基于結構應力法的焊縫疲勞評估及可視化研究

周韶澤，宗振龍，聶春戈，李向偉，兆文忠

(1.大連交通大學 機車車輛工程學院，遼寧 大連 116028；2.中車齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002)*

0 引言

鐵路軌道車輛的焊接結構在運行過程中承受交變載荷，是發生疲勞破壞的薄弱環節[1].隨著高速重載軌道車輛的不斷發展，對快速抗疲勞設計要求的問題不斷提高.例如，鐵路貨車的焊縫數量較多，僅車體焊縫數量就達數百條，具有焊接接頭類型復雜、有限元結果數據量大且較為離散等特點，迫切需要引入可視、高效的焊縫疲勞壽命評估方法實現快速抗疲勞設計.

網格不敏感的結構應力法是董平沙教授基于焊接結構疲勞破壞機理和大量焊接實驗數據，通過提取有限元結果中的節點力獲得結構應力，對其修正后得到等效結構應力，并以該等效結構應力變化范圍為參量，實現以一條分布狹小的主S-N曲線模型有效預測疲勞壽命的方法[2-3].該方法解決了兩種常用評估方法的缺陷：名義應力法依賴有限的接頭類型和加載模式，熱點應力法對網格的劃分和尺寸非常敏感，疲勞預測結果易出現因人而異而產生不一致性的問題[4].該方法可針對任意走向焊縫，且較為準確合理，于2007年被納入美國ASME標準[5].

文獻[6]首次在國內系統闡述了結構應力法，并將其運用于高速貨車轉向架焊接件的疲勞評估；隨著有限元仿真技術的發展，謝素明[7]、李向偉[8]等人，也都對軌道車輛的焊接結構運用結構應力法進行疲勞壽命預測，但最終的評估結果都是以二維曲線表示；對于集成結構應力法的商業評估軟件，如FE-Safe等，雖然具有較高的準確性，但評估結果仍以二維表格或文本數據輸出，缺乏可視化環境對焊縫疲勞分布情況的直觀顯示，結果數據也不能與焊縫模型中各節點直接映射；而在將有限元計算結果映射到三維模型的可視化研究方面，閆雪峰、段國林等人論述了復雜產品虛擬樣機學科模型的CAD/CAE一體化研究[9].許鎮等人，基于橋梁垮塌的MSC.Marc有限元力學模擬數據，實現了對橋梁塌垮場景的可視化模擬[10].因此，面對軌道車輛等大型復雜焊接結構，如單節高速動車車體或鐵路貨車車體的焊縫多達幾百條，已有的結構應力疲勞分析軟件，計算步驟較為繁瑣；并且由于結果數據無法直接與三維模型形成關聯，不能以云圖等可視化方式直觀分析焊縫的疲勞壽命分布情況，導致抗疲勞設計效率低下，遠不能滿足高效設計要求.

針對上述問題，本文基于結構應力法，采用重構可視化網格模型、單元網格彩色云圖等方法.用VC++和OSG高效圖形庫開發構建了鐵路貨車焊縫疲勞評估及可視化系統，以彩色云圖直觀反映焊縫的疲勞分布，可視、高效和較準確地評估出焊縫的疲勞壽命，為快速抗疲勞設計提供有效工具和手段.

1 結構應力法原理

基于結構應力法原理，將焊縫焊趾處應力分解為兩部分：一部分為非線性自平衡的殘余應力，一部分是與外力平衡的結構應力.結構應力反映了外載荷導致的應力集中，是裂紋擴展的驅動力[11].

由斷裂力學理論，引入基于Paris定律的兩階段裂紋擴展模型，導出等效結構應力方程式：

(1)

以等效結構應力變化范圍ΔSs為參量，評估疲勞壽命的公式如下：

N=(ΔSs/Cd)1/h

(2)

其中：Cd和h為實驗常數；Δσs為反映應力集中影響的結構應力變化范圍；t為實際板厚與單位板厚之比；I(r)是彎曲比的無量綱函數；m為裂紋擴展參數；N代表疲勞壽命的循環次數.

所以，以等效結構應力變化范圍為參量，綜合結構應力、焊趾缺口、板厚及載荷模式等主要因素預測焊縫疲勞壽命更加合理.

