CN111914355A - 轨道车辆焊接结构应力因数确定方法、装置及终端设备 - Google Patents

轨道车辆焊接结构应力因数确定方法、装置及终端设备 Download PDF

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CN111914355A CN202010717658.XA CN202010717658A CN111914355A CN 111914355 A CN111914355 A CN 111914355A CN 202010717658 A CN202010717658 A CN 202010717658A CN 111914355 A CN111914355 A CN 111914355A
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Abstract

本发明适用于焊接结构质量评估技术领域，提供了一种轨道车辆焊接结构应力因数确定方法、装置及终端设备，该方法包括：根据轨道车辆焊接结构对应的接头类型，确定对应的标准S‑N曲线；并获得动态载荷作用下轨道车辆焊接结构的累计损伤；基于损伤等效原则，根据参考循环次数、累计损伤以及轨道车辆焊接结构对应的标准S‑N曲线，获得轨道车辆焊接结构对应的参考应力计算公式和实际应力计算公式；进而确定应力因数与累计损伤的对应关系，并根据累计损伤计算轨道车辆焊接结构的应力因数。本发明可以通过累计损伤简单、高效、准确的确定轨道车辆焊接结构的应力因数，有利于提高EN15085标准的可执行性，指导轨道车辆焊接结构的设计与制造。

Description

轨道车辆焊接结构应力因数确定方法、装置及终端设备
技术领域
本发明属于焊接结构质量评估技术领域，尤其涉及一种轨道车辆焊接结构应力因数确定方法、装置及终端设备。
背景技术
伴随高速铁路列车的广泛运营，对产品结构的安全性与可靠性提出了更高的技术要求，大量的工程数据及研究表明，焊接结构的疲劳失效是影响产品服役安全的主要失效原因，由于轨道车辆服役过程中载荷的复杂性，使其焊接结构上存在着疲劳隐患。近20年里，人们对焊接结构疲劳失效的理解已经有了明显的进步，普遍认识到焊接接头的疲劳属性与焊接之前的材料的疲劳属性是不同的，因此需要不同的方法对焊接结构进行有效地疲劳评估。
目前，轨道车辆焊接结构设计的主要指导性标准是2007年更新的欧洲EN15085标准，根据EN15085标准对焊接结构进行设计、生产和检查而在设计环节中，从而对焊接结构进行静强度设计和疲劳强度设计，在静强度设计和疲劳强度设计中确定应力等级，然后结合安全需求确定焊缝质量等级、焊缝检验等级等，基于这一标准可以高效、合理地对轨道车辆的车体和转向架等焊接结构的质量要求进行评估，以便于提高焊接结构的安全性和可靠性。
然而在EN15085标准执行时，企业通常根据经验积累确定焊缝质量等级。对于经验来不及积累的新产品来说，焊缝质量等级的确定过于随意，充满不确定性，进而影响新产品焊接结构设计质量与制造成本。而EN15085标准需要根据应力因数确定应力等级，然后结合安全需求确定焊缝质量等级、焊缝检验等级等，但EN15085标准仅给出了根据实际应力与参考应力计算应力因数，并没有给出可以具体执行的步骤，尤其是对于轨道车辆在随机载荷的作用下如何计算应力因数，目前还没有行之有效的方法，导致一直以来，该标准的可执行性成为困扰各个轨道车辆制造企业的难题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种轨道车辆焊接结构应力因数确定方法、装置及终端设备，以解决现有技术中根据经验确定应力因数不准确、轨道车辆随机载荷下的应力因数不好确定，进而导致EN15085标准的可执行性差的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种轨道车辆焊接结构应力因数确定方法，包括：
根据轨道车辆焊接结构对应的接头类型，确定所述轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线；
获得动态载荷作用下所述轨道车辆焊接结构的累计损伤；
基于损伤等效原则，根据参考循环次数、所述累计损伤以及所述轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线，获得所述轨道车辆焊接结构对应的参考应力计算公式和实际应力计算公式；
根据应力因数与实际应力、参考应力的对应关系，以及所述参考应力计算公式和所述实际应力计算公式，确定所述应力因数与所述累计损伤的对应关系，并根据所述累计损伤计算所述轨道车辆焊接结构的应力因数。
可选的，所述基于损伤等效原则，根据参考循环次数、所述累计损伤以及所述轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线，获得所述轨道车辆焊接结构对应的参考应力计算公式和实际应力计算公式，包括：
基于损伤等效原则，根据参考循环次数与所述累计损伤，获得所述轨道车辆焊接结构的等效循环次数；
