一種基于粗糙集理論的焊接疲勞分析方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于粗糙集理論的焊接疲勞分析方法，具有如下步驟：S100.針對多組焊接接頭疲勞試驗(yàn)建立至少包含：載荷屬性、最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力和循環(huán)次數(shù)的疲勞數(shù)據(jù)庫；S200.對所述疲勞數(shù)據(jù)庫中的最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍Δσs；對Δσs和循環(huán)次數(shù)進(jìn)行屬性構(gòu)造；生成粗糙集數(shù)據(jù)庫中的決策屬性值，寫入粗糙集數(shù)據(jù)庫；S300.所述疲勞數(shù)據(jù)庫中的焊接接頭基本參數(shù)作為粗糙集數(shù)據(jù)庫中的條件屬性值寫入所述粗糙集數(shù)據(jù)庫；S400.對得到的含有決策屬性值和條件屬性值的粗糙集數(shù)據(jù)庫使用聯(lián)合熵約簡算法進(jìn)行條件屬性約簡和條件屬性值約簡，得到粗糙集判定規(guī)則模型；應(yīng)用該規(guī)則模型對新的焊接疲勞數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到粗糙集判別結(jié)果，完成焊接疲勞分析。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種焊接疲勞分析方法，尤其涉及。涉及專利分類號中GOlN借助于測定材料的化學(xué)或物理性質(zhì)來測試或分析材料。
技術(shù)介紹
焊接是一種重要的先進(jìn)制造技術(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中起著非常重要的作用。焊接結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、密封性好、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活性高、工藝簡潔、易修復(fù)等技術(shù)優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于許多工業(yè)部門的金屬結(jié)構(gòu)制造中。焊接工藝特點(diǎn)及接頭的幾何不連續(xù)性等致使其疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)低于母材的疲勞強(qiáng)度，已有的研究結(jié)果表明由疲勞破壞所引起的焊接結(jié)構(gòu)失效是產(chǎn)品使用期內(nèi)失效的最主要方式。因此，焊接結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)及壽命預(yù)測的可靠性直接決定了其使用的安全性，特別對于高速軌道交通裝備，隨著車輛運(yùn)行速度的不斷提升，在輪軌振動激勵(lì)、氣動沖擊等載荷的共同作用下，車輛焊接結(jié)構(gòu)承受的載荷狀況較常規(guī)鐵道車輛變得更為復(fù)雜，這對焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析的可靠性提出了更高的要求。目前焊接結(jié)構(gòu)疲勞分析及預(yù)測方法主要有名義應(yīng)力法、熱點(diǎn)應(yīng)力法、斷裂力學(xué)法和主S-N曲線法。名義應(yīng)力法是最早應(yīng)用于焊接結(jié)構(gòu)疲勞分析的方法，在大量理論及試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，基于該方法所建立的S-N曲線在很多領(lǐng)域得到了標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50017，2003)、英國BS7608:1993, AAR (北美鐵路協(xié)會)機(jī)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)手冊1999、IIff (國際焊接學(xué)會)Does XII1-1539-96/XV-845-1996等焊接結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均基于名義應(yīng)力法。在以上標(biāo)準(zhǔn)中，通過計(jì)算焊接結(jié)構(gòu)的名義應(yīng)力，并針對各種接頭開展疲勞試驗(yàn)，進(jìn)而形成針對各種焊接接頭的S-N曲線。在疲勞設(shè)計(jì)階段，基于上述標(biāo)準(zhǔn)提供的焊接接頭S-N曲線，依據(jù)Miner線性累積損傷理論進(jìn)行疲勞壽命評估。