基于主S—N曲线法的焊接结构疲劳寿命预测系统开发和关键技术

　　摘要： 根据ASME标准的计算公式，开发基于主SN曲线法的焊接结构疲劳寿命预测软件，其核心是采用网格不敏感结构应力及一条主SN曲线的方法计算焊接结构的疲劳寿命.系统开发选用面向对象的VC++语言和OpenGL开发库；采用模块化程序设计的思想将系统划分为有限元定义模块、焊缝定义及结构应力计算模块、载荷谱管理及雨流计数模块、主SN数据管理及疲劳计算模块等4个核心模块；开发专用的接口程序和三维交互界面.该软件系统已在我国轨道交通制造行业中得到良好应用.以某货车车体关键焊缝疲劳寿命计算为典型实例，用软件系统进行车体疲劳寿命评估，计算结果表明该货车焊缝满足设计要求，同时也证明该软件系统的实用性和高效性. 

　　关键词： 焊接结构； 疲劳； 预测； SN曲线法； 软件开发； 工程应用 

　　中图分类号： U270.2文献标志码： B 

　　Abstract： According to the calculation formulas of ASME standard， the welded structure fatigue life prediction software is developed on the basis of master SN curve method， of which the key is the method using the meshinsensitive structure stress and a master SN curve is taken to calculate the fatigue life of welded structures. The objectoriented language VC++ and the OpenGL library are used to develop the system； according to the modularization program design idea， the system is divided into four modules， including finite element definition module， weld definition and structure stress calculation module， load spectrum management and rainflow counting module， and master SN data management and fatigue calculation module； the special interface program and 3D interactive interface are developed. The software system has been put into application in the railway transit industry of China. The key weld fatigue life calculation of a freight car body is taken as a typical example， the software system are used to evaluate the body fatigue， and the calculation results show that the weld of the freight car meets the design requirements， which also proves the practicability and efficiency of the software system. 

　　Key words： welded structure； fatigue； prediction； SN curve method； software development； engineering application 

　　0引言 

　　主SN法焊接结构疲劳寿命预测系统是基于美国新奥尔良大学DONG Pingsha教授发明的网格不敏感结构应力法原理开发的焊接结构疲劳寿命评估的专用软件系统，其核心是采用网格不敏感结构应力技术（Meshinsensitive Structural Stress method，MSS）和一条主SN曲线预测焊接疲劳强度，从而解决应力大小对有限元网格尺寸的敏感性及多种焊接接头SN曲线选择困难的技术难题，减小分析误差，提高预测精度.2007年，美国ASME标准的第5章第5节公开“Fatigue Assessment of WeldsElastic Analysis and Structural Stress”，并给出一系列焊接结构疲劳寿命的理论公式.[1]针对这一理论，采用面向对象的VC++语言和OpenGL开发库，采用模块化设计方法，开发一套可以对复杂焊接结构进行疲劳寿命预测的软件系统.该系统可以与通用有限元数值仿真软件对接，支持HyperMesh和Abaqus软件的接口数据，支持焊缝上的应力和疲劳损伤的计算与三维动态显示，实现从焊缝定义到焊接结构疲劳计算的一体化分析流程.同时，该软件系统内嵌北美铁路协会AAR标准的全部载荷谱数据，可实现数据的动态维护管理和调用，并开发专用的雨流计数模块和SN数据导入模块，进一步提高软件系统的灵活性. 

　　1软件系统原理 

　　1.1结构应力定义和求解 

　　2开发工具 

　　系统开发选用Visual Studio C++ 2005集成软件环境为开发工具.Visual Studio C++ 2005是微软公司推出的Windows平台应用程序开发环境，该集成环境为开发者提供面向对象的可靠编程语言，可以生成功能强大并注重性能的应用程序，通过高级模板、低级别平台访问和优化编译器，可生成支持不同操作系统的高效率应用程序.[4]

　　系统平台在绘制有限元三维模型时，采用开放的图形库OpenGL技术.OpenGL是美国SGI公司开发的功能强大的图形软件应用程序接口，其在三维图形绘制和操作、纹理映射和光照模型设置方面都具有很强的二次开发能力，已经成为一个性能卓越的三维图形工业标准.该技术还为用户提供开放的三维图形软件包，独立于窗口系统和操作系统，以其为基础开发的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植，OpenGL还可以与Visual Studio C++2005实现紧密的接口技术，便于高效开发相关计算和图形算法程序.[5] 

　　数据库开发接口采用ADO技术，该技术提供编程语言和统一数据访问方式OLEDB的一个中间层，通过OLEDB提供者对数据库服务器中的数据进行访问和操作[6]，其主要优点是易于使用、高速度、低内存支出和占用磁盘空间较少，并且ADO技术支持用于建立基于客户端与服务器应用程序的主要功能. 

　　3软件流程 

　　主SN曲线法计算流程见图3.（1）用户登录，判断用户的使用权限.系统提供两种权限：一种是普通用户，另一种是高级用户.高级用户可以调整系统内部参数，并能够执行高级计算模块，而普通用户没有这个权限.（2）进入有限元数据管理模块，导入ANSYS或Abaqus有限元计算结果文件，调整计算单位.（3）定义焊缝位置的起始节点及起始单元编号，定义焊线中所包含的节点及单元信息，用户可以进行手工输入，也可以根据自动化焊缝功能将已在HyperMesh软件中定义的焊线数据自动导入系统.（4）提取焊线定义位置的节点力，按结构应力计算公式，计算结构应力值.（5）按等效结构应力计算公式计算各节点处的等效结构应力.（6）输入载荷谱及各载荷通道对应信息，选择系统提供的各载荷通道对应的AAR标准中货车车型载荷谱，或者选择其他载荷谱.（7）重复步骤（6），将其余载荷通道数据按相同方法进行对应.（8）选择主SN曲线数据，并与评估焊缝数据相对应.（9）采用线性静态应力恢复原理，生成等效结构应力变化范围数据，按Miner线性累积理论计算各级载荷下的损伤比，并对每个载荷通道进行疲劳损伤计算，然后按对应位置进行损伤累积，最后按累积损伤值计算各评估位置的疲劳寿命里程及年限.（10）计算结果达到要求则保存结果并自动生成计算报告，若达不到要求则修改有限元计算模型，调整设计结构并返回步骤（4）重新计算结构应力，直到计算结果满足要求. 

　　（1）有限元文件定义模块.有限元文件定义模块提供对ANSYS结果文件或Abaqus结果文件的维护操作，用户可以增加多个有限元结果文件.如果在有限元结果文件中包含有多个载荷工况的计算结果，用户可以指定工况编号. 

　　（2）焊缝定义及结构应力计算模块，该模块包括3个子模块. 

　　①焊线定义子模块.定义板壳、六面体、四面体、平面应力、平面应变、轴对称和点焊的相关参数.用户可以手动输入有限元文件中焊线处单元、节点、起始节点、起始单元的编号和板厚参数，不同单元类型由不同的参数定义. 

　　②结构应力计算子模块.提供ANSYS和Abaqus结果文件求解器，用户提交的有限元结果文件中应包含节点力数据. 

　　③结构应力计算结果查询子模块.提供各条焊缝定义的结构应力数据和等效结构应力计算结果，并自动显示焊缝上结构应力和等效结构应力分布情况.用户可以切换不同的工况进行查询，也可以对上、下面结构应力及剪切应力进行绘图.当选择绘图功能时软件将启动Excel软件进行绘图，当运行统计结果功能时软件将列出结构应力最大的前10项数据.