根据所述轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线、所述参考循环次数和所述等效循环次数，获得所述轨道车辆焊接结构对应的参考应力计算公式和实际应力计算公式；
所述参考应力计算公式为：
σ参＝(c/n参)1/m；
所述实际应力计算公式为：
Figure BDA0002598809410000031
其中，σ参为参考应力，c为所述轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线中的常数据，m为所述轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线中的指数据，n参为所述参考循环次数，σ实为实际应力，n等效为所述等效循环次数，
Figure BDA0002598809410000032
为所述累计损伤。
可选的，所述根据所述应力因数与实际应力、参考应力的对应关系，以及所述参考应力计算公式和所述实际应力计算公式，获得所述应力因数与所述累计损伤的对应关系，包括：
根据
Figure BDA0002598809410000033
获得所述应力因数与所述累计损伤的对应关系；其中，S为应力因数。
可选的，所述获得动态载荷作用下所述轨道车辆焊接结构的累计损伤，包括：
基于有限元法，获得恒定载荷作用下所述轨道车辆焊接结构的实际恒定应力；
根据所述实际恒定应力，获得动态载荷作用下所述轨道车辆焊接结构各个载荷等级对应的实际动态应力；
根据所述各个载荷等级对应的实际动态应力，以及所述轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线中的指数据和常数据，获得动态载荷作用下轨道车辆焊接结构各个载荷等级对应的循环次数；
根据所述各个载荷等级对应的循环次数，获得动态载荷作用下轨道车辆焊接结构各个载荷等级对应的实际损伤比；
根据所述轨道车辆焊接结构各个载荷等级对应的实际损伤比，确定所述轨道车辆焊接结构的累计损伤。
可选的，所述基于有限元法，获得恒定载荷作用下所述轨道车辆焊接结构的实际恒定应力，包括：
获取所述轨道车辆焊接结构的有限元模型；
根据所述轨道车辆焊接结构对应的接头类型，确定所述有限元模型中的截面；
确定所述有限元模型中的截面所受的合力和合力矩，以及所述有限元模型中的截面总面积和抗弯模量；
根据所述合力、所述合力矩、所述截面总面积和所述抗弯模量，获得恒定载荷作用下所述轨道车辆焊接结构的实际恒定应力。
可选的，所述根据所述实际恒定应力，获得动态载荷作用下所述轨道车辆焊接结构各个载荷等级对应的实际动态应力，包括：
获取所述轨道车辆焊接结构对应的动态载荷，对所述轨道车辆焊接结构对应的动态载荷进行编谱，获得所述轨道车辆焊接结构对应的载荷谱；
根据所述载荷谱中每个载荷等级中的动载荷值、所述实际恒定应力以及所述实际恒定应力对应的恒定载荷，获得动态载荷作用下所述轨道车辆焊接结构各个载荷等级对应的实际动态应力。
可选的，所述对所述轨道车辆焊接结构对应的动态载荷进行编谱，包括：
通过雨流计数对所述轨道车辆焊接结构对应的动态载荷进行编谱。
可选的，所述根据所述各个载荷等级对应的循环次数，获得动态载荷作用下轨道车辆焊接结构各个载荷等级对应的实际损伤比，包括：
根据所述各个载荷等级对应的循环次数，以及所述载荷谱中每个载荷等级中的动载荷次数，获得动态载荷作用下轨道车辆焊接结构各个载荷等级对应的实际损伤比。
本发明实施例的第二方面提供了一种轨道车辆焊接结构应力因数确定装置，包括：
S-N曲线选择模块，用于根据轨道车辆焊接结构对应的接头类型，确定所述轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线；
累计损伤确定模块，用于获得动态载荷作用下所述轨道车辆焊接结构的累计损伤；
处理模块，用于基于损伤等效原则，根据参考循环次数、所述累计损伤以及所述轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线，获得所述轨道车辆焊接结构对应的参考应力计算公式和实际应力计算公式；
应力因数确定模块，用于根据应力因数与实际应力、参考应力的对应关系，以及所述参考应力计算公式和所述实际应力计算公式，确定所述应力因数与所述累计损伤的对应关系，并根据所述累计损伤计算所述轨道车辆焊接结构的应力因数。
本发明实施例的第三方面提供了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述任一项轨道车辆焊接结构应力因数确定方法的步骤。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：通过轨道车辆焊接结构对应的接头类型，可以确定轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线；并获得轨道车辆焊接结构的累计损伤；基于损伤等效原则，根据参考循环次数、累计损伤以及轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线，可以获得轨道车辆焊接结构对应的参考应力计算公式和实际应力计算公式；根据应力因数与实际应力、参考应力的对应关系，以及参考应力计算公式和实际应力计算公式，可以确定应力因数与累计损伤的对应关系，最终可以根据累计损伤计算轨道车辆焊接结构的应力因数。本发明通过获取应力因数与所述累计损伤的对应关系，从而得出可以根据所述累计损伤计算所述轨道车辆焊接结构的应力因数，使得可以简单、高效的确定轨道车辆焊接结构的应力因数，克服了根据经验确定焊接结构应力因数不准确的问题，有利于提高EN15085标准的可执行性，指导轨道车辆焊接结构的设计与制造。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的轨道车辆焊接结构应力因数确定方法的实现流程示意图；
