貨車(chē)焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與關(guān)鍵技術(shù)

李向偉 王 劍 黃永生 兆文忠 于連友

1.大連交通大學(xué),大連,116028 2.齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司,齊齊哈爾,161002

0 引言

隨著新一代重載、快捷鐵路貨車(chē)的發(fā)展,傳統(tǒng)的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)、試驗(yàn)及評(píng)價(jià)體系受到了嚴(yán)峻挑戰(zhàn),現(xiàn)有貨車(chē)設(shè)計(jì)及分析平臺(tái)已不能滿足產(chǎn)品抗疲勞設(shè)計(jì)的需求。當(dāng)前,選擇合理的分析方法,運(yùn)用高效、適用的分析工具,在方案設(shè)計(jì)階段,預(yù)測(cè)產(chǎn)品的使用壽命,開(kāi)展抗疲勞設(shè)計(jì),是急需解決的一項(xiàng)技術(shù)問(wèn)題。

貨車(chē)焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)系統(tǒng)就是在上述背景下,結(jié)合鐵路貨車(chē)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),為設(shè)計(jì)人員量身訂做的一套焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)軟件。該軟件系統(tǒng)以北美鐵路協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)[1](AAR標(biāo)準(zhǔn))、英國(guó)鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)與評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)[2](BS標(biāo)準(zhǔn))、國(guó)際焊接學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)[3](IIW標(biāo)準(zhǔn))等為基礎(chǔ),以焊縫疲勞評(píng)估的最新Verity法[4-6]、已知疲勞壽命的結(jié)構(gòu)應(yīng)力反求法等為核心,以SQL-Sever為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)支持,以VC++語(yǔ)言為面向?qū)ο蟮木幊坦ぞ?而開(kāi)發(fā)的一個(gè)簡(jiǎn)便、實(shí)用的多用戶焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,不僅為設(shè)計(jì)師提供了對(duì)焊縫設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)的平臺(tái),還能夠有效地支持設(shè)計(jì)方案對(duì)比選優(yōu),從而提高鐵路貨車(chē)產(chǎn)品的抗疲勞性能。

1 系統(tǒng)構(gòu)成要素

通過(guò)對(duì)世界先進(jìn)的焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估方法及當(dāng)前常用貨車(chē)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的廣泛研究,充分考慮鐵路貨車(chē)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和用戶的多種需求,將該系統(tǒng)劃分為以下7個(gè)核心功能模塊：

(1)Verity法焊縫疲勞壽命計(jì)算模塊。該模塊以2007年美國(guó)ASME標(biāo)準(zhǔn)中采用的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法焊縫疲勞壽命評(píng)估的新算法為內(nèi)核[4],在有限元模型基礎(chǔ)上,運(yùn)用網(wǎng)格不敏感結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算技術(shù)及一條主應(yīng)力-循環(huán)次數(shù)(主S-N)曲線建立數(shù)學(xué)模型,采用斷裂力學(xué)的原理,相對(duì)精確地預(yù)測(cè)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

(2)結(jié)構(gòu)應(yīng)力反求模塊。該模塊以推導(dǎo)AAR標(biāo)準(zhǔn)主要載荷事件條件下反求結(jié)構(gòu)應(yīng)力算法為內(nèi)核,實(shí)現(xiàn)了以設(shè)計(jì)壽命為輸入?yún)?shù),以結(jié)構(gòu)應(yīng)力為輸出參數(shù)的反求算法。

(3)名義應(yīng)力法疲勞計(jì)算模塊。該模塊以工程上常用的名義應(yīng)力法進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè),內(nèi)置了AAR標(biāo)準(zhǔn)、BS標(biāo)準(zhǔn)及IIW標(biāo)準(zhǔn)焊接接頭SN曲線相關(guān)參數(shù)[1-3],運(yùn)用Palmgren-Miner線性累積理論預(yù)測(cè)產(chǎn)品的疲勞壽命。同時(shí),該模塊還提供了板厚對(duì)疲勞強(qiáng)度影響的修正算法。