目前該方法在焊接結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)方面應(yīng)用較為廣泛，但在工程應(yīng)用過程中也顯現(xiàn)出一定局限性。首先名義應(yīng)力雖然在力學(xué)上有嚴(yán)格的定義，但對實(shí)際復(fù)雜結(jié)構(gòu)卻很難確定，而采用數(shù)值方法計(jì)算時(shí)，焊趾處奇異性造成應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的不一致，因而無法獲取令人信服的應(yīng)力值進(jìn)行焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的評定；此外名義應(yīng)力法是按照焊接分類的方法提供S-N曲線，而在實(shí)際工程應(yīng)用中，某些焊接接頭的形式和載荷等狀態(tài)難以十分明確地對應(yīng)到某一分類中，這樣會造成在S-N曲線選擇上具有主觀性，因此限制了其在工程應(yīng)用中的通用性。20世紀(jì)90年代，Niem1. E在名義應(yīng)力法的基礎(chǔ)上提出了基于熱點(diǎn)應(yīng)力的焊接結(jié)構(gòu)疲勞評定方法，即熱點(diǎn)應(yīng)力法，該方法被寫入IIW焊接結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)文檔，該文檔對熱點(diǎn)應(yīng)力的表面外推方法給出了較為詳細(xì)的規(guī)定，并建立了基于熱點(diǎn)應(yīng)力的S-N曲線。熱點(diǎn)應(yīng)力法在應(yīng)力分析中考慮了剛度突變導(dǎo)致的應(yīng)力集中，通過外推得到焊趾處應(yīng)力，并基于該應(yīng)力參數(shù)建立S-N曲線，該方法理論上可使用一條通用的熱點(diǎn)應(yīng)力S-N曲線來表征各種不同接頭焊縫類別的疲勞強(qiáng)度，可以減少對焊接接頭類別的考慮。熱點(diǎn)應(yīng)力法雖然解決了名義應(yīng)力法中針對焊接接頭類別的S-N曲線選擇方面的主觀性問題，但是熱點(diǎn)應(yīng)力的準(zhǔn)確性依賴于外推點(diǎn)及外推方法的選擇，而外推點(diǎn)的選擇必須考慮到焊趾缺口效應(yīng)影響區(qū)和幾何應(yīng)力集中效應(yīng)等問題，因此難以建立統(tǒng)一的熱點(diǎn)類型和外推公式。此外熱點(diǎn)應(yīng)力法同樣存在著應(yīng)力計(jì)算不一致性問題，也限制了其在工程中的應(yīng)用。美國學(xué)者Paris在斷裂力學(xué)基礎(chǔ)上建立了焊接結(jié)構(gòu)疲勞評估的斷裂力學(xué)法，不同于以上兩種方法，該方法針主要研究疲勞破壞的發(fā)展規(guī)律，通過檢測焊縫中裂紋特征及其擴(kuò)展速率對焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行壽命評估。該方法采用J-積分或應(yīng)力強(qiáng)度因子變化范圍△!(來描述每次循環(huán)下裂紋的擴(kuò)展量，形成了描述裂紋擴(kuò)展規(guī)律的Paris公式，建立了基于裂紋擴(kuò)展分析的焊接結(jié)構(gòu)壽命評估方法。斷裂力學(xué)法需要已知裂紋大小、位置、形狀和方向等屬性，因而在構(gòu)件剩余壽命評估與損傷容限設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。但同時(shí)在該壽命評估方法中，裂紋擴(kuò)展與焊縫缺陷的種類、大小、分布及其受力狀態(tài)等密切相關(guān)，對于實(shí)際焊接結(jié)構(gòu)無法預(yù)知，因此不能用于設(shè)計(jì)階段焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能的評定。2001年，美籍華裔科學(xué)家Pingsha Dong提出基于網(wǎng)格不敏感結(jié)構(gòu)應(yīng)力的主S-N曲線法(Mesh-1nsensitive Master S-N Curve Method),該方法通過定義對有限兀分析網(wǎng)格劃分尺寸不敏感的結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算解決了應(yīng)力計(jì)算一致性問題，建立了包含接頭板厚、載荷模式等影響因素的應(yīng)力強(qiáng)度因子表達(dá)式，在大量焊接接頭疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上確定表達(dá)式中的各參數(shù)，以獲得一條可以表征焊接接頭疲勞壽命的主S-N曲線。