图2是本发明实施例提供的获得轨道车辆焊接结构的累计损伤的流程图；
图3是本发明实施例提供的焊缝附近的有限元模型图；
图4是本发明实施例提供的有限元模型中截面上的有限元节点载荷图；
图5是本发明实施例提供的基于EN15805的轨道车辆焊接结构的质量评估的流程图；
图6是本发明实施例提供的轨道车辆焊接结构及其载荷谱的示意图；
图7是本发明实施例提供的轨道车辆焊接结构应力因数确定装置的示意图；
图8是本发明实施例提供的终端设备的示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
图1为本发明实施例提供的轨道车辆焊接结构应力因数确定方法的实现流程示意图，详述如下。
步骤S101，根据轨道车辆焊接结构对应的接头类型，确定轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线。
其中，S-N曲线是以材料标准试件的疲劳强度为纵坐标，以疲劳寿命的对数值为横坐标，表示一定循环特征下材料标准试件的疲劳强度与疲劳寿命之间关系的曲线，也称为应力-寿命曲线。
轨道车辆的焊接结构可以对应不同的接头类型，可以基于BS7608标准或国际焊接学会IIW标准，获得不同接头类型对应的标准S-N曲线，进而获得轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线的指数据和常数据。
步骤S102，获得动态载荷作用下轨道车辆焊接结构的累计损伤。
可选的，参考图2，获得动态载荷作用下轨道车辆焊接结构的累计损伤，可以包括：
步骤S201，基于有限元法，获得恒定载荷作用下轨道车辆焊接结构的实际恒定应力。
可选的，可以基于有限元法，获取轨道车辆焊接结构的有限元模型；根据轨道车辆焊接结构对应的接头类型，确定有限元模型中的截面；确定有限元模型中的截面所受的合力和合力矩，以及有限元模型中的截面总面积和抗弯模量；根据合力、合力矩、截面总面积和抗弯模量，获得恒定载荷作用下轨道车辆焊接结构的实际恒定应力。
参考图3，理论上恒定载荷下的实际恒定应力定义为：
Figure BDA0002598809410000071
其中，σi代表焊缝区域的截面处的实际恒定应力，Fn为该截面所受到的合力，M为合力矩，A为截面总面积，W为抗弯模量。
参考图4，理论上恒定载荷下的实际恒定应力是根据截面法计算得到的，实际上，可以通过有限元建模软件(例如HyperMesh)和有限元求解软件(例如Ansys)，获得有限元结果文件，提取有限元结果文件中垂直于截面上的各节点力(f1,f2,…fn)、各节点力矩(m1,m2,…mn)、截面上各单元面积(A1,A2,…Am)以及各单元模量(W1,W2,…Wm)，可得恒定载荷下的实际恒定应力σi：
Figure BDA0002598809410000081
步骤S202，根据实际恒定应力，获得动态载荷作用下轨道车辆焊接结构各个载荷等级对应的实际动态应力。
可选的，可以获取轨道车辆焊接结构对应的动态载荷，对轨道车辆焊接结构对应的动态载荷进行编谱，获得轨道车辆焊接结构对应的载荷谱；根据载荷谱中每个载荷等级中的动载荷值、实际恒定应力以及实际恒定应力对应的恒定载荷，获得动态载荷作用下轨道车辆焊接结构各个载荷等级对应的实际动态应力。
通常情况下，轨道车辆焊接结构面临的外载是变化的随机载荷，也就是动态载荷，可以根据轨道车辆焊接结构的运行环境或设计要求，获取轨道车辆焊接结构对应的动态载荷，通过雨流计数对轨道车辆焊接结构对应的动态载荷进行编谱，获得轨道车辆焊接结构对应的载荷谱，根据载荷谱中每个载荷等级中的动载荷值与实际恒定应力对应的恒定载荷的比例系数，以及实际恒定应力，依据线性关系，获得动态载荷作用下轨道车辆焊接结构各个载荷等级对应的实际动态应力。如表1所示，当实际恒定应力对应的恒定载荷为Fn，实际恒定应力为σi时，具体的实际动态应力计算如下：
表1：动态载荷时的实际动态应力计算
动载荷分级 动载荷值 动载荷次数 比例系数 实际动态应力
1 P<sub>1</sub> n<sub>1</sub> K<sub>1</sub>＝P<sub>1</sub>/F<sub>n</sub> K<sub>1</sub>*σ<sub>i</sub>
2 P<sub>2</sub> n<sub>2</sub> K<sub>2</sub>＝P<sub>2</sub>/F<sub>n</sub> K<sub>2</sub>*σ<sub>i</sub>
... ... ... ... ...
n P<sub>n</sub> n<sub>n</sub> K<sub>n</sub>＝P<sub>n</sub>/F<sub>n</sub> K<sub>n</sub>*σ<sub>i</sub>
步骤S203，根据各个载荷等级对应的实际动态应力，以及轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线中的指数据和常数据，获得动态载荷作用下轨道车辆焊接结构各个载荷等级对应的循环次数。
步骤S204，根据各个载荷等级对应的循环次数，获得动态载荷作用下轨道车辆焊接结构各个载荷等级对应的实际损伤比。
步骤S205，根据轨道车辆焊接结构各个载荷等级对应的实际损伤比，确定轨道车辆焊接结构的累计损伤。
其中，可以根据各个载荷等级对应的循环次数，以及载荷谱中每个载荷等级中的动载荷次数，获得动态载荷作用下轨道车辆焊接结构各个载荷等级对应的实际损伤比。
参考表2，在获得动态载荷作用下各个载荷等级对应的实际动态应力后，结合轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线中的指数据m和常数据c，可以获得动态载荷作用下轨道车辆焊接结构各个载荷等级对应的循环次数及实际损伤比，并根据各个载荷等级对应的实际损伤比之和，获得轨道车辆焊接结构的累计损伤。
表2：动态载荷时的循环次数、实际损伤比及累计损伤
Figure BDA0002598809410000091
Figure BDA0002598809410000101
步骤S103，基于损伤等效原则，根据参考循环次数、累计损伤以及轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线，获得轨道车辆焊接结构对应的参考应力计算公式和实际应力计算公式。
可选的，基于损伤等效原则，可以根据参考循环次数与累计损伤，获得轨道车辆焊接结构的等效循环次数；根据轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线、参考循环次数和等效循环次数，获得轨道车辆焊接结构对应的参考应力计算公式和实际应力计算公式。
其中，由于在动态载荷作用下，实际动态应力也是动态变化的，不存在实际动态应力的恒定值，基于损伤等效原则，可以计算出一个恒定的等效应力作为实际动态应力，这个恒定的等效应力产生的损伤与实际动态应力产生的损伤相等。
一般工程上，通常设定焊接结构能承受200万次循环时的计算应力为该焊接结构的参考应力。
确定轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线后，设定参考循环次数n参＝200万次，则参考应力计算公式：σ参＝(c/n参)1/m，当轨道车辆焊接结构的累计损伤为
Figure BDA0002598809410000102
时，可以计算等效循环次数n等效，即
Figure BDA0002598809410000103
也就是
Figure BDA0002598809410000104
所以实际应力计算公式
Figure BDA0002598809410000105
其中，σ参为参考应力，c为轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线中的常数据，m为轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线中的指数据，n参为参考循环次数，n等效为等效循环次数，σ实为实际应力，σ等效为等效应力，
Figure BDA0002598809410000106
为所述累计损伤。
步骤S104，根据应力因数与实际应力、参考应力的对应关系，以及参考应力计算公式和实际应力计算公式，确定应力因数与累计损伤的对应关系，并根据累计损伤计算轨道车辆焊接结构的应力因数。
其中，根据EN15085标准中应力因数的定义：
Figure BDA0002598809410000111
其中，S为应力因数，可以获得应力因数与累计损伤的对应关系：
Figure BDA0002598809410000112
进而根据轨道车辆焊接结构的累计损伤确定轨道车辆焊接结构的应力因数。
可选的，在根据轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线以及轨道车辆焊接结构的累计损伤确定轨道车辆焊接结构的应力因数之后，查找EN15085标准中如表3所示的应力等级对应表，可以确定应力因数对应的应力等级：
表3：EN15085中应力等级对应表
Figure BDA0002598809410000113
其中，当参考应力可以通过标准S-N曲线计算得到时，根据“来自计算标准的疲劳强度值”确定应力因数对应的应力等级，当参考应力需要典型接头试样的疲劳试验得到时，根据“典型接头试样的疲劳试验值”确定应力因数对应的应力等级。
如表4所示，确定轨道车辆焊接结构的应力因数对应的应力等级后，根据轨道车辆焊接结构的安全需求，可以确定EN15085标准中的焊缝质量等级、缺陷评价等级、焊缝检验等级与检验之间的关系：
