元,用于在建立目标车辆的车体有限元模型的同时,在所述车体有限元模型中生成所述焊缝结构对应的焊线节点组和焊线单元组。
可选地,该铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估装置还包括:排序单元,用于在所述车体有限元模型中生成所述焊缝结构对应的焊线节点组和焊线单元组之后,对所述焊缝结构对应的焊线节点以及焊线单元进行排序;其中,所述排序单元包括:第一确定模块,用于确定所述焊缝结构对应的焊线的起始节点;选取单元,用于在所述ANSYS软件中选取与所述起始节点对应的焊线单元;排序模块,用于确定所述焊线的方向,并根据所述起始节点和所述焊线的方向自动搜索相邻节点,以对所述焊缝结构对应的焊线节点以及焊线单元进行排序。
可选地,所述第二分析单元包括:第二确定模块,用于确定所述焊缝结构对应的各阶模态的模态节点力;第三确定模块,用于基于所述模态节点力确定所述焊缝结构对应的各阶模态的线力和线弯矩;第四确定模块,用于根据所述模态节点力以及所述各阶模态的线力和线弯矩确定各阶模态的模态结构应力。
可选地,该铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估装置还包括:第四获取单元,用于在将所述动态等效结构应力变化范围以及所述动态等效结构应力变化范围出现的次数和主S-N曲线对所述目标车辆的车体焊缝进行疲劳寿命评估之后,获取将所述动态等效结构应力变化范围以及所述动态等效结构应力变化范围出现的次数和主S-N曲线对所述目标车辆的车体焊缝进行疲劳寿命评估后的评估结果;显示单元,用于通过预定方式显示所述评估结果,其中,所述预定方式包括以下至少之一:曲线图,柱状图,饼状图,云图。
根据本发明实施例的另外一个方面,还提供了一种车体焊缝疲劳寿命的确定系统,使用上述中任一项所述的铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估方法。
根据本发明实施例的另外一个方面,还提供了一种存储介质,所述存储介质包括存储的程序,其中,所述程序执行上述中任意一项所述的铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估方法。
根据本发明实施例的另外一个方面,还提供了一种处理器,所述处理器用于运行程序,其中,所述程序运行时执行上述中任意一项所述的铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估方法。
在本发明实施例中,采用建立目标车辆的车体有限元模型,并利用ANSYS软件对车体有限元模型进行模态分析得到模态中性文件,其中,车体有限元模型中包括目标车辆的焊缝结构;然后利用ANSYS软件对模态中性文件进行分析得到焊缝结构的特征参数,并根据特征参数得到焊缝结构对应的多个节点的模态结构应力;其次将模态中性文件传输至ADAMS平台进行动力学计算,得到模态坐标时间历程,并将模态坐标时间历程导入ANSYS软件;再根据模态坐标时间历程,对模态结构应力进行叠加得到结构应力时间历程;以及对到结构应力时间历程进行预雨流计数,得到结构应力变化范围和结构应力变化范围出现的次数;并通过结构应力变化范围和结构应力变化范围出现的次数确定动态等效结构应力变化范围以及动态等效结构应力变化范围出现的次数;最后将动态等效结构应力变化范围以及动态等效结构应力变化范围出现的次数和主S-N曲线结合的方式对目标车辆的车体焊缝进行疲劳寿命评估,通过本发明实施例提供的铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估方法可以实现通过构建基于动态载荷的焊缝疲劳寿命评估平台将结构应力扩展为动态结构应力,并根据动态等效结构应力变换范围以及动态等效结构应力出现的次数结合主S-N曲线对目标车辆的车体焊缝进行疲劳寿命评估的目的,达到了提高对货车车体焊缝疲劳的预测精度的技术效果,进而解决了现有技术中对货车车体焊缝疲劳的预测精度比较低的技术问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本申请的一部分,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1是根据本发明实施例的铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估方法的流程图;
图2(a)是根据本发明实施例的在2.96Hz状态下的模态的示意图;
图2(b)是根据本发明实施例的在12.49Hz状态下的模态的示意图;
图2(c)是根据本发明实施例的在13.42Hz状态下的模态的示意图;
图2(d)是根据本发明实施例的在12.73Hz状态下的模态的示意图;
图3(a)是根据本发明实施例的在第9阶下的模态坐标时间历程的示意图;
图3(b)是根据本发明实施例的在第10阶下的模态坐标时间历程的示意图;
图3(c)是根据本发明实施例的在第11阶下的模态坐标时间历程的示意图;
图3(d)是根据本发明实施例的在第14阶下的模态坐标时间历程的示意图;