基于網(wǎng)格不敏感結(jié)構(gòu)應(yīng)力的主S-N曲線法在鋼材焊接結(jié)構(gòu)的疲勞分析方面已經(jīng)得到眾多研究者的認(rèn)可，并在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，美國ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIIIDivision2Part5 (2007)標(biāo)準(zhǔn)和 API579-1/ASME FFS-1 2007Fitness-for_Service 標(biāo)準(zhǔn)均推薦將主S-N曲線法用于焊縫疲勞分析，該方法已經(jīng)在50多個(gè)國家和地區(qū)的壓力容器、輸油管道、船舶、鉆井平臺等領(lǐng)域焊接結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)與分析中得到廣泛應(yīng)用，自2009年以來，在我國軌道交通裝·備領(lǐng)域開始嘗試主S-N曲線法的應(yīng)用。在主S-N曲線法中，網(wǎng)格不敏感結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算解決了焊縫應(yīng)力分布有限元計(jì)算中的不一致性，但在基于裂紋擴(kuò)展理論的疲勞壽命評估階段將載荷形式進(jìn)行簡化處理，將材料屬性、焊接工藝等因素對疲勞壽命的影響加以忽略，以上問題將會降低對焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析和預(yù)測的準(zhǔn)確性。焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命受多種因素耦合影響，目前的焊接疲勞分析方法在上述影響因素的分析方面相對獨(dú)立，缺少相互之間的關(guān)聯(lián)度，未能綜合考慮各種因素的影響。本專利技術(shù)專利針對此問題，將粗糙集理論與網(wǎng)格不敏感結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)合，在綜合分析各影響因素定量貢獻(xiàn)的基礎(chǔ)上建立一種新型的焊接疲勞分析方法，為焊接結(jié)構(gòu)疲勞分析提供一種更準(zhǔn)確、有效的技術(shù)手段。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)針對以上問題的提出，而研制的，具有如下步驟:S100.針對多組焊接接頭疲勞試驗(yàn)建立至少包含:焊接接頭基本參數(shù)、最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力和循環(huán)次數(shù)的疲勞數(shù)據(jù)庫；S200.對所述疲勞數(shù)據(jù)庫中的最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍λ os;對Δ σ s和循環(huán)次數(shù)進(jìn)行屬性構(gòu)造；生成粗糙集數(shù)據(jù)庫中的決策屬性值，寫入粗糙集數(shù)據(jù)庫；S300.所述疲勞數(shù)據(jù)庫中的焊接接頭基本參數(shù)作為粗糙集數(shù)據(jù)庫中的條件屬性值寫入所述粗糙集數(shù)據(jù)庫；S400.對得到的含有決策屬性值和條件屬性值的粗糙集數(shù)據(jù)庫使用聯(lián)合熵約簡算法進(jìn)行條件屬性約簡和條件屬性值約簡，得到粗糙集判定規(guī)則模型；應(yīng)用該規(guī)則模型對新的焊接疲勞數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到粗糙集判別結(jié)果，完成焊接疲勞分析。步驟SlOO中所述的結(jié)構(gòu)應(yīng)力σ s的定義為:Os = ο m+ο h (I)其中σ m、σ b分別為焊趾處受到的膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力；定義焊線長為1，板厚為t，垂直焊趾的力為Fy，繞焊趾的彎矩為Mx，焊趾上的線力為fy，線力矩Smx，根據(jù)材料力學(xué)結(jié)構(gòu)應(yīng)力值σ3分量膜應(yīng)力σπ、彎曲應(yīng)力Ob計(jì)算公式如下:本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于粗糙集理論的焊接疲勞分析方法，具有如下步驟：S100.針對多組焊接接頭疲勞試驗(yàn)建立至少包含：焊接接頭屬性、載荷屬性、焊接方法、最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力和循環(huán)次數(shù)的疲勞數(shