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.

（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.

（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.

（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.