多功能的焊接结构疲劳寿命计算与焊接质量等级确认一体化的集成系统技术方案

本发明专利技术公开了一种多功能的焊接结构疲劳寿命计算与焊接质量等级确认一体化的集成系统，包括：前处理模块、计算模块、后处理可视化模块和质量等级确认模块。前处理模块中，读取有限元分析结果文件形成有限元结果集合，根据预定义焊缝文件构建网格可视化模型。本发明专利技术所述系统，解决了计算时反复读取有限元结果文件的低效率问题；自动取得板厚、疲劳开裂方向等信息减少了大量手工操作，提高了求解效率；使用表格、曲线和云图同步映射，快速定位薄弱点和关注点可视化方法提高了交互式计算和评估效率；更新疲劳云图时只需刷新焊缝集合，不必刷新整个模型，提高了显示效率；构建了高效可视化的疲劳寿命计算结果确认焊缝质量和检查等级的方法。

Multifunctional integrated system for fatigue life calculation and welding quality grade confirmation of welded structure

The invention discloses a multi-functional integrated system for fatigue life calculation and welding quality grade confirmation of welded structures, which comprises a pre-processing module, a calculation module, a post-processing visualization module and a quality grade confirmation module. In the pre-processing module, the finite element analysis result file is read to form the finite element result set, and the grid visualization model is constructed according to the predefined weld file. The system solves the inefficiency problem of repeatedly reading the finite element result files during calculation, reduces a large number of manual operations and improves the solving efficiency by automatically obtaining the information of plate thickness and fatigue cracking direction, and improves the visualization method of quickly locating weak points and concerns by synchronous mapping of tables, curves and cloud diagrams. The efficiency of interactive calculation and evaluation is improved. When updating the fatigue nephogram, only the weld assemblies need to be refreshed and the whole model need not be refreshed.

【技术实现步骤摘要】
多功能的焊接结构疲劳寿命计算与焊接质量等级确认一体化的集成系统
本专利技术涉及一种多功能的焊接结构疲劳寿命计算与焊接质量等级确认一体化的集成系统。
技术介绍