图4是根据本发明实施例的对接焊线焊趾处的节点力分布示意图;
图5是根据本发明实施例的可选的铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估方法的流程图;
图6是根据本发明实施例的铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估装置的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是,本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
为了便于描述,下面对本发明实施例中出现的名词或术语进行详细说明。
ANSYS软件:是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。
机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis Of MechanicalSystems,简称ADAMS):是一种使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库,创建完全参数化的机械系统几何模型,其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法,建立系统动力学方程,对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析,输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。
焊趾:是焊接缝表面与母材交界处。
针对上述技术问题,在本发明实施例中从模型、模型边界条件及疲劳评估理论入手。首先,基于模态修正车体模型,保证车体模型的准确性;其次,通过仿真引入虚拟试验台架模型,保证车体仿真与实物试验具有一致的边界条件;最后,基于美国ASMEBP&C SectionVIII Div 2Code标准中新增加的网格不敏感的结构应力计算流程将动态的结构应力进行静态换算的准静态流程,而铁路货车车体疲劳试验台上的全尺寸货车有自身的振动特征,它的应力响应具有结构模态参与效应,故建立模态结构应力方法及其实施流程。
在本发明实施例中,可以实现将铁路货车车体疲劳试验台架试验结果、试验台架刚柔耦合模型、动态结构应力评估方法相结合,利用动态结构应力法、主S-N曲线法实现对车体焊接结构焊缝的疲劳寿命评估,建立试验与理论分析的交流机制。
另外,在本发明实施例中基于铁路货车整车疲劳与振动试验台完成全尺寸车体的线路模拟试验,将获得的油缸载荷作为ADMAS软件中虚拟试验台的仿真输入,计算车体在线路实际载荷作用下的动态结构应力响应。通过ANSYS平台的UIDL编制动态结构应力法计算程序,考虑网格不敏感性、主S-N曲线选取的一致性及模态参与效应。将三者结合实现了铁路货车车体焊缝结构抗疲劳性能评估程序化。下面结合下述实施例进行详细说明。
实施例1
根据本发明实施例,提供了一种铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估方法的方法实施例,需要说明的是,在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行,并且,虽然在流程图中示出了逻辑顺序,但是在某些情况下,可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图1是根据本发明实施例的铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估方法的流程图,如图1所示,该铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估方法包括如下步骤:
步骤S102,建立目标车辆的车体有限元模型,并利用ANSYS软件对车体有限元模型进行模态分析得到模态中性文件,其中,车体有限元模型中包括目标车辆的焊缝结构。
在步骤S102中,建立车体的有限元模型,在建模时要包含焊缝几何,一条焊缝可以定义两条焊线;确定模态截取的频率范围,并计算改进的Craig—Bampton模态集[Φ*]。其中,图2(a)是根据本发明实施例的在2.96Hz状态下的模态的示意图,图2(b)是根据本发明实施例的在12.49Hz状态下的模态的示意图,图2(c)是根据本发明实施例的在13.42Hz状态下的模态的示意图,图2(d)是根据本发明实施例的在12.73Hz状态下的模态的示意图。其中,图2对应的模态集(即模态振型)构成了模态中性文件。
其中,计算改进的Craig—Bampton模态集[Φ*]可以通过ANSYS与ADAMS的交互操作来实现。
需要说明的是,在建立带焊缝结构的车体有限元模型时,需要定义焊缝,其中,定义焊缝可以通过以下两种方式来实现:手动输入和自动读取。手动输入时,在焊缝对应的焊线单元对话框中逐个输入焊缝的单元号、节点号;而自动读取则需要在有限元模型中预先设定好相应单元组、节点组、程序提示输入焊线单元、节点,然后即可实现自动定义焊线。