2 系統框架

根據系統的主要功能，將系統劃分為3個核心模塊，系統整體框架如圖1所示.各模塊功能如下：

(1)構建可視化網格模型：將焊接CAD盾構模型在Hypermesh中建立有限元模型，并導出包含所定義焊縫信息的INP文件.對在Hypermesh中建立邊界條件的有限元模型進行ANSYS求解，得到RST結果文件.通過讀取結果文件中單元-節點的編號、節點坐標等信息，基于有限元數據將可視化網格模型裝配樹重構，完成三維可視化有限元模型的構建；

(2)評估焊縫疲勞壽命：提取所需評估焊縫的節點力，計算該焊縫的結構應力和等效結構應力.結合疲勞載荷譜和主S-N曲線參數，獲得該焊縫的疲勞壽命評估結果；

(3)評估結果數據可視化：系統可將疲勞壽命預測結果數據(如結構應力、等效結構應力、疲勞次數和損傷比等)映射到可視化網格模型的焊縫節點上，并以云圖形式顯示大量焊縫的疲勞分布.同時實現疲勞結果的排序、查找等相關操作.

圖1 系統主要功能框架

3 關鍵技術

3.1 可視化網格模型裝配樹的重構

基于構建場景圖裝配模型的基本原理[12]，以樹狀結構組織和管理整個模型.如圖2所示，設置Group節點作為管理場景圖的組層次結構.Geode葉節點包含需要繪制的可視化網格模型實例Drawable對象.最小節點Geometry包含了頂點坐標、顏色坐標、法線坐標和紋理坐標等數據和屬性信息.其重構步驟可總結如下：

(1)Group節點管理繪制的可視化網格模型裝配樹，并以樹狀結構展開；

(2)除焊縫外的所有單元網格作為一個Geode 0節點，Geometry包含從有限元結果數據中提取的節點信息作為頂點數據存入到VertexArray中，并將顏色、法線、紋理等數據和屬性信息綁定；

(3)為保證大量焊縫都能獨立表達和被獨立選取，將每一條焊縫整體作為一個Geode節點，且每條焊縫所包含的單元各自設為一個Geometry.并以 Geode 1、Geode 2、Geode 3…Geoden的形式分別組織每一條焊縫，加入到裝配樹結構中，完成可視化網格模型裝配樹的重構.

圖2 重構的可視化網格裝配樹

3.2 基于有限元數據的單元網格繪制

讀取RST結果文件后，基于有限元模型單元-節點的拓撲關系.定義單元結構體存儲單元網格數據，將原模型數據中相互獨立的單元和節點編號、節點坐標和節點數據統一存放在結構體中.如Node結構體：

struct NodeStructure

{

……

int element; //定義的單元編號

int nodes[ i ]; //存放單元所包含節點的編號

float values[ i ][ 3]; //存放各節點三個坐標的值

……

}

為每個單元網格都各自對應一個單元結構體存放數據信息.

這位女士之所以顯得如此奇怪，是因為她無意識地掉進了“認知陷阱”。她遇到的這種情況，幾乎我們每個人都可能遇到，只是每個人的“認知陷阱”都不一樣。

繪制殼單元面網格時，系統采用PrimitiveSet類中封裝的繪圖基元TRIANGLE_STRIP或QUADS繪制三角形或四邊形.采用頂點坐標數據，逐點綁定顏色、法線、紋理等信息，采用LINE_LOOP線框模式渲染單元網格線框，最終繪制成為單元網格模型.例如，繪制Shell181的殼單元網格時，采用基元QUADS繪制，以LINE_LOOP線框模式繪制線框.

當繪制實體網格時，對實體單元的繪制多采用解體為面的思想：將實體單元分解為多個面單元網格后，再以繪制殼單元面網格的方法繪制三角形或四邊形構建實體單元.

3.3 基于結構應力法的焊縫疲勞壽命評估

基于結構應力法評估焊縫疲勞壽命過程參考文獻[13]，具體步驟如下：

(1)提取有限元模型結果數據中的焊趾單元節點力，由功等效原理，將節點力和力矩轉換為單元邊的線載荷；

(2)由結構力學公式求得結構應力；

(3)根據疲勞試驗大綱要求確定疲勞計算工況，包含加載頻率和循環次數等.對每一工況下的每條焊縫只需計算循環載荷的峰值應力，并利用載荷大小的比例獲得結構應力變化范圍；

(4)基于缺口效應和強度因子的關系，根據式(1)，得到綜合彎曲比、板厚等載荷模式影響的等效結構應力變化范圍；

(5)根據式(2)，計算焊縫的疲勞循環次數；基于Miner累計損傷定理，計算疲勞總損傷，評估焊縫的疲勞壽命.

在上面第(3)步驟中，當計算得到焊縫節點的結構應力后，可根據載荷工況選取系統集成的AAR等多種疲勞載荷譜，得到應力變化范圍.

3.4 單元網格彩色云圖的繪制

在得到各焊縫的疲勞結果數據后，基于上述小節所構建的模型，將結果數據(包括結構應力、等效結構應力和疲勞壽命等)分別映射到單元節點上，形成數據與顏色之間的線性映射.利用顏色來表示各焊縫節點的疲勞壽命，同時根據顏色標量對應的壽命范圍來評估整條焊縫的疲勞壽命分布.