工程上承载传力的焊接结构的功能十分优异，当前包括轨道车辆在内的各种载运工具的结构产品中，焊接结构的贡献不可替代。然而，焊接结构又是一把双刃剑，由于焊缝上存在非常隐蔽且难以识别的高应力集中，因此它的抗疲劳能力显著低于构成的母材，在动态载荷作用下，疲劳开裂总是从焊缝上开始。因此，会导致重大经济损失乃至非常负面社会影响的焊接结构疲劳隐患治理一直是国内外许多制造行业非常关注的一个研究课题。2007年，美籍华人科学家董平沙教授专利技术了预测焊缝疲劳寿命的新方法——结构应力法，并被写进到美国ASME《BP&CSectionVIIIDiv2Code》标准[1]。这种基于网格不敏感的结构应力法的提出，使得这一世界性的难题在理论上被彻底解决。在引进与消化该方法的基础，该专利申请单位负责人、大连交通大学的兆文忠教授，他的博士生李向伟与董平沙教授三人，历时两年，撰写了一部专著《焊接结构抗疲劳设计——理论与方法》[2]，该专著于2017年6月由我国机械工业出版社正式出版，该专著也为本专利技术专利奠定了坚实的理论基础。为了尽快将专著中的理论转化为工程上可用的工具，需要进行软件开发。由于ASME标准中的计算公式已经公开发表，因此国外有人基于这些公式编写了疲劳寿命计算软件，该软件嵌套在FE-SAFE软件之中，在国内，由销售ANSYS的软件公司代理。然而，我们在工程应用中发现了该软件存在许多缺陷及应用局限性。另外，焊接领域的欧洲标准BSEN15085[3]对焊接结构焊接质量等级的确认给出了执行路线，然而该标准仅提出要求，没有给出任何可具体执行的技术，因此将该标准的要求可以执行，即实现疲劳寿命计算与焊接质量等级确认的一体化，显然这是一个极有工程应用意义的专利技术专利。关于计算焊接结构疲劳寿命的已有技术的特征是：1)以Verity软件为代表，创建被评估结构的有限元模型并求解，然后在结果文件中读取计算结构应力的节点力，其功能单一，步骤繁琐，计算效率低。2)是基于ASME标准的计算疲劳寿命的公式的编程封装，无二次开发接口。3)为了计算焊缝上的疲劳寿命，需要定义焊线，该软件采用的是人工设置的方式来定义焊线的各种属性。4)通过2D表格和2D曲线的形式给出疲劳寿命计算结果，疲劳寿命计算结果与计算模型不关联。5)仅可以计算疲劳寿命，与焊接质量等级的确认不关联。关于欧洲标准BSEN15085中确认焊接质量等级的技术特征是：1)规定了确认焊接结构质量等级的技术路线。2)规定了疲劳寿命计算是执行该技术路线的第一个必要条件。3)规定了应力状态、应力因数的等级划分。4)规定了焊接质量等级与焊缝检查等级的因果关系。一、已有的焊接结构疲劳寿命计算软件中的技术缺陷或问题是：1)它仅是将文献[1]中的计算公式写为一个计算程序，特别是它的计算结果不能自动用来确认焊接质量等级，软件功能单一，没有工程上更需要的寿命计算与焊接质量一体化集成的功能。2)不能对所建焊缝模型直接快速定位、建模单元检验。焊缝模型定义模糊，有限元母材结构模型和焊缝单元是一体的，因此无法在前处理和后处理后过程中单独显示，这给焊缝模型定位和检验焊缝建模单元是否正确带来困难。3)前处理步骤繁琐，求解计算效率低。例如，很多步骤需手动设置：板厚，开裂方向需手工测量；设置界面不友好；由于有容差限制，焊缝定义要求过高，处理工作量大。4)在求解过程中反复调用有限元结果文件求解的节点力，或者使用二次开发的脚本程序计算，因此求解大模型时速度慢，且容易出现假死现象等。5)可视化程度低，无交显示互能力，疲劳寿命计算结果与计算模型不关联，只能通过2D表格和2D曲线的形式给出计算结果，影响计算交互操作和评审效率。特别是当模型规模很大且有许多焊缝需要评估时，用户寻找相关信息不方便：一方面，当在3D焊缝模型中点击焊缝模型节点时，用户无法识别3D模型的图元存在2D数据表中哪个具体部分，无法根据在2D界面中显示疲劳结果曲线及3D疲劳曲线上的具体位置；另一方面，用户在浏览2D数据表和曲线图时时，点击界面中的2D表格数据项和2D曲线，不能识别出其对应的3D实体，无法在3D模型中定位并显示。6)用户不能通过二次开发扩展其功能，由于采用二次开发脚本语言，计算效率低，互动性差，支持的开发库少，可扩展能力差。二、与已有的焊接质量等级确认标准中的技术缺陷或问题是：已有的标准仅从概念上提出了确认焊接结构质量等级与焊缝检查等级的三个步骤：第一步，确认应力状态；第二步，根据应力状态，结合安全要求，确认焊缝质量等级；第三步，根据焊缝质量等级确认焊缝质量等级。可见，应力状态的确认是执行该技术路线的必要条件，而应力状态由疲劳强度状态确认，疲劳强度状态由疲劳寿命确定，如果不能可靠的计算疲劳寿命，该路线将不能被执行。但是，如何计算疲劳寿命，则让用户自己想办法。调查表明，该标准难于在工厂执行，其原因就在这里。由于工厂难于执行，因此在确认焊缝质量等级及检查等级时，它们只能向高等级选取，因而导致制造成本不科学的增加。
技术实现思路
根据上述提出的技术问题，而提供一种多功能的焊接结构疲劳寿命计算与焊接质量等级确认一体化的集成系统，用于解决现有的识别焊接结构焊缝上的应力集中与确认焊缝质量检查等级的多功能计算工具中具有很多缺陷与问题：功能单一，不能将疲劳寿命计算与焊接质量等级确认或质量检查关联，不能直接服务于制造工艺质量控制；建模效率低、无可视化的交互功能，不利于可视化交互式计算、方案的直观评审；如果焊接结构结上焊缝数量庞大，载荷工况多，求解速度慢的缺点。本专利技术采用的技术手段如下：一种多功能的焊接结构疲劳寿命计算与焊接质量等级确认一体化的集成系统，包括：前处理模块、计算模块、后处理可视化模块和质量等级确认模块；所述前处理模块中，建立含焊缝细节的有限元模型，并读取结果文件形成有限元结果集合，根据预定义焊缝文件中的定义焊缝的单元和节点号，构建网格可视化模型；所述网格可视化模型包括焊缝组模型和母材模型，并根据焊缝集合从有限元结果集合提取节点号、单元号、节点坐标、单元类型、节点力、节点弯矩到内存中成为焊缝属性值为下一阶段所述计算模块的求解计算作好准备。所述计算模块中，根据焊缝属性值，自动生成板厚、开裂方向方法，并根据焊缝属性值，对结构应力、等效结构应力和寿命进行求解计算；所述后处理可视化模块中，将计算模块得到的结果数据使用2D表格排序，快速定位薄弱点关注节点，使用2D表格、2D曲线和3D云图同步映射可视化方法，交互式显示计算结果；所述的质量等级确认模块中，基于疲劳寿命计算结果，计算应力因数，并依次确认应力状态级别，确定焊缝质量等级，确定焊缝检测等级。作为优选所述前处理模块中的处理过程，具体包括以下步骤：S11、根据计算需要，建立含焊缝细节的有限元模型：壳单元模型建立焊趾含a节点集合的有限元模型，如图2-1，图3-1；实体单元模型建立含焊趾a节点集合和母材垂直对端b节点集合，焊根表面c节点集合和焊根底部d节点集合(a、b节点集节点数量一致，b、c节点集节点数量一致)的有限元模型，如图2-2，图3-2。然后对该有限元模型根据指定工本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多功能的焊接结构疲劳寿命计算与焊接质量等级确认一体化的集成系统，其特征在于包括：前处理模块、计算模块、后处理可视化模块和质量等级确认模块；所述前处理模块中，建立含焊缝细节的有限元模型，并读取结果文件形成有限元结果集合，根据预定义焊缝文件中的定义焊缝的单元和节点号，构建网格可视化模型；所述网格可视化模型包括焊缝组模型和母材模型，并根据焊缝集合从有限元结果集合提取节点号、单元号、节点坐标、单元类型、节点力、节点弯矩到内存中成为焊缝属性值为下一阶段所述计算模块的求解计算作好准备；所述计算模块中，根据焊缝属性值，自动生成板厚、开裂方向方法，并根据焊缝属性值，对结构应力、等效结构应力和寿命进行求解计算；所述后处理可视化模块中，将计算模块得到的结果数据使用2D表格排序，快速定位薄弱点关注节点，使用2D表格、2D曲线和3D云图同步映射可视化方法，交互式显示计算结果；所述的质量等级确认模块中，基于疲劳寿命计算结果，计算应力因数，并依次确认应力状态级别，确定焊缝质量等级，确定焊缝检测等级。

【技术特征摘要】