表4：EN15085标准的焊接接头上焊缝的质量等级的确认关系
Figure BDA0002598809410000121
根据上述轨道车辆焊接结构应力因数的确定方法，结合图5所示的流程，可以在动态载荷作用下，基于EN15085标准对轨道车辆的车体和转向架等焊接结构的质量要求进行定义与评估，通过多次优化保障轨道车辆的车体和转向架等焊接结构的设计质量，从而提高焊接结构运用的可靠性与安全性。
其中，获取接头的特性可以为获取轨道车辆焊接结构的接头类型，根据轨道车辆焊接结构的接头类型选择对应的标准S-N曲线，计算接头应力因数后，对于无限寿命设计的焊接结构，可以根据其实际应力是否低于疲劳极限判断是否满足设计标准；对于有限寿命设计的焊接结构，当其累计损伤小于1时可以认为满足设计标准。
检验是否可以实现，即设计好焊接结构后，根据焊缝的检验等级，确定需要进行的检查，并判断相应的检查是否可以实现，如果可以实现就继续审核焊接设计、焊接质量等级与焊接检验等级，如果不能实现，则可以对焊接结构的接头的局部参数进行修改，以设计获得满足EN15085标准中相应焊缝质量等级和焊缝检验等级的焊接结构。
作为本发明的一实施例，参考图6，主板和附板厚均为t＝10mm，焊脚为10mm，主板宽为100mm，动态载荷谱为ΔF1＝40kN，n1＝40万次；ΔF2＝60kN，n2＝30万次；ΔF3＝70kN，n3＝30万次；校核该焊接结构是否满足设计要求，求该焊接结构接头的应力因数并确定该焊接结构接头的应力因数对应的应力等级的过程如下：
(1)设定该焊接结构的焊缝处截面并计算恒定载荷下的实际恒定应力，取恒定载荷Fn＝40kN，得实际恒定应力σi：
Figure BDA0002598809410000131
(2)设定该焊接结构的焊缝处截面并计算实际动态应力：
Figure BDA0002598809410000132
(3)动态累计损伤的计算：由BS7608标准，确定该接头细节是F2级，标准S-N曲线的指数据m＝3：
Figure BDA0002598809410000133
(4)计算动态载荷下的应力因数：
根据上述动态累计损伤的计算结果，在已知该焊接结构对应的S-N曲线的指数据m时，计算动态载荷下的应力因数：
Figure BDA0002598809410000141
(5)根据应力因数确定质量等级：
根据EN15085标准，应力因数在0.75至0.9之间，所以该焊接结构的应力等级为“中”，当安全需求为“高”时，可得知焊缝质量等级为“CP B”，焊缝检验等级为“CT2”。
Figure BDA0002598809410000142
作为本发明的又一实施例，当焊接结构的接头的局部需要修改时，可以按照事先约定的焊接接头的三维几何，在焊接结构的有限元模型中定义需要修改的接头的局部截面，从每一种疲劳载荷工况中确认接头局部截面的载荷最大值，并对每一载荷最大值的整体结构求解，分别提取与每一载荷最大值对应的截面的每一节点的节点力，并对截面上的所有节点力进行合成，获得每一截面上的合力与合力矩分布，然后利用线性换算关系，获得与每一疲劳载荷波形对应的截面上的节点力波形、合力波形；将这些波形作每一焊接接头上的实际动态应力谱，选择焊接结构的接头的局部对应的S-N曲线及载荷谱后，即可计算对应的实际损伤比与累计损伤，根据累计损伤可以确定焊接结构的接头的局部对应应力因数，进而确定EN15085标准中应力因数对应的应力等级以及焊接结构的接头的局部的安全需求，根据单独工况或各工况合成后的应力因数与应力等级以及安全需求，可以确定焊接结构的接头的局部的焊缝质量等级及焊缝检验等级等的对应关系，进而指导设计得到满足EN15085标准的焊接结构，可以在显著提高轨道车辆焊接结构的设计质量并降低制造成本的前提下，大大缩减轨道车辆焊接结构的研发周期，提高研发效率，有效的指导轨道车辆焊接结构的工程生产，满足国内轨道交通产品出口时技术协议上必须要执行EN15085标准的规定需求。
上述轨道车辆焊接结构应力因数确定的方法，通过轨道车辆焊接结构对应的接头类型，可以确定轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线；并获得轨道车辆焊接结构的累计损伤；基于损伤等效原则，根据参考循环次数、累计损伤以及轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线，可以获得轨道车辆焊接结构对应的参考应力计算公式和实际应力计算公式；根据应力因数与实际应力、参考应力的对应关系，以及参考应力计算公式和实际应力计算公式，可以确定应力因数与累计损伤的对应关系，最终可以根据累计损伤计算轨道车辆焊接结构的应力因数。本发明通过获取应力因数与累计损伤的对应关系，从而得出可以根据累计损伤计算轨道车辆焊接结构的应力因数，使得可以简单、高效的确定轨道车辆焊接结构的应力因数，克服了根据经验确定焊接结构应力因数不准确的问题，有利于提高EN15085标准的可执行性，进而根据EN15085标准快速确定焊缝质量等级、焊缝检验等级等，科学评估焊接结构和焊缝疲劳寿命是否满足相关疲劳标准要求，以指导轨道车辆中车体结构和转向架构架等焊接结构的设计与制造，满足了国内轨道交通产品出口时技术协议上必须要执行EN15085标准的规定需求。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
对应于上文实施例所述的轨道车辆焊接结构应力因数确定方法，图7示出了本发明实施例提供的轨道车辆焊接结构应力因数确定装置的示意图。如图7所示，该装置可以包括：S-N曲线选择模块71、累计损伤确定模72、处理模73和应力因数确定模块74。
S-N曲线选择模块71，用于根据轨道车辆焊接结构对应的接头类型，确定所述轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线。
累计损伤确定模块72，用于获得动态载荷作用下所述轨道车辆焊接结构的累计损伤。
处理模块73，用于基于损伤等效原则，根据参考循环次数、所述累计损伤以及所述轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线，获得所述轨道车辆焊接结构对应的参考应力计算公式和实际应力计算公式。
应力因数确定模块74，用于根据应力因数与实际应力、参考应力的对应关系，以及所述参考应力计算公式和所述实际应力计算公式，确定所述应力因数与所述累计损伤的对应关系，并根据所述累计损伤计算所述轨道车辆焊接结构的应力因数。
可选的，处理模块73，可以基于损伤等效原则，根据参考循环次数与所述累计损伤，获得所述轨道车辆焊接结构的等效循环次数；根据所述轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线、所述参考循环次数和所述等效循环次数，获得所述轨道车辆焊接结构对应的参考应力计算公式和实际应力计算公式；
所述参考应力计算公式为：
σ参＝(c/n参)1/m；
所述实际应力计算公式为：
Figure BDA0002598809410000161
其中，σ参为参考应力，c为所述轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线中的常数据，m为所述轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线中的指数据，n参为所述参考循环次数，σ实为实际应力，n等效为所述等效循环次数，
Figure BDA0002598809410000162
为所述累计损伤。
可选的，应力因数确定模块74，可以根据
Figure BDA0002598809410000163
获得所述应力因数与所述累计损伤的对应关系；其中，S为应力因数。
可选的，累计损伤确定模块72，可以基于有限元法，获得恒定载荷作用下所述轨道车辆焊接结构的实际恒定应力；根据所述实际恒定应力，获得动态载荷作用下所述轨道车辆焊接结构各个载荷等级对应的实际动态应力；根据所述各个载荷等级对应的实际动态应力，以及所述轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线中的指数据和常数据，获得动态载荷作用下轨道车辆焊接结构各个载荷等级对应的循环次数；根据所述各个载荷等级对应的循环次数，获得动态载荷作用下轨道车辆焊接结构各个载荷等级对应的实际损伤比；根据所述轨道车辆焊接结构各个载荷等级对应的实际损伤比，确定所述轨道车辆焊接结构的累计损伤。
可选的，累计损伤确定模块72，可以获取所述轨道车辆焊接结构的有限元模型；根据所述轨道车辆焊接结构对应的接头类型，确定所述有限元模型中的截面；确定所述有限元模型中的截面所受的合力和合力矩，以及所述有限元模型中的截面总面积和抗弯模量；根据所述合力、所述合力矩、所述截面总面积和所述抗弯模量，获得恒定载荷作用下所述轨道车辆焊接结构的实际恒定应力。
可选的，累计损伤确定模块72，可以获取所述轨道车辆焊接结构对应的动态载荷，对所述轨道车辆焊接结构对应的动态载荷进行编谱，获得所述轨道车辆焊接结构对应的载荷谱；根据所述载荷谱中每个载荷等级中的动载荷值、所述实际恒定应力以及所述实际恒定应力对应的恒定载荷，获得动态载荷作用下所述轨道车辆焊接结构各个载荷等级对应的实际动态应力。
可选的，累计损伤确定模块72，可以通过雨流计数对所述轨道车辆焊接结构对应的动态载荷进行编谱。
可选的，累计损伤确定模块72，可以根据所述各个载荷等级对应的循环次数，以及所述载荷谱中每个载荷等级中的动载荷次数，获得动态载荷作用下轨道车辆焊接结构各个载荷等级对应的实际损伤比。
上述轨道车辆焊接结构应力因数确定装置，通过S-N曲线选择模块，可以根据轨道车辆焊接结构对应的接头类型，确定对应的标准S-N曲线；通过累计损伤确定模块，获得动态载荷作用下轨道车辆焊接结构的累计损伤；通过处理模块，可以基于损伤等效原则，根据参考循环次数、累计损伤以及轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线，获得轨道车辆焊接结构对应的参考应力计算公式和实际应力计算公式；通过应力因数确定模块，根据应力因数与实际应力、参考应力的对应关系，以及参考应力计算公式和实际应力计算公式，确定应力因数与累计损伤的对应关系，从而根据累计损伤计算轨道车辆焊接结构的应力因数。本发明通过获取应力因数与累计损伤的对应关系，得出可以根据累计损伤计算轨道车辆焊接结构的应力因数的结论，从而可以简单、高效的确定轨道车辆焊接结构的应力因数，克服了根据经验确定焊接结构应力因数不准确的问题，有利于提高EN15085标准的可执行性，指导轨道车辆焊接结构的设计与制造。