具体地,在建立目标车辆的车体有限元模型的同时,该铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估方法还可以包括:在车体有限元模型中生成焊缝结构对应的焊线节点组和焊线单元组。
一种可选的实施例,在车体有限元模型中生成焊缝结构对应的焊线节点组和焊线单元组之后,该铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估方法还可以包括:对焊缝结构对应的焊线节点以及焊线单元进行排序;其中,对焊缝结构对应的焊线节点以及焊线单元进行排序可以包括:确定焊缝结构对应的焊线的起始节点;在ANSYS软件中选取与起始节点对应的焊线单元;确定焊线的方向,并根据起始节点和焊线的方向自动搜索相邻节点,以对焊缝结构对应的焊线节点以及焊线单元进行排序。
即,输入焊线起始节点,在ANSYS软件中选取与起始节点对应的焊线单元,并判定焊线的方向,自动寻找相邻界定啊,实现焊线节点、焊线单元自动排序,减少前处理工作量。
步骤S104,利用ANSYS软件对模态中性文件进行分析得到焊缝结构的特征参数,并根据特征参数得到焊缝结构对应的多个节点的模态结构应力。
例如,可以自动模态计算后的结果文件(即模态中性文件),通过ANSYS软件的UIDL语言实现焊缝单元板厚的自动提取、焊缝节点距离计算、模态节点力的提取、模态线力和线弯矩的计算,最后得到焊缝各节点的模态结构应力。
步骤S106,将模态中性文件传输至ADAMS平台进行动力学计算,得到模态坐标时间历程,并将模态坐标时间历程导入ANSYS软件。
例如,可以基于ANSYS软件,使用APDL语言编制计算程序,使用UIDL和Tcl/Tk语言编制菜单和界面程序,完成模态中性文件传输给ADAMS,进行动力学计算。然后,将动力学计算后得到的模态坐标时间历程导入到ANSYS软件中。具体地,使用APDL语言编制计算程序可以通过ans_sendcommand发送APDL命令给ANSYS软件,通过get_value从ANSYS数据库中获取模态坐标时间历程。其中,图3(a)至图3(d)是根据本发明实施例的在不同阶数下的模态坐标时间历程的示意图,图3(a)是根据本发明实施例的在第9阶下的模态坐标时间历程的示意图,图3(b)是根据本发明实施例的在第10阶下的模态坐标时间历程的示意图,图3(c)是根据本发明实施例的在第11阶下的模态坐标时间历程的示意图,图3(d)是根据本发明实施例的在第14阶下的模态坐标时间历程的示意图。
步骤S108,根据模态坐标时间历程,对模态结构应力进行叠加得到结构应力时间历程。
步骤S110,对到结构应力时间历程进行预雨流计数,得到结构应力变化范围和结构应力变化范围出现的次数。
具体地,可以根据模态坐标时间历程,对模态结构应力进行叠加以获得结构应力时间历程{σs(t)},采用ANSYS的UIDL编制四点雨流计数程序,对结构应力{σs(t)}进行雨流计数,记录并统计每个等级的结构应力变化范围和结构应力变化范围出现的次数。
步骤S112,通过结构应力变化范围和结构应力变化范围出现的次数确定动态等效结构应力变化范围以及动态等效结构应力变化范围出现的次数。
步骤S114,将动态等效结构应力变化范围以及动态等效结构应力变化范围出现的次数和主S-N曲线对目标车辆的车体焊缝进行疲劳寿命评估。
即,可以通过结构应力变化范围和结构应力变化范围出现的次数确定动态等效结构应力变化范围以及动态等效结构应力变化范围出现的次数,然后结合主S-N曲线进行疲劳寿命评估,得到焊线疲劳损伤或循环次数。
其中,主S-N曲线是以材料标准试件疲劳强度为纵坐标,以疲劳寿命的对数值lgN为横坐标,表示一定循环下标准试件的疲劳强度与疲劳寿命之间关系的曲线,也称应力-寿命曲线。
通过上述步骤,可以建立目标车辆的车体有限元模型,并利用ANSYS软件对车体有限元模型进行模态分析得到模态中性文件,其中,车体有限元模型中包括目标车辆的焊缝结构;然后利用ANSYS软件对模态中性文件进行分析得到焊缝结构的特征参数,并根据特征参数得到焊缝结构对应的多个节点的模态结构应力;其次将模态中性文件传输至ADAMS平台进行动力学计算,得到模态坐标时间历程,并将模态坐标时间历程导入ANSYS软件;再根据模态坐标时间历程,对模态结构应力进行叠加得到结构应力时间历程;以及对到结构应力时间历程进行预雨流计数,得到结构应力变化范围和结构应力变化范围出现的次数;并通过结构应力变化范围和结构应力变化范围出现的次数确定动态等效结构应力变化范围以及动态等效结构应力变化范围出现的次数;最后将动态等效结构应力变化范围以及动态等效结构应力变化范围出现的次数和主S-N曲线对目标车辆的车体焊缝进行疲劳寿命评估。相对于相关技术中提供的货车车体焊缝疲劳的预测方法无法有效提高车体焊缝疲劳寿命的预测精度的弊端,通过本发明实施例提供的铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估方法可以实现通过构建基于动态载荷的焊缝疲劳寿命评估平台将结构应力扩展为动态结构应力,并根据动态等效结构应力变换范围以及动态等效结构应力出现的次数结合主S-N曲线对目标车辆的车体焊缝进行疲劳寿命评估的目的,达到了提高对货车车体焊缝疲劳的预测精度的技术效果,进而解决了现有技术中对货车车体焊缝疲劳的预测精度比较低的技术问题。
在步骤S108中,根据模态坐标时间历程,对模态结构应力进行叠加得到结构应力时间历程。其中,模态结构应力计算过程中所需节点力是基于焊接结构本身的,焊线处节点所承受的母材沿垂直于焊线方向的拉伸力,这个力可以通过有限元的单元节点力来获得。当节点被多个单元共享时,需要根据隔离体的思想对相邻的节点力进行合成。以四节点对接头焊线的右半隔离体为例进行说明。其中,图4是根据本发明实施例的对接焊线焊趾处的节点力分布示意图,如图4所示,列举出的焊线上有4个节点,通过每个节点建立的平衡方程如方程(1),其中,平衡方程(1)为:而实际焊接结构焊线上则有很多节点,假设有n个节点,令[N]为公式(2),其中,公式(2)为:
那么,上述平衡方程(1)可转换为公式(3),其中,公式(3)为:通常情况下,模态振型矩阵包含若干模态向量,假设从R阶模态集中选取第j阶模态向量为特定位移向量,并从中提取与焊趾处单元对应的节点位移向量通过上式计算与第j阶模态对应的模态节点力和力矩可以记为:{Fj}、{Mj},其中,j=1,2,…,R。其中,{Fj}、{Mj}满足公式(4),公式(4)为:由于公式(4)中的矩阵只与弹性模量、节点位置、刚度、质量分布和归一化的模态振型向量等基本参数有关,因此可以将{Fj,Mj}定义为模态节点力向量。其中,Ke表示车体的刚度,μψ表示节点位移,B表示应变矩阵。由于振型式结构的固有特性,不随时间变化,所有上式(4)的右端是常系数矩阵,因此全局坐标系下的模态节点力与模态振型一致存在线性关系,所以模态振型的线性叠加原理可以延伸到模态节点力的叠加。
需要说明的是,为单元a对节点1施加的垂直于焊线方向的节点力和平行于焊线方向的节点力矩;分别为单元a和b对节点2施加的节点力和节点力矩;节点力F1、F2、F3、F4一起形成焊线节点力向量,节点力M1、M2、M3、M4一起形成焊线节点力矩向量{M}。
作为一种可选的实施例,根据特征参数得到焊缝结构对应的多个节点的模态结构应力可以包括:确定焊缝结构对应的各阶模态的模态节点力;基于模态节点力确定焊缝结构对应的各阶模态的线力和线弯矩;根据模态节点力以及各阶模态的线力和线弯矩确定各阶模态的模态结构应力。
在步骤S102中,建立目标车辆的车体有限元模型可以包括:获取焊缝结构的模态,并根据获取的模态得到归一化正交模态;将归一化正交模态通过刚柔耦合动力学建模方式与ANSAS平台进行连接。从而实现对目标车辆进行建模。
基于节点的节点力向量和节点的节点力矩确定模态振型矩阵可以包括:确定模态振型矩阵截取的频率范围,其中,频率范围对应的各个不同阶数;确定各个不同阶数中每阶模态的模态结构应力。
例如,将结构总体直角坐标系下求解的焊趾处模态节点力向量{Fj,Mj}变换到焊线局部坐标系下。从整体坐标系到焊线局部坐标的坐标变换矩阵[T]可以通过有限元网格模型的节点坐标算出,将系统坐标下的节点力变换到焊线局部坐标系下,得到变换后的焊线局部坐标系下的力向量{F′j,M′j},焊线坐标系y′始终与焊线的切向方向垂直,x′方向与焊线相切。具体如公式(5)所示,其中,公式(5)为:
基于节点载荷及相邻节点距离,利用长度等效矩阵L,将每一阶模态焊线局部坐标y′轴方向的节点力转化为该方向单元边上的线载荷fj,将每一阶模态焊线局部坐标轴x′方向的节点力转化为该方向单元边上的线载荷mj。由此可以得到公式(6),其中,公式(6)为:在已知焊趾处各节点线力fj和线弯矩mj情况下,采用结构应力计算公式,可以得第j阶模态对应焊线上得模态结构应力向量其中,模态结构应力向量可以由公式(7)得到,其中,公式(7)为:式中的d表示板厚,为模态膜应力,为模态弯曲应力。令:可获得与第阶模态对应得模态结构应力向量表达式:式(9)中模态结构应力向量是由归一化模态振型向量导出的,因此其单位与结构应力的单位一样。由于T,L-1,A矩阵只与焊线的节点位置有关,在模态结构应力计算过程中他们是不随时间变化的常量矩阵,因此模态节点力向量与模态结构应力之间也存在线性关系,这也证明了模态结构应力叠加也是成立的。通过模态结构应力叠加获得是随时间变化的结构应力{σs(t)},其中,{σs(t)}满足:qj(t)表示结构应力时间历程,对结构应力{σs(t)}进行雨流计数,以获得不同等级的结构应力变化范围及其循环次数,然后分别将不同等级的结构应力变化范围带入以下公式中计算对应的等效结构应力变化范围,式中,I(r)是弯曲比r的无量纲函数(r=Δσb/Δσs),m=3.6,d为板厚。通过等效结构应力结合主S-N曲线计算疲劳寿命N。
为了使得对铁路货车车体焊缝疲劳寿命进行评估得到评估结构更加质感,在将动态等效结构应力变化范围以及动态等效结构应力变化范围出现的次数和主S-N曲线对目标车辆的车体焊缝进行疲劳寿命评估之后,该铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估方法还可以包括:获取将动态等效结构应力变化范围以及动态等效结构应力变化范围出现的次数和主S-N曲线对目标车辆的车体焊缝进行疲劳寿命评估后的评估结果;通过预定方式显示评估结果,其中,预定方式包括以下至少之一:曲线图,柱状图,饼状图,云图。
例如,可以利用焊缝疲劳寿命评估后得到的数据进行数据的导入和导出,显示曲线图、柱状图、饼状图或云图等,从而使得目标车辆的焊缝可以更加直观显示出来,便于工作人员进行指定合理的策略。另外,上述数据可以与excel进行数据交换。
图5是根据本发明实施例的可选的铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估方法的流程图,如图5所示,首先,在ANSYS软件进行模态计算,获得正交模态向量,并生成柔性车体文件(即模态中性文件);然后计算各阶模态的模态节点力,并计算各阶模态的线力、线弯矩;根据节点力求解各阶模态的模态结构应力。另外,在生成模态中性文件之后,还需要在ADAMS平台进行试验台架刚体模型装配,然后在试验驱动下建立刚柔耦合试验模型,求解缩减的动力学方程,以获得模态坐标时间历程(简称模态坐标),基于模态坐标时间历程,对各阶模态结构应力进行叠加,即,以模态坐标为权值叠加模态结构应力,获得动态结构应力,再计算动态等效结构应力时间历程(即图中的等效结构应力时间历程),并对其进行雨流计数,结合主S-N曲线进行焊缝寿命评估。从而实现了基于ANSYS平台将虚拟全尺寸车体试验台架与动态结构应力评估方法相结合的车体焊缝疲劳评估技术。
根据本发明实施例的另外一个方面,还提供了一种车体焊缝疲劳寿命的确定系统,使用上述中任一项的铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估方法。通过该车体焊缝疲劳寿命的确定系统达到了以下有益效果:
(1).充分发挥了ANSYS的APDL语言、TCL/TK语言的优势,将铁路货车全尺寸车体疲劳试验台的实物台架与仿真台架、动态的主S-N曲线法相结合,实现了基于试验载荷数据的铁路货车车体抗疲劳性能评估的程序化。
(2).充分利用了虚拟试验台架能够模拟车体应力状态,将虚拟试验台架结果用动态结构应力法进行疲劳评估,充分考虑轨道车辆的模态参与效应,既保证应力准确性又保证了疲劳评估方法的准确性。结合TCL/Tk、ANSYS的APDL语言开发了具有良好人机交互功能的界面。
(3).软件界面在ANSYS内部开发,界面友好、功能完备,不受软件版本的限制,不受单元选型、分析类型、计算方法等限制,稳定性好。
(4).充分利用虚拟全尺寸车体疲劳试验台与动态结构应力两个最先进的理论,构建了疲劳评估平台,可方便实现先进技术的工程应用,解决焊接结构疲劳失效的问题。
实施例2
根据本发明实施例还提供了一种铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估装置,需要说明的是,本发明实施例的铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估装置可以用于执行本发明实施例所提供的铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估方法。以下对本发明实施例提供的铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估装置进行介绍。
图6是根据本发明实施例的铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估装置的示意图,如图6所示,该铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估装置包括:第一分析单元601,第二分析单元603,第一获取单元605,第二获取单元607,第三获取单元609,确定单元611以及评估单元613。下面对该铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估装置进行详细说明。
第一分析单元601,用于建立目标车辆的车体有限元模型,并利用ANSYS软件对车体有限元模型进行模态分析得到模态中性文件,其中,车体有限元模型中包括目标车辆的焊缝结构。
第二分析单元603,用于利用ANSYS软件对模态中性文件进行分析得到焊缝结构的特征参数,并根据特征参数得到焊缝结构对应的多个节点的模态结构应力。
第一获取单元605,用于将模态中性文件传输至ADAMS平台进行动力学计算,得到模态坐标时间历程,并将模态坐标时间历程导入ANSYS软件。
第二获取单元607,用于根据模态坐标时间历程,对模态结构应力进行叠加得到结构应力时间历程。
第三获取单元609,用于对到结构应力时间历程进行预雨流计数,得到结构应力变化范围和结构应力变化范围出现的次数。
确定单元611,用于通过结构应力变化范围和结构应力变化范围出现的次数确定动态等效结构应力变化范围以及动态等效结构应力变化范围出现的次数。
评估单元613,用于将动态等效结构应力变化范围以及动态等效结构应力变化范围出现的次数和主S-N曲线对目标车辆的车体焊缝进行疲劳寿命评估。
在该实施例中,可以利用第一分析单元建立目标车辆的车体有限元模型,并利用ANSYS软件对车体有限元模型进行模态分析得到模态中性文件,其中,车体有限元模型中包括目标车辆的焊缝结构;然后利用第二分析单元利用ANSYS软件对模态中性文件进行分析得到焊缝结构的特征参数,并根据特征参数得到焊缝结构对应的多个节点的模态结构应力;其次利用第一获取单元将模态中性文件传输至ADAMS平台进行动力学计算,得到模态坐标时间历程,并将模态坐标时间历程导入ANSYS软件;再利用第二获取单元根据模态坐标时间历程,对模态结构应力进行叠加得到结构应力时间历程;以及利用第三获取单元对到结构应力时间历程进行预雨流计数,得到结构应力变化范围和结构应力变化范围出现的次数;同时利用确定单元通过结构应力变化范围和结构应力变化范围出现的次数确定动态等效结构应力变化范围以及动态等效结构应力变化范围出现的次数;并利用评估单元将动态等效结构应力变化范围以及动态等效结构应力变化范围出现的次数和主S-N曲线对目标车辆的车体焊缝进行疲劳寿命评估。相对于相关技术中提供的货车车体焊缝疲劳的预测方法无法有效提高车体焊缝疲劳寿命的预测精度的弊端,通过本发明实施例提供的铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估装置可以实现通过构建基于动态载荷的焊缝疲劳寿命评估平台将结构应力扩展为动态结构应力,并根据动态等效结构应力变换范围以及动态等效结构应力出现的次数结合主S-N曲线对目标车辆的车体焊缝进行疲劳寿命评估的目的,达到了提高对货车车体焊缝疲劳的预测精度的技术效果,进而解决了现有技术中对货车车体焊缝疲劳的预测精度比较低的技术问题。
作为一种可选的实施例,该铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估装置还可以包括:生成单元,用于在建立目标车辆的车体有限元模型的同时,在车体有限元模型中生成焊缝结构对应的焊线节点组和焊线单元组。
作为一种可选的实施例,该铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估装置还可以包括:排序单元,用于在车体有限元模型中生成焊缝结构对应的焊线节点组和焊线单元组之后,对焊缝结构对应的焊线节点以及焊线单元进行排序;其中,排序单元包括:第一确定模块,用于确定焊缝结构对应的焊线的起始节点;选取单元,用于在ANSYS软件中选取与起始节点对应的焊线单元;排序模块,用于确定焊线的方向,并根据起始节点和焊线的方向自动搜索相邻节点,以对焊缝结构对应的焊线节点以及焊线单元进行排序。
作为一种可选的实施例,第二分析单元可以包括:第二确定模块,用于确定焊缝结构对应的各阶模态的模态节点力;第三确定模块,用于基于模态节点力确定焊缝结构对应的各阶模态的线力和线弯矩;第四确定模块,用于根据模态节点力以及各阶模态的线力和线弯矩确定各阶模态的模态结构应力。
作为一种可选的实施例,该铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估装置还可以包括:第四获取单元,用于在将动态等效结构应力变化范围以及动态等效结构应力变化范围出现的次数和主S-N曲线对目标车辆的车体焊缝进行疲劳寿命评估之后,获取将动态等效结构应力变化范围以及动态等效结构应力变化范围出现的次数和主S-N曲线对目标车辆的车体焊缝进行疲劳寿命评估后的评估结果;显示单元,用于通过预定方式显示评估结果,其中,预定方式包括以下至少之一:曲线图,柱状图,饼状图,云图。
上述车体焊缝疲劳寿命的确定装置包括处理器和存储器,上述第一分析单元601,第二分析单元603,第一获取单元605,第二获取单元607,第三获取单元609,确定单元611以及评估单元613等均作为程序单元存储在存储器中,由处理器执行存储在存储器中的上述程序单元来实现相应的功能。
上述处理器中包含内核,由内核去存储器中调取相应的程序单元。内核可以设置一个或以上,通过调整内核参数将动态等效结构应力变化范围以及动态等效结构应力变化范围出现的次数和主S-N曲线对目标车辆的车体焊缝进行疲劳寿命评估。
上述存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器,随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式,如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM),存储器包括至少一个存储芯片。
根据本发明实施例的另外一个方面,还提供了一种存储介质,存储介质包括存储的程序,其中,程序执行上述中任意一项的铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估方法。
根据本发明实施例的另外一个方面,还提供了一种处理器,处理器用于运行程序,其中,程序运行时执行上述中任意一项的铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估方法。