(4)熱點(diǎn)應(yīng)力法疲勞計(jì)算模塊。該模塊以IIW標(biāo)準(zhǔn)焊接結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)應(yīng)力S-N曲線數(shù)據(jù)為依據(jù),內(nèi)置了熱點(diǎn)應(yīng)力的兩點(diǎn)外推法、三點(diǎn)外推法及高階兩點(diǎn)外推等算法[3],是對(duì)名義應(yīng)力法疲勞評(píng)估的重要補(bǔ)充。

(5)無(wú)限壽命設(shè)計(jì)模塊。該模塊基于無(wú)限壽命計(jì)算方法,嵌入了常用材料疲勞極限數(shù)據(jù)庫(kù)、UIC、WAG08、Dang-von等標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù),并實(shí)現(xiàn)其算法。

(6)載荷譜數(shù)據(jù)管理模塊。該模塊主要實(shí)現(xiàn)載荷譜數(shù)據(jù)維護(hù)、分解、統(tǒng)計(jì)、輸入、輸出等功能。

(7)材料S-N曲線數(shù)據(jù)管理模塊。該模塊對(duì)AAR、BS、IIW等標(biāo)準(zhǔn)S-N曲線數(shù)據(jù)及常用材料P-S-N曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)。

以上7個(gè)核心模塊是以貨車(chē)設(shè)計(jì)常用焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的,各模塊相互補(bǔ)充,并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)將各功能模塊有機(jī)關(guān)聯(lián),構(gòu)成了軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵要素,要素的構(gòu)成關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 軟件系統(tǒng)構(gòu)成要素

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 Verity方法

Verity疲勞分析方法是基于斷裂力學(xué)及大量焊接試驗(yàn),研究的一種相對(duì)準(zhǔn)確計(jì)算焊縫疲勞壽命的新方法[4-6],該方法提出后受到了學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注,并于2007年被美國(guó)ASME標(biāo)準(zhǔn)所采納[4]。

在焊接結(jié)構(gòu)疲勞分析中存在兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題極大地影響了其工程應(yīng)用：一是焊接接頭分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)難以把握;二是焊接位置通常是應(yīng)力集中區(qū)域,難以精確計(jì)算應(yīng)力分布。為解決上述難題,文獻(xiàn)[5]中認(rèn)為,沿板厚方向焊趾處應(yīng)力呈非線性分布(圖2),焊趾處總應(yīng)力 σx等于膜應(yīng)力 σm、彎曲應(yīng)力 σb與非線性峰值應(yīng)力σn之和,而非線性峰值應(yīng)力是自平衡的殘余應(yīng)力,因此,焊趾處結(jié)構(gòu)應(yīng)力σs的變化是引起焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的主要影響因素。

圖2 焊趾處應(yīng)力分布

Dong[5]通過(guò)提取有限元分析結(jié)果的節(jié)點(diǎn)力,運(yùn)用解析法計(jì)算焊縫處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布,從而獲得了與有限元網(wǎng)格大小不敏感的結(jié)構(gòu)應(yīng)力(structural stress);將通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力修正獲得的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力作為S-N曲線參量,獲得了分布狹小的S-N曲線試驗(yàn)數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)了以一條主S-N曲線的模型來(lái)預(yù)測(cè)焊縫的疲勞強(qiáng)度,很好地解決了上述兩個(gè)難題。

Verity疲勞分析方法主S-N曲線計(jì)算公式為

式中,Cd、h為主S-N曲線試驗(yàn)常數(shù)(表1),由ASME標(biāo)準(zhǔn)提供[4];N為循環(huán)次數(shù);ΔSs為等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍;σs為結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍,反映了應(yīng)力集中的對(duì)疲勞性能的影響;t為板厚,反映了厚度對(duì)疲勞性能的影響;I(r)為載荷影響系數(shù),反映了膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力狀態(tài)對(duì)疲勞性能的影響;m為試驗(yàn)常數(shù),m=3.6[4-6]。