图8是本发明一实施例提供的终端设备的示意图。如图8所示，该实施例的终端设备800包括：处理器801、存储器802以及存储在所述存储器802中并可在所述处理器801上运行的计算机程序803，例如轨道车辆焊接结构应力因数确定程序。所述处理器801执行所述计算机程序803时实现上述轨道车辆焊接结构应力因数确定方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤S101至S104，或者图2所示的步骤S201至步骤S205，所述处理器801执行所述计算机程序803时实现上述各装置实施例中各模块的功能，例如图7所示模块71至74的功能。
示例性的，所述计算机程序803可以被分割成一个或多个程序模块，所述一个或者多个程序模块被存储在所述存储器802中，并由所述处理器801执行，以完成本发明。所述一个或多个程序模块可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序803在所述轨道车辆焊接结构应力因数确定装置或者终端设备800中的执行过程。例如，所述计算机程序803可以被分割成S-N曲线选择71，累计损伤确定模块72，处理模块73，应力因数确定模块74，各模块具体功能如图7所示，在此不再一一赘述。
所述终端设备800可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器801、存储器802。本领域技术人员可以理解，图8仅仅是终端设备800的示例，并不构成对终端设备800的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器801可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器802可以是所述终端设备800的内部存储单元，例如终端设备800的硬盘或内存。所述存储器802也可以是所述终端设备800的外部存储设备，例如所述终端设备800上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(SecureDigital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器802还可以既包括所述终端设备800的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器802用于存储所述计算机程序以及所述终端设备800所需的其他程序和数据。所述存储器802还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块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。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅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讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
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网络单元上。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。
所述集成的模块/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，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种轨道车辆焊接结构应力因数确定方法，其特征在于，包括：
根据轨道车辆焊接结构对应的接头类型，确定所述轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线；
获得动态载荷作用下所述轨道车辆焊接结构的累计损伤；
基于损伤等效原则，根据参考循环次数、所述累计损伤以及所述轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线，获得所述轨道车辆焊接结构对应的参考应力计算公式和实际应力计算公式；
根据应力因数与实际应力、参考应力的对应关系，以及所述参考应力计算公式和所述实际应力计算公式，确定所述应力因数与所述累计损伤的对应关系，并根据所述累计损伤计算所述轨道车辆焊接结构的应力因数。
2.如权利要求1所述的轨道车辆焊接结构应力因数确定方法，其特征在于，所述基于损伤等效原则，根据参考循环次数、所述累计损伤以及所述轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线，获得所述轨道车辆焊接结构对应的参考应力计算公式和实际应力计算公式，包括：
