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(2)

　　（3）载荷谱管理及雨流计数模块.该模块由2个子模块组成. 

　　①雨流计数子模块.打开时域载荷谱文件，根据用户设定的阈值进行雨流计数，得到载荷最大值、最小值和变化范围，并统计发生次数，将该计算数据保存为文本文件. 

　　②载荷谱维护子模块.该模块提供AAR标准中的全部载荷谱数据，用户也可根据软件规定格式增加文件载荷谱数据，还可以增加自定义载荷谱数据.软件提供铁路车辆常用的载荷谱数据，用户可以对这些载荷数据进行统计分析、数据汇总、查询维护、数据分解和单位转换等多种操作. 

　　（4）主SN数据管理及疲劳计算模块，该计算模块由3个子模块组成. 

　　①主SN参数定义子模块.用户可以进行自定义参数设置，并将这些数据导入系统数据库中. 

　　②疲劳计算子模块.当主SN数据及载荷谱数据对应后，即可进行疲劳计算.计算前应输入年运行里程或次数，考核年限或次数以及Miner损伤累积值，系统初值为1，即累积损伤达到1时将产生疲劳破坏，用户可根据需要进行修改.另外，当里程和年限值为1时，计算结果中得到的里程和年限值为达到疲劳破坏的循环次数值. 

　　③疲劳计算结果查询子模块.运行计算结果功能得到各工况合成后的疲劳损伤值和单独工况的疲劳计算结果，用户选择右侧树形列表框内的焊缝编号后，可在左侧的列表栏中显示该焊缝的计算结果.运行Excel输出功能及txt输出功能，可将用户选择工况计算结果输出.运行统计结果功能可显示计算结果中损伤最大的前10项结果.清除结果功能将把计算结果清除. 

　　5软件接口技术 

　　在预测平台开发过程中需要读取ANSYS软件二进制结果文件数据信息，同时还要采用OpenGL技术实现有限元数据显示.如何实现这项技术是软件开发过程中一个难题. 

　　通过反汇编程序分析，ANSYS软件RST结果文件采用地址链表方式存储二进制格式数据，其数据主要可由以下内容组成. 

　　（1）标准的文件数据头：主要存储文件标志代码、文件格式信息、文件长度信息、有限元单元、节点总数和几何数据保存地址等内容，该段数据长度为100 B. 

　　（2）RST数据信息：主要存储单元地址表、载荷工况数据表、载荷步数据表和几何数据信息表等内容，该段数据长度为40 B.

　　（3）单元数据表：主要存储单元类型、实层数信息和材料数据等内容. 

　　（4）节点数据表：以双精度格式保存节点坐标及节点编号数据. 

　　（5）单元详细信息表：主要存储单元编号、节点编号和单元类型等数据. 

　　（6）计算结果数据：存储计算结果数据，包括节点力和节点应力张量等数据. 

　　在进行ANSYS软件RST结果读入时，首先读取文件数据头，在地址偏移量8的位置，存放文件格式标志（ANSYS为“0C”），读入单元及节点总数和几何信息存放地址；然后将指针转到几何信息表处，读取节点地址表和单元地址表；最后在节点地址表及单元地址表处读入节点坐标及单元数据信息，并保存在内存数组中. 

　　当有限元数据保存后，在视类窗口中对OpenGL绘图环境进行初始化，定义颜色格式和缓冲模式.OpenGL提供双缓存绘制图像，即在显示前台缓存中图像的同时，后台缓存绘制第2幅图像，当后台绘制完成后，缓存中的图像就显示出来，此时原来的前台缓存开始绘制第3幅图像，如此循环往复，加快图像的输出速度；之后再读取内存数据中存储的节点和单元数据，调用绘图函数进行绘制有限元三维图形. 

　　6车体焊缝疲劳寿命预测的应用 

　　为了解某车车体焊接结构的抗疲劳性能，避免设计缺陷，运用该预测平台，采用ASME2007标准主SN曲线法模块对某铁路货车车体关键焊缝进行疲劳寿命预测. 

　　6.1车体有限元分析 

　　首先对该货车进行有限元分析，利用结构的对称性及边界条件的对称性，取1/4结构为计算对象[7]，1/4模型的节点总数为47 626个，单元总数为54 659个. 

　　6.2载荷谱的确定 

　　计算参照AAR标准中的90.7 t漏斗车载荷谱，空、重车里程比为1∶1，重点考虑心盘载荷谱和纵向载荷谱2个工况的影响. 

　　6.3重点评估部位 

　　根据有限元分析结果得到各工况车体的最大和最小主应力云图，车体在垂向载荷作用下的最大主应力云图见图5. 

　　由此可知，在纵向载荷及垂向心盘载荷共同作用下，端墙板与底部圆弧板在端板上的焊缝（中梁腹板上方）累积损伤值较高，原因是该位置刚度变化较大，尤其是受垂向载荷影响明显.在中梁与地板过渡区域结构应力产生较大变化，原因是中梁垂向刚度较大，而地板相对刚度较小，在此刚度突变位置产生结构应力峰值，该处在垂向载荷作用下结构应力为130 MPa，在纵向载荷作用下结构应力为23 MPa，在2种载荷通道共同作用下的最终预测寿命年限为27.9 a，满足25 a设计寿命的要求. 

　　上述工程实际表明，该预测平台能帮助产品设计师对焊缝设计细节进行疲劳寿命评估，还能有效地为设计方案的改进和对比提供科学依据. 

　　7结论 

　　（1）主SN曲线法是焊接结构疲劳评估的前沿方法，研究表明该方法通过提取有限元节点力计算网格不敏感结构应力，采用Paris公式推导等效结构应力，以等效结构应力为主要参数，实现分布带较窄的主SN曲线方程. 

　　（2）预测平台是以Access为网络数据库，以Visual Studio Visual C++ 2005语言为面向对象的编程工具，以OpenGL为图形支持库，实现与有限元分析软件ANSYS，Abaqus和HyperMesh的通用接口技术，开发焊缝定义、结构应力计算和焊缝疲劳寿命预测的一体化集成环境. 

　　（3）为实现有限元模型的可视化，剖析ANSYS软件RST结果文件的数据存贮格式，发现其以地址链表方式组织.通过编写专用接口程序代码，对有限元节点及单元数据表进行寻址读取，结合OpenGL提供的双缓存技术，在系统平台中实现有限元三维模型的动态交互功能. 

　　（4）以某货车车体主要焊缝细节评估为实例，证明该预测平台可有效地支持设计方案的快速对比分析以及详细方案的细节评估，满足不同阶段的设计需求，在工程领域值得进一步推广应用. 

　　参考文献： 

　　[1]ASME. VIII DIV 22007 ASME Boiler and pressure vessel code[S]. 

　　[2]李向伟. ESS法原理及在重载货车焊缝疲劳仿真中的应用[C]//2010年度全国铁路机车车辆动态仿真学术会议论文集， 2010： 264271. 

　　[3]DONG P， HONG J K， CAO Z. Stresses and stress intensities at notches：“anomalous crack growth” revisited[J]. Int J Fatigue， 2003， 25（911）： 811825. 

　　[4]MALIK D S. C++编程： 从问题分析到程序设计[M]. 钟书毅等， 译. 北京： 电子工业出版社， 2003： 132136. 

　　[5]林勇， 宋征. Visual C++ 6.0应用指南[M]. 北京： 人民邮电出版社， 1999： 101109. 

　　[6]SILBERSCHATZ A， KORTH H F， SUDARSHAN S. 数据库系统概念[M]. 杨冬青等， 译. 北京： 机械工业出版社， 1999： 5560. 

　　[7]王勖成， 邵敏. 有限单元法基本原理和数值方法[M]. 北京： 清华大学出版社， 1997： 4260.