不難看出,主S-N曲線方程與名義應(yīng)力法S-N曲線方程形式相同,但主S-N曲線以等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍ΔS s為參量,它包含了結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍、板厚、膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力狀態(tài)的綜合影響。另外,結(jié)構(gòu)應(yīng)力是由外力引起的,反映了與應(yīng)力集中相關(guān)的焊縫處應(yīng)力分布,而等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力則是運(yùn)用斷裂力學(xué)原理推導(dǎo)出來(lái)的,是對(duì)影響疲勞評(píng)估因素的綜合考慮。

表1 主S-N曲線參數(shù)表

為驗(yàn)證Verity方法的有效性,美國(guó)Battelle試驗(yàn)中心對(duì)比分析了自1947年以來(lái)的數(shù)千個(gè)焊接疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)(圖3),這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)涵蓋各種不同的焊接類(lèi)型、板厚、載荷模式等影響,并取得了極好的預(yù)測(cè)效果。

圖3 主S-N曲線試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 基于AAR標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力反求

抗疲勞設(shè)計(jì)的反問(wèn)題是指已知設(shè)計(jì)壽命,反求能滿足設(shè)計(jì)條件所允許的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。AAR標(biāo)準(zhǔn)提供的設(shè)計(jì)方法中,設(shè)計(jì)過(guò)程是從給定結(jié)構(gòu)應(yīng)力及載荷求其設(shè)計(jì)壽命[1],當(dāng)設(shè)計(jì)壽命不能滿足用戶要求時(shí),設(shè)計(jì)人員只能通過(guò)調(diào)整參數(shù)進(jìn)行試湊,使壽命逐漸逼近要求值,這種方法迭代次數(shù)多、計(jì)算效率低、計(jì)算結(jié)果難以收斂,為解決這一矛盾,通過(guò)推導(dǎo)AAR標(biāo)準(zhǔn)主要載荷事件條件下,反求結(jié)構(gòu)應(yīng)力解析表達(dá)式,實(shí)現(xiàn)了以設(shè)計(jì)壽命為輸入?yún)?shù),以結(jié)構(gòu)應(yīng)力為輸出參數(shù)的反求算法,從而提高了方案修改效率。

當(dāng)設(shè)計(jì)壽命為N f時(shí),由AAR標(biāo)準(zhǔn)可得

立,即當(dāng)S max i(1-mRi)＞b時(shí),可得

將式(5)代入式(4),并令

于是疲勞壽命Nf可整理為一新的表達(dá)式,即

式中,Ne為達(dá)到疲勞極限的循環(huán)次數(shù);k為S-N曲線斜率;m為Goodman曲線斜率;b為Goodman曲線截距;β為每公里循環(huán)數(shù);αi為載荷譜中提供的次數(shù)百分率;σ為在標(biāo)稱(chēng)外載荷F作用下評(píng)估點(diǎn)的當(dāng)量應(yīng)力;Fmaxi、Fmini分別為載荷譜中每一級(jí)載荷的最大載荷和最小載荷;Smaxi為每級(jí)載荷換算所得最大應(yīng)力;Sei為每級(jí)載荷的疲勞極限值;Ri為每級(jí)載荷的載荷比(Fmini/Fmaxi);i對(duì)應(yīng)載荷譜中各分級(jí)項(xiàng),i=1,2,…,n。

式(7)為根據(jù)AAR標(biāo)準(zhǔn)重新整理的疲勞壽命計(jì)算公式,由式(7)可以得到在給定設(shè)計(jì)壽命Nf下,求解結(jié)構(gòu)評(píng)估點(diǎn)的設(shè)計(jì)應(yīng)力σ的解析表達(dá)式為