疲勞壽命結果數據綁定先利用OSG中專門用于建立顏色表的ScalarBar類來建立顏色線性映射表，通過繪制一條顏色帶來表征一段標量范圍.然后利用插值算法使標量范圍內所有標量與顏色帶的顏色對應，實現顏色與各焊縫節點的結果數據綁定.如圖3所示，疲勞壽命結果數據綁定流程如下：

(1)實例化一個ScalarBar對象，設置屬性和渲染模式；

(2)根據得到的焊縫疲勞壽命評估結果，提取各節點的最大值和最小值，以確定焊縫疲勞壽命的變化范圍；

(3)利用setScalarsToColors()函數，獲得變化范圍和條帶顏色范圍.根據結果數據從彩色條帶中取得的對應顏色值，繪制在對應焊縫節點上，實現各節點疲勞壽命數據與顏色一一對應；

(4)利用OpenGL單元網格填充法生成彩色云圖.

圖3 焊縫單元的彩色云圖繪制

4 系統應用實例

以某鐵路貨車的焊接車體為例，該組焊車體采用四節點Shell181的殼單元建立有限元模型.節點總數為129 609，單元總數為14242，焊縫條數為232.

基于上述章節中的方法，系統讀取該車體有限元模型的結果文件和焊縫信息文件重構可視化有限元網格模型.圖4所示為所有重構的焊縫單元(焊趾單元)的可視化網格模型.在交互界面左下方(圖5)為可視化網格模型裝配樹，重構的車體單元和焊縫單元裝配樹以樹狀結構展開.重構的可視化的有限元車體模型和焊縫單元網格模型，與有限元軟件所建立的模型一致.系統所構建的每條焊縫都是獨立模型，顯示直觀，且可單獨選取，優于傳統有限元結果文件中焊縫無法分離的一體顯示方式.

選用系統集成的AAR規程中提供的90.7 t高邊敞車重車的心盤和縱向車鉤載荷譜，評估各焊縫節點的疲勞壽命.將結果數據映射到單元節點上，形成結果數據彩色云圖.系統計算結果列表可對計算結果進行排序、拾取，并反映到三維模型上.

圖4 焊縫單元網格模型

圖5 車體和焊縫單元網格模型

焊縫焊趾、焊根處的應力集中程度(即結構應力法中的結構應力)是決定疲勞壽命的關鍵因素.以系統評估計算得到的某條薄弱關鍵焊縫為例，圖6為該焊縫在縱向載荷工況下的結構應力沿焊線走向的分布曲線情況.對該焊縫單獨評估結果表明：鐵路貨車由于枕梁內部加強板與隔板連接處剛度不協調，在該處的焊縫出現了結構應力峰值，需要關注.在焊縫起始位置，由于中梁和隔板的剛度變化較大，也是需要關注的區域.該焊縫的峰值節點(薄弱節點)304827在載荷共同作用下，最終疲勞壽命總里程為1.51E+07，壽命總年限為6.05E+01，滿足25年設計壽命要求.

與圖6結構應力分布曲線一樣，圖7所示為該焊縫的結構應力云圖. 該云圖顯示了結構應力的分布情況， 其中白色球體為該焊縫的結構應力峰值節點.圖8為某工況下， 232條焊縫經過5 s的計算時間，得到的所有焊縫的疲勞壽命結果云圖.圖中以紅色云圖高效、直觀指示出232條焊縫中2條薄弱焊縫及其薄弱點位置.

圖6 縱向載荷下沿焊縫方向的結構應力分布

圖7 關鍵焊縫的結構應力云圖及薄弱節點

圖8 薄弱焊縫的壽命云圖顯示

上述實例表明：系統具有對大型復雜焊接模型大數據量焊縫進行快速評估計算，并以彩色云圖直觀顯示焊縫疲勞壽命的分布情況，明確指出關鍵焊縫薄弱點位置的能力，為快速抗疲勞設計提供了有效的方法和手段.

5 結論

本文基于結構應力法和三維可視化方法，采用VC++語言和OSG圖形庫開發了鐵路貨車焊縫評估及可視化系統，以某鐵路貨車車體焊縫疲勞壽命評估可視化為例，驗證了該系統的實用性與高效性.應用結果表明：該可視化系統能夠對大型復雜焊接結構進行快速的單元網格繪制、計算和疲勞結果數據云圖顯示.在交互式環境中，更加直觀、快速地讓設計者了解各焊縫的疲勞分布情況，有利于縮短大型復雜焊接結構的研發周期，提高快速抗疲勞設計效率.