1.一种多功能的焊接结构疲劳寿命计算与焊接质量等级确认一体化的集成系统，其特征在于包括：前处理模块、计算模块、后处理可视化模块和质量等级确认模块；所述前处理模块中，建立含焊缝细节的有限元模型，并读取结果文件形成有限元结果集合，根据预定义焊缝文件中的定义焊缝的单元和节点号，构建网格可视化模型；所述网格可视化模型包括焊缝组模型和母材模型，并根据焊缝集合从有限元结果集合提取节点号、单元号、节点坐标、单元类型、节点力、节点弯矩到内存中成为焊缝属性值为下一阶段所述计算模块的求解计算作好准备；所述计算模块中，根据焊缝属性值，自动生成板厚、开裂方向方法，并根据焊缝属性值，对结构应力、等效结构应力和寿命进行求解计算；所述后处理可视化模块中，将计算模块得到的结果数据使用2D表格排序，快速定位薄弱点关注节点，使用2D表格、2D曲线和3D云图同步映射可视化方法，交互式显示计算结果；所述的质量等级确认模块中，基于疲劳寿命计算结果，计算应力因数，并依次确认应力状态级别，确定焊缝质量等级，确定焊缝检测等级。2.根据权利要求1所述的多功能的焊接结构疲劳寿命计算与焊接质量等级确认一体化的集成系统，其特征在于：所述前处理模块中的处理过程，具体包括以下步骤：S11、根据计算需要，建立含焊缝细节的有限元模型：壳单元模型建立含焊趾节点集合的有限元模型；实体单元模型建立含焊趾节点集合和母材垂直对端节点集合，此两节点集节点数量一致，焊根表面节点集合和焊根底部节点集合，此两节点集节点数量一致的有限元模型。然后对该有限元模型根据指定工况进行求解，从而得到有限元模型分析结果文件；S12、利用编写的模块读取上述有限元模型分析结果文件的分析结果数据：一次性读取结果文件中节点号、单元号、节点坐标、单元类型、节点力和节点弯矩成为有限元结果集合；S13、根据预定义焊缝文件中的定义焊缝的单元和节点号，基于步骤S12读取的有限元结果集合取得焊缝对应单元号、节点坐标、单元类型成为焊缝集合，构建网格可视化模型使用；以图形引擎库根据单元类型将焊缝集合绘制单元面片和线框，建立可视化网格焊缝集合模型，将这些以焊缝名称命名的n条焊缝以树状场景图结构组织；其余非焊缝集合的单元用相同方式构建母材体网格模型，并加入上述树状场景图中，实现网格可视化模型构建；S14、构建场景图结构，在界面上建立2D树形结构组件内容；根据树形结构组件名称与场景图中焊缝集合模型名称、网格体一一对应，使得点击2D树形组件上的焊缝、母材体名称，3D网格可视化模型被高亮点选显示；反之，点选3D网格可视化模型，2D树形组件焊缝、母材体也被高亮点选显示；当在2D树形组件上点选焊缝时，根据焊缝快速定位方法在3D模型上定位焊缝；S15、根据焊缝集合从有限元结果集合提取节点号、单元号、节点坐标、单元类型、节点力、节点弯矩到内存中成为焊缝属性值为下一阶段求解计算作好准备；由于基于同一节点号、单元号和坐标等构建，此焊缝属性值是和步骤S13所建立的网格可视化模型的单元和节点是互相一一对应的。3.根据权利要求2所述的多功能的焊接结构疲劳寿命计算与焊接质量等级确认一体化的集成系统，其特征在于：步骤S13中，焊缝集合模型和母材体网格模型以不同颜色绘制，通过不同的视角变换，实现对网格可视化模型的多角度观察；通过建立鼠标键盘交互功能，实现局部放大以及对拾取的对象高亮显示功能。4.根据权利要求2所述的多功能的焊接结构疲劳寿命计算与焊接质量等级确认一体化的集成系统，其特征在于：所述计算模块中的处理过程，具体包括以下步骤：S21、自动生成板厚、开裂方向方法；壳单元模型板厚通过壳模型中焊趾节点集合所在单元类型获取；实体单元模型通过实体模型中焊趾节点集和下表面母材垂直对端的节点集坐标差方法获得板厚；焊根厚度方向通过定义焊根表面节点集和焊根底部节点集对应节点间的坐标差获取；根据焊趾节点集中节点和对面节点集中节点之间的节点矢量获得开裂方向；焊根开裂方向通过表面节点集和底部节点集对应节点之间的矢量的垂直矢量获取；S22、基于步骤S21结果，使用焊缝属性值的节点力、节点号、单元类型和节点坐标，结合用户定义初始裂纹长度、化学/应力腐蚀参数、载荷谱与焊缝属性值按照ASME标准中的计算步骤进行结构应力、等效结构应力和寿命的求解计算；S23、当焊缝集合出现切换工况、焊缝单元或节点更新时，将焊缝属性值更新然后进行重新计算。5.根据权利要求4所述的多功能的焊接结构疲劳寿命计算与焊接质量等级确认一体化的集成系统，其特征在于：所述后处理可视化模块中的处理过程，具体包括以下步骤：S31、使用2D表格、2D曲线和3D云图同步映射可视...

【专利技术属性】
技术研发人员：周韶泽，李向伟，崔晓芳，兆文忠，
申请(专利权)人：大连五州轨道科技有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21