因此,式(8)成立的條件Ai＞b/σ可轉(zhuǎn)化為

將 Ai由大到小排序,排序后記為Bi,同時(shí)αi也要進(jìn)行對(duì)應(yīng)調(diào)整,將調(diào)整后的αi記為ζi,并令

在求解設(shè)計(jì)應(yīng)力時(shí),要判斷式(9)能否滿足條件,因此首先要判斷式(10)能否成立,并明確其物理含義。這里外載荷F、每公里循環(huán)數(shù)β、載荷譜中載荷變化范圍及對(duì)應(yīng)出現(xiàn)次數(shù)均不為0,因此有Di＞0成立。該值的大小與載荷直接相關(guān),是外載荷作用強(qiáng)度的數(shù)學(xué)表達(dá),如果D i=0,表明載荷作用的強(qiáng)度為0,結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生疲勞失效。同時(shí),S-N曲線斜率k、設(shè)計(jì)壽命N f及達(dá)到疲勞極限的循環(huán)次數(shù)Ne均大于0,因此有C＞0成立,該值的大小與結(jié)構(gòu)損傷比直接相關(guān),是結(jié)構(gòu)所設(shè)定損傷因子的數(shù)學(xué)表達(dá),如果C=0,表明結(jié)構(gòu)不存在損傷,因此結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生疲勞失效。

因Di及C都不為0,所以根據(jù)上述公式,只需依次判斷 B1/Dk1、B2/(D1+D2)k、…、Bj/(D 1+D2+…+Dj)k是否大于C,這里 j對(duì)應(yīng)排序后載荷譜的各分級(jí)項(xiàng)(j=1,2,…,n),當(dāng)有Bj+1/(D1+D 2+…+D j+1)k＜C,而B(niǎo)j/(D1+D2+…+Dj)k＞C時(shí),判斷終止,此時(shí)結(jié)構(gòu)評(píng)估點(diǎn)的設(shè)計(jì)應(yīng)力為

式(11)即為給定壽命要求的前提下,反求滿足條件的結(jié)構(gòu)應(yīng)力解析表達(dá)式。利用上述反求算法,開(kāi)發(fā)了與之對(duì)應(yīng)的專(zhuān)用模塊,滿足了設(shè)計(jì)需求,實(shí)現(xiàn)了更有實(shí)用價(jià)值的產(chǎn)品抗疲勞設(shè)計(jì)。

2.3 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)也是軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)核心內(nèi)容。開(kāi)發(fā)過(guò)程中,從數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯設(shè)計(jì)到物理設(shè)計(jì),再到數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)、查詢(xún),對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)體系進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)劃。

軟件系統(tǒng)選用SQL-Server作為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。SQL-Server是基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的大型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng),它具有獨(dú)立于硬件平臺(tái)、對(duì)稱(chēng)的多處理器結(jié)構(gòu)、搶占式多任務(wù)管理、完善的安全系統(tǒng)和容錯(cuò)功能,并具有易于維護(hù)的特點(diǎn)。為保證數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性,減少數(shù)據(jù)冗余,系統(tǒng)在SQLSever服務(wù)器端,分別建立了人員權(quán)限庫(kù)、系統(tǒng)登錄信息庫(kù)、各種標(biāo)準(zhǔn)S-N曲線庫(kù)、材料疲勞性能庫(kù)及載荷譜庫(kù)。為降低服務(wù)器訪問(wèn)量,提高計(jì)算速度,基本計(jì)算模塊數(shù)據(jù)庫(kù)建立在客戶端,采用Access小型關(guān)聯(lián)式數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)(圖4)。

圖4 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)組成

數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)接口采用ADO(activeX data objects)技術(shù),該技術(shù)提供了編程語(yǔ)言和統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問(wèn)方式OLE-DB的一個(gè)中間層,通過(guò)OLE-DB提供者對(duì)在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)和操作,其主要優(yōu)點(diǎn)是易于使用、高速度、低內(nèi)存支出和占用磁盤(pán)空間較少,并且ADO支持用于建立基于客戶端與服務(wù)器應(yīng)用程序的主要功能。

3 工程應(yīng)用實(shí)例及效果

軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成后,分別在450t鉗夾車(chē)轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)、食用油罐車(chē)車(chē)體設(shè)計(jì)、澳大利亞FMG礦石車(chē)車(chē)體設(shè)計(jì)等多種貨車(chē)產(chǎn)品上進(jìn)行了一系列工程應(yīng)用,下面僅以450t鉗夾車(chē)四軸焊接轉(zhuǎn)向架為例,說(shuō)明該軟件的應(yīng)用效果。