在本发明实施例中还提供了一种设备,该设备包括处理器、存储器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序,处理器执行程序时实现以下步骤:建立目标车辆的车体有限元模型,并利用ANSYS软件对车体有限元模型进行模态分析得到模态中性文件,其中,车体有限元模型中包括目标车辆的焊缝结构;利用ANSYS软件对模态中性文件进行分析得到焊缝结构的特征参数,并根据特征参数得到焊缝结构对应的多个节点的模态结构应力;将模态中性文件传输至ADAMS平台进行动力学计算,得到模态坐标时间历程,并将模态坐标时间历程导入ANSYS软件;根据模态坐标时间历程,对模态结构应力进行叠加得到结构应力时间历程;对到结构应力时间历程进行预雨流计数,得到结构应力变化范围和结构应力变化范围出现的次数;通过结构应力变化范围和结构应力变化范围出现的次数确定动态等效结构应力变化范围以及动态等效结构应力变化范围出现的次数;将动态等效结构应力变化范围以及动态等效结构应力变化范围出现的次数和主S-N曲线对目标车辆的车体焊缝进行疲劳寿命评估。
在本发明实施例中还提供了一种计算机程序产品,当在数据处理设备上执行时,适于执行初始化有如下方法步骤的程序:建立目标车辆的车体有限元模型,并利用ANSYS软件对车体有限元模型进行模态分析得到模态中性文件,其中,车体有限元模型中包括目标车辆的焊缝结构;利用ANSYS软件对模态中性文件进行分析得到焊缝结构的特征参数,并根据特征参数得到焊缝结构对应的多个节点的模态结构应力;将模态中性文件传输至ADAMS平台进行动力学计算,得到模态坐标时间历程,并将模态坐标时间历程导入ANSYS软件;根据模态坐标时间历程,对模态结构应力进行叠加得到结构应力时间历程;对到结构应力时间历程进行预雨流计数,得到结构应力变化范围和结构应力变化范围出现的次数;通过结构应力变化范围和结构应力变化范围出现的次数确定动态等效结构应力变化范围以及动态等效结构应力变化范围出现的次数;将动态等效结构应力变化范围以及动态等效结构应力变化范围出现的次数和主S-N曲线对目标车辆的车体焊缝进行疲劳寿命评估。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述,不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中,对各个实施例的描述都各有侧重,某个实施例中没有详述的部分,可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中,应该理解到,所揭露的技术内容,可通过其它的方式实现。其中,以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,例如所述单元的划分,可以为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。另一点,所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口,单元或模块的间接耦合或通信连接,可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外,在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中,也可以是各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括:U盘、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估方法,其特征在于,包括:
建立目标车辆的车体有限元模型,并利用ANSYS软件对所述车体有限元模型进行模态分析得到模态中性文件,其中,所述车体有限元模型中包括所述目标车辆的焊缝结构;
利用所述ANSYS软件对所述模态中性文件进行分析得到所述焊缝结构的特征参数,并根据所述特征参数得到所述焊缝结构对应的多个节点的模态结构应力;
将所述模态中性文件传输至ADAMS平台进行动力学计算,得到模态坐标时间历程,并将所述模态坐标时间历程导入所述ANSYS软件;
根据所述模态坐标时间历程,对所述模态结构应力进行叠加得到结构应力时间历程;
对所述到结构应力时间历程进行预雨流计数,得到结构应力变化范围和所述结构应力变化范围出现的次数;
通过所述结构应力变化范围和所述结构应力变化范围出现的次数确定动态等效结构应力变化范围以及所述动态等效结构应力变化范围出现的次数;
将所述动态等效结构应力变化范围以及所述动态等效结构应力变化范围出现的次数和主S-N曲线对所述目标车辆的车体焊缝进行疲劳寿命评估。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在建立目标车辆的车体有限元模型的同时,还包括:在所述车体有限元模型中生成所述焊缝结构对应的焊线节点组和焊线单元组。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,在所述车体有限元模型中生成所述焊缝结构对应的焊线节点组和焊线单元组之后,还包括:对所述焊缝结构对应的焊线节点以及焊线单元进行排序;
