含缺陷焊接结构的概率剩余寿命预测方法及系统

技术领域

本发明属于焊接结构寿命预测技术领域，尤其涉及一种含缺陷焊接结构的概率剩余寿命预测方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着轨道交通车辆(比如动车组及城轨车辆)运营里程的增长，运维结构安全评估需求越来越多，准确评价结构剩余寿命是进行运维安全评估的关键。目前轨道交通车辆的主承载结构车体底架及转向架均为大型金属焊接结构。焊接接头位于结构的连接处，几何形貌不规则，有天然的应力集中，且焊接接头及其热影响区有复杂分布的残余应力，抗疲劳性能弱于母材，因此焊接结构失效往往发生在焊接接头及其热影响区，焊接接头的剩余寿命评估能够实现对焊接结构寿命的管理。

虽然焊接结构在工艺与生产中，会采用严格流程与标准对焊接质量进行控制，但是在生产制造、装配及运维过程中，仍然不可避免的产生缺陷及损伤。发明人发现，现有的含缺陷焊接结构的概率剩余寿命预测过程中，其中的含缺陷焊接结构在裂力学有限元分析中存在建模困难的问题，而且未考虑随机振动对焊接结构裂纹扩展的影响，降低了概率剩余寿命预测的准确性。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种含缺陷焊接结构的概率剩余寿命预测方法及系统，其对含缺陷焊接结构的关键部位进行子有限元模型建模，考虑了随机振动对焊接结构裂纹扩展的影响，更贴近结构动态运营实际情况，提高了概率剩余寿命预测的准确性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供了一种含缺陷焊接结构的概率剩余寿命预测方法，其包括：

基于含缺陷焊接结构载荷工况及量化并规则化的缺陷形式，构建含缺陷焊接结构的全局有限元模型和关键部位的子有限元模型，计算当前应力场强度因子；

获取基于断裂力学试验的含缺陷焊接结构的应力场强度因子门限值以及基于损伤力学试验的含缺陷焊接结构的临界缺陷长度；

比较当前应力场强度因子与应力场强度因子门限值：

若前者小于后者，则缺陷安全；否则，基于运营里程与缺陷长度的关系，当缺陷长度达到临界缺陷长度时，运营里程则是含缺陷焊接结构在设定存活率下的剩余寿命。

本发明的第二个方面提供了一种含缺陷焊接结构的概率剩余寿命预测系统，其包括：

第一计算模块，其用于基于含缺陷焊接结构载荷工况及量化并规则化的缺陷形式，构建含缺陷焊接结构的全局有限元模型和关键部位的子有限元模型，计算当前应力场强度因子；

第二计算模块，其用于获取基于断裂力学试验的含缺陷焊接结构的应力场强度因子门限值以及基于损伤力学试验的含缺陷焊接结构的临界缺陷长度；

剩余寿命预测模块，其用于比较当前应力场强度因子与应力场强度因子门限值：

若前者小于后者，则缺陷安全；否则，基于运营里程与缺陷长度的关系，当缺陷长度达到临界缺陷长度时，运营里程则是含缺陷焊接结构在设定存活率下的剩余寿命。

本发明的第三个方面通过率一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，实现如上述所述的含缺陷焊接结构的概率剩余寿命预测方法中的步骤。

本发明的第四个方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的含缺陷焊接结构的概率剩余寿命预测方法中的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明基于含缺陷焊接结构载荷工况及量化并规则化的缺陷形式，构建含缺陷焊接结构的全局有限元模型和关键部位的子有限元模型，计算当前应力场强度因子，对含缺陷焊接结构的关键部位进行子有限元模型建模，考虑了随机振动对焊接结构裂纹扩展的影响，获取基于断裂力学试验的含缺陷焊接结构的应力场强度因子门限值以及基于损伤力学试验的含缺陷焊接结构的临界缺陷长度，更贴近了结构动态运营实际情况，提高了概率剩余寿命预测的准确性。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是应用本发明实施例的含缺陷焊接结构的概率剩余寿命预测方法的示例性应用环境的系统架构的示意图；