首先根據(jù)初步設(shè)計(jì)方案,運(yùn)用靜強(qiáng)度評(píng)估所用有限元模型,以名義應(yīng)力法疲勞計(jì)算模塊進(jìn)行疲勞評(píng)估,發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)不合理的部位。以反求模塊計(jì)算可以達(dá)到要求的設(shè)計(jì)應(yīng)力值,調(diào)整設(shè)計(jì),確定細(xì)部結(jié)構(gòu)。

然后根據(jù)詳細(xì)方案修改計(jì)算模型,對(duì)焊縫細(xì)節(jié)建立有限元網(wǎng)格(圖5)。提取焊縫處節(jié)點(diǎn)力,計(jì)算等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力。該實(shí)例中三角筋板與上蓋板連接處等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力值最高,為 -150MPa(圖 6)。

圖5 四軸焊接轉(zhuǎn)向架模型

圖6 三角筋板與上蓋板連接處應(yīng)力分布

最后采用Verity模塊提供的-2σ主S-N曲線,以垂向±0.3g加速度為加載條件,計(jì)算各焊縫細(xì)節(jié)的疲勞壽命。該例中,發(fā)生在三角筋板與上蓋板連接處壽命最短(圖7),計(jì)算循環(huán)次數(shù)為375.3萬(wàn)次。計(jì)算結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化規(guī)律與給定載荷條件下結(jié)構(gòu)剛度的變化規(guī)律一致,在靠近該筋板位置的腹板處開(kāi)孔,引起該位置剛度下降,在心盤(pán)垂向交變載荷作用下,造成該處疲勞壽命相對(duì)較短,根據(jù)這一結(jié)果,設(shè)計(jì)師可以進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,并制訂相應(yīng)的焊接工藝措施。

圖7 四軸焊接轉(zhuǎn)向架計(jì)算結(jié)果

上述實(shí)例表明,軟件系統(tǒng)各模塊可以有機(jī)配合,適應(yīng)了用戶從初步方案設(shè)計(jì)到細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)等不同設(shè)計(jì)階段的多種需求,有效地輔助了設(shè)計(jì)師開(kāi)展抗疲勞設(shè)計(jì)。其中,無(wú)限壽命設(shè)計(jì)模塊及名義應(yīng)力法疲勞計(jì)算模塊可以在方案設(shè)計(jì)初期進(jìn)行高效疲勞壽命預(yù)估,結(jié)構(gòu)應(yīng)力反求模塊在方案修改階段更能發(fā)揮優(yōu)勢(shì),而熱點(diǎn)應(yīng)力法模塊及Verity法計(jì)算模塊能夠有效支持焊接結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì),提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)的精度,更進(jìn)一步完善產(chǎn)品的抗疲勞性能。

4 結(jié)論

(1)在多用戶網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)支持下,貨車(chē)焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)系統(tǒng)各模塊相互配合,為用戶提供了國(guó)內(nèi)外工程上最常用的焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)方法,當(dāng)用戶有不同的需求時(shí),有充分的選擇空間。

(2)采用了最新Verity方法,可有效提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)的精度;開(kāi)發(fā)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力反求模塊,能實(shí)現(xiàn)由已知設(shè)計(jì)壽命反求結(jié)構(gòu)所需的應(yīng)力,提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性;多層次網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)及模塊化設(shè)計(jì)技術(shù),可以保證數(shù)據(jù)的安全、統(tǒng)一,并減少數(shù)據(jù)冗余。

(3)工程實(shí)例說(shuō)明,在鐵路貨車(chē)產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)階段,以這一軟件系統(tǒng)為平臺(tái),可以對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能進(jìn)行虛擬疲勞試驗(yàn),這對(duì)快速經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行設(shè)計(jì)方案優(yōu)選有較高的實(shí)用價(jià)值。

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