其中,对所述焊缝结构对应的焊线节点以及焊线单元进行排序包括:
确定所述焊缝结构对应的焊线的起始节点;
在所述ANSYS软件中选取与所述起始节点对应的焊线单元;
确定所述焊线的方向,并根据所述起始节点和所述焊线的方向自动搜索相邻节点,以对所述焊缝结构对应的焊线节点以及焊线单元进行排序。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,根据所述特征参数得到所述焊缝结构对应的多个节点的模态结构应力包括:
确定所述焊缝结构对应的各阶模态的模态节点力;
基于所述模态节点力确定所述焊缝结构对应的各阶模态的线力和线弯矩;
根据所述模态节点力以及所述各阶模态的线力和线弯矩确定各阶模态的模态结构应力。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在将所述动态等效结构应力变化范围以及所述动态等效结构应力变化范围出现的次数和主S-N曲线对所述目标车辆的车体焊缝进行疲劳寿命评估之后,还包括:
获取将所述动态等效结构应力变化范围以及所述动态等效结构应力变化范围出现的次数和主S-N曲线对所述目标车辆的车体焊缝进行疲劳寿命评估后的评估结果;
通过预定方式显示所述评估结果,其中,所述预定方式包括以下至少之一:曲线图,柱状图,饼状图,云图。
6.一种铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估装置,其特征在于,包括:
第一分析单元,用于建立目标车辆的车体有限元模型,并利用ANSYS软件对所述车体有限元模型进行模态分析得到模态中性文件,其中,所述车体有限元模型中包括所述目标车辆的焊缝结构;
第二分析单元,用于利用所述ANSYS软件对所述模态中性文件进行分析得到所述焊缝结构的特征参数,并根据所述特征参数得到所述焊缝结构对应的多个节点的模态结构应力;
第一获取单元,用于将所述模态中性文件传输至ADAMS平台进行动力学计算,得到模态坐标时间历程,并将所述模态坐标时间历程导入所述ANSYS软件;
第二获取单元,用于根据所述模态坐标时间历程,对所述模态结构应力进行叠加得到结构应力时间历程;
第三获取单元,用于对所述到结构应力时间历程进行预雨流计数,得到结构应力变化范围和所述结构应力变化范围出现的次数;
确定单元,用于通过所述结构应力变化范围和所述结构应力变化范围出现的次数确定动态等效结构应力变化范围以及所述动态等效结构应力变化范围出现的次数;
评估单元,用于将所述动态等效结构应力变化范围以及所述动态等效结构应力变化范围出现的次数和主S-N曲线对所述目标车辆的车体焊缝进行疲劳寿命评估。
7.根据权利要求6所述的装置,其特征在于,还包括:生成单元,用于在建立目标车辆的车体有限元模型的同时,在所述车体有限元模型中生成所述焊缝结构对应的焊线节点组和焊线单元组。
8.根据权利要求7所述的装置,其特征在于,还包括:排序单元,用于在所述车体有限元模型中生成所述焊缝结构对应的焊线节点组和焊线单元组之后,对所述焊缝结构对应的焊线节点以及焊线单元进行排序;
其中,所述排序单元包括:
第一确定模块,用于确定所述焊缝结构对应的焊线的起始节点;
选取单元,用于在所述ANSYS软件中选取与所述起始节点对应的焊线单元;
排序模块,用于确定所述焊线的方向,并根据所述起始节点和所述焊线的方向自动搜索相邻节点,以对所述焊缝结构对应的焊线节点以及焊线单元进行排序。
9.根据权利要求6所述的装置,其特征在于,所述第二分析单元包括:
第二确定模块,用于确定所述焊缝结构对应的各阶模态的模态节点力;
第三确定模块,用于基于所述模态节点力确定所述焊缝结构对应的各阶模态的线力和线弯矩;
第四确定模块,用于根据所述模态节点力以及所述各阶模态的线力和线弯矩确定各阶模态的模态结构应力。
10.根据权利要求6所述的装置,其特征在于,还包括:
第四获取单元,用于在将所述动态等效结构应力变化范围以及所述动态等效结构应力变化范围出现的次数和主S-N曲线对所述目标车辆的车体焊缝进行疲劳寿命评估之后,获取将所述动态等效结构应力变化范围以及所述动态等效结构应力变化范围出现的次数和主S-N曲线对所述目标车辆的车体焊缝进行疲劳寿命评估后的评估结果;
显示单元,用于通过预定方式显示所述评估结果,其中,所述预定方式包括以下至少之一:曲线图,柱状图,饼状图,云图。
11.一种车体焊缝疲劳寿命的确定系统,其特征在于,使用权利要求1至5中任一项所述的铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估方法。
12.一种存储介质,其特征在于,所述存储介质包括存储的程序,其中,所述程序执行权利要求1至5中任意一项所述的铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估方法。
13.一种处理器,其特征在于,所述处理器用于运行程序,其中,所述程序运行时执行权利要求1至5中任意一项所述的铁路货车车体焊缝疲劳寿命的评估方法。
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