图2是本发明实施例的一种含缺陷焊接结构的概率剩余寿命预测方法流程图；

图3是本发明实施例的全局有限元模型和子有限元模型示意图；

图4(a)是本发明实施例的缺陷规则化示例1；

图4(b)是本发明实施例的缺陷规则化示例2；

图5是本发明实施例的临界缺陷尺寸确定过程；

图6是本发明实施例的含缺陷焊接结构的概率剩余寿命预测系统结构示意图；

图7是本发明实施例的一种电子设备结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

图1示出了可以应用本发明实施例的含缺陷焊接结构的概率剩余寿命预测方法的示例性应用环境的系统架构的示意图。

如图1所示，系统架构100可以包括电子设备101和/或电子设备102，网络103和服务器104。网络103用以在电子设备101、电子设备102和服务器104之间提供通信链路的介质。网络103可以包括各种连接类型，例如有线、无线通信链路或者光纤电缆等等。电子设备101、电子设备102，包括但不限于台式计算机、便携式计算机、智能手机和平板电脑等等。应该理解，图1中的电子设备、网络和服务器的数量仅仅是示意性的。根据实现需要，可以具有任意数目的电子设备、网络和服务器。比如服务器104可以是多个服务器组成的服务器集群等。

本发明实施例所提供的含缺陷焊接结构的概率剩余寿命预测方法一般由服务器104执行，相应地，含缺陷焊接结构的概率剩余寿命预测系统可以设置于服务器104中。但本领域技术人员容易理解的是，本发明实施例所提供的含缺陷焊接结构的概率剩余寿命预测方法也可以由电子设备101或电子设备102执行。

实施例一

参照图2，本实施例提供了一种含缺陷焊接结构的概率剩余寿命预测方法，其具体包括如下步骤：

S101：基于含缺陷焊接结构载荷工况及量化并规则化的缺陷形式，构建含缺陷焊接结构的全局有限元模型和关键部位的子有限元模型，计算当前应力场强度因子。

通过裂纹尖端张开位移计算裂纹前缘的应力场强度因子，具体计算公式为：

其中E为材料参数，B为板厚，V为距离裂尖r距离位置的张开位移，V与r都是可以通过有限元方法获得的。

在具体实施中，含缺陷焊接结构载荷工况指的路谱，所述路谱为指轨道路面谱，指的是路面不平度的功率谱密度曲线。作为轨道交通车辆振动输入的轨道路面不平度，主要采用位移功率谱密度描述其统计特性，轨道路面不平度的时间历程可以视作平稳随机过程处理。

具体地，对于主承载结构，如构架和车体底架，还需要明确约束、载荷及载荷出现频次f

真实缺陷轮廓及形式不规则，在断裂力学分析中，须将不规则的缺陷规则化，对于内嵌型缺陷规则化椭圆形裂纹，对于表面缺陷规则化为半椭圆形裂纹。如图4(a)和图4(b)所示，选取缺陷的最长特征长度为椭圆的长轴2c

具体地，在规则化的缺陷形式的过程中，将内嵌型缺陷规则化椭圆形裂纹，将表面缺陷规则化为半椭圆形裂纹。

图3给出了构建的含缺陷焊接结构的全局有限元模型和关键部位的子有限元模型。

其中，所述关键部位为焊接结构中已出现缺陷的部位及人为预设可能出现的部位。

具体地，关键部位的子有限元模型的基本思路为，在全局模型中，获取子模型边界的位移(力)，作为子模型的边界条件，解决了复杂结构断裂力学分析中建模复杂甚至无法实现的问题。子模型选取示例如图3所示，三维断裂力学有限元分析要求网格全为六面体或五面体单元，全局模型结构复杂且为薄板焊接而成，不能实现全六面体或五面体单元建模。子模型选取的原则为方便实现分析部位的断裂力学模型构建，分析关键部位的应力场与全局模型应力场误差小于5％。

其中，在计算当前应力场强度因子的过程中，含缺陷焊接结构的全局有限元模型作为关键部位的子有限元模型的边界条件。

S102：获取基于断裂力学试验的含缺陷焊接结构的应力场强度因子门限值以及基于损伤力学试验的含缺陷焊接结构的临界缺陷长度。

基于断裂力学试验得到4个主要参数k

S103：比较当前应力场强度因子与应力场强度因子门限值：

若前者小于后者，则缺陷安全；否则，基于运营里程与缺陷长度的关系，当缺陷长度达到临界缺陷长度时，运营里程则是含缺陷焊接结构在设定存活率下的剩余寿命。

基于载荷谱或应力谱及裂纹扩展基本规律Paris公式，采用高斯分布正两个标准差下的断裂力学参数，例如2σ下断裂力学参数，计算出运营里程与缺陷长度的关系；其中，标准差为名义应力，σ为名义应力。

如图5所示，所述临界缺陷长度的获取过程为：

基于损伤力学试验绘制失效评定图，其中，失效评定图的轮廓线由含缺陷焊接结构的材料决定，失效评定图的横坐标为参考应力，纵坐标为应力场强度因子，且两者均为缺陷长度的函数；

随着损伤的演化，参考应力与应力场强度因子同时增大，最终与轮廓线相交，此时的缺陷尺寸即为临界缺陷尺寸。

在图5中，横坐标为参考应力σ

在具体实施中，参考应力σ

其中σ

其中K

对于一种材料，ΔK

判断ΔK与ΔK

在一个或多个实施例中，所述含缺陷焊接结构的概率剩余寿命预测方法，还包括：

基于足尺寸焊接接头的疲劳破坏试验数据，修正运营里程与缺陷长度的关系。

其中足尺寸焊接接头要求宽厚比大于6，残余应力分布完整并且失效模式与结构一致。试验数量不少于30组，并且对损伤演化过程采用相控阵等方式监测，验证试验数据在营里程与缺陷长度的关系模型中的符合性。基于试验数据，采用统计学方法，修正运营里程与缺陷长度的关系模型。

实施例二

参照图6，本实施例提供了一种含缺陷焊接结构的概率剩余寿命预测系统，其具体包括如下模块：

第一计算模块201，其用于基于含缺陷焊接结构载荷工况及量化并规则化的缺陷形式，构建含缺陷焊接结构的全局有限元模型和关键部位的子有限元模型，计算当前应力场强度因子；

第二计算模块202，其用于获取基于断裂力学试验的含缺陷焊接结构的应力场强度因子门限值以及基于损伤力学试验的含缺陷焊接结构的临界缺陷长度；

剩余寿命预测模块203，其用于比较当前应力场强度因子与应力场强度因子门限值：

若前者小于后者，则缺陷安全；否则，基于运营里程与缺陷长度的关系，当缺陷长度达到临界缺陷长度时，运营里程则是含缺陷焊接结构在设定存活率下的剩余寿命。

在一个或多个实施例中，所述含缺陷焊接结构的概率剩余寿命预测系统，还包括：

模型修正模块，其用于基于足尺寸焊接接头的疲劳破坏试验数据，修正运营里程与缺陷长度的关系。

此处需要说明的是，本实施例中的各个模块与实施例一中的各个步骤一一对应，其具体实施过程相同，此处不再累述。

实施例三

本实施例中电子设备的一种结构示意图。需要说明的是，图7示出的电子设备300仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。

本实施例的一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，实现如上述所述的含缺陷焊接结构的概率剩余寿命预测方法中的步骤。

如图7所示，电子设备300包括中央处理单元(CPU)301，其可以根据存储在只读存储器(ROM)302中的程序或者从存储部分508加载到随机访问存储器(RAM)303中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 303中，还存储有系统操作所需的各种程序和数据。中央处理单元301、ROM 302以及RAM 303通过总线304彼此相连。输入/输出(I/O)接口305也连接至总线304。

以下部件连接至I/O接口305：包括键盘、鼠标等的输入部分306；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分307；包括硬盘等的存储部分308；以及包括诸如局域网(LAN)卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分309。通信部分309经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器310也根据需要连接至I/O接口305。可拆卸介质311，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器310上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分308。

实施例四

本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的含缺陷焊接结构的概率剩余寿命预测方法中的步骤。

根据本申请的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本申请的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分309从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质311被安装。在该计算机程序被中央处理单元301执行时，执行本申请的装置中限定的各种功能。

本发明是参照本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。