基于损伤等效原则，根据参考循环次数与所述累计损伤，获得所述轨道车辆焊接结构的等效循环次数；
根据所述轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线、所述参考循环次数和所述等效循环次数，获得所述轨道车辆焊接结构对应的参考应力计算公式和实际应力计算公式；
所述参考应力计算公式为：
σ参＝(c/n参)1/m；
所述实际应力计算公式为：
Figure FDA0002598809400000011
其中，σ参为参考应力，c为所述轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线中的常数据，m为所述轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线中的指数据，n参为所述参考循环次数，σ实为实际应力，n等效为所述等效循环次数，
Figure FDA0002598809400000021
为所述累计损伤。
3.如权利要求2所述的轨道车辆焊接结构应力因数确定方法，其特征在于，所述根据所述应力因数与实际应力、参考应力的对应关系，以及所述参考应力计算公式和所述实际应力计算公式，获得所述应力因数与所述累计损伤的对应关系，包括：
根据
Figure FDA0002598809400000022
获得所述应力因数与所述累计损伤的对应关系；其中，S为应力因数。
4.如权利要求1至3任一项所述的轨道车辆焊接结构应力因数确定方法，其特征在于，所述获得动态载荷作用下所述轨道车辆焊接结构的累计损伤，包括：
基于有限元法，获得恒定载荷作用下所述轨道车辆焊接结构的实际恒定应力；
根据所述实际恒定应力，获得动态载荷作用下所述轨道车辆焊接结构各个载荷等级对应的实际动态应力；
根据所述各个载荷等级对应的实际动态应力，以及所述轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线中的指数据和常数据，获得动态载荷作用下轨道车辆焊接结构各个载荷等级对应的循环次数；
根据所述各个载荷等级对应的循环次数，获得动态载荷作用下轨道车辆焊接结构各个载荷等级对应的实际损伤比；
根据所述轨道车辆焊接结构各个载荷等级对应的实际损伤比，确定所述轨道车辆焊接结构的累计损伤。
5.如权利要求4所述的轨道车辆焊接结构应力因数确定方法，其特征在于，所述基于有限元法，获得恒定载荷作用下所述轨道车辆焊接结构的实际恒定应力，包括：
获取所述轨道车辆焊接结构的有限元模型；
根据所述轨道车辆焊接结构对应的接头类型，确定所述有限元模型中的截面；
确定所述有限元模型中的截面所受的合力和合力矩，以及所述有限元模型中的截面总面积和抗弯模量；
根据所述合力、所述合力矩、所述截面总面积和所述抗弯模量，获得恒定载荷作用下所述轨道车辆焊接结构的实际恒定应力。
6.如权利要求4所述的轨道车辆焊接结构应力因数确定方法，其特征在于，所述根据所述实际恒定应力，获得动态载荷作用下所述轨道车辆焊接结构各个载荷等级对应的实际动态应力，包括：
获取所述轨道车辆焊接结构对应的动态载荷，对所述轨道车辆焊接结构对应的动态载荷进行编谱，获得所述轨道车辆焊接结构对应的载荷谱；
根据所述载荷谱中每个载荷等级中的动载荷值、所述实际恒定应力以及所述实际恒定应力对应的恒定载荷，获得动态载荷作用下所述轨道车辆焊接结构各个载荷等级对应的实际动态应力。
7.如权利要求6所述的轨道车辆焊接结构应力因数确定方法，其特征在于，所述对所述轨道车辆焊接结构对应的动态载荷进行编谱，包括：
通过雨流计数对所述轨道车辆焊接结构对应的动态载荷进行编谱。
8.如权利要求6所述的轨道车辆焊接结构应力因数确定方法，其特征在于，所述根据所述各个载荷等级对应的循环次数，获得动态载荷作用下轨道车辆焊接结构各个载荷等级对应的实际损伤比，包括：
根据所述各个载荷等级对应的循环次数，以及所述载荷谱中每个载荷等级中的动载荷次数，获得动态载荷作用下轨道车辆焊接结构各个载荷等级对应的实际损伤比。
9.一种轨道车辆焊接结构应力因数确定装置，其特征在于，包括：
S-N曲线选择模块，用于根据轨道车辆焊接结构对应的接头类型，确定所述轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线；
累计损伤确定模块，用于获得动态载荷作用下所述轨道车辆焊接结构的累计损伤；
处理模块，用于基于损伤等效原则，根据参考循环次数、所述累计损伤以及所述轨道车辆焊接结构对应的标准S-N曲线，获得所述轨道车辆焊接结构对应的参考应力计算公式和实际应力计算公式；
应力因数确定模块，用于根据应力因数与实际应力、参考应力的对应关系，以及所述参考应力计算公式和所述实际应力计算公式，确定所述应力因数与所述累计损伤的对应关系，并根据所述累计损伤计算所述轨道车辆焊接结构的应力因数。
10.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至8任一项所述方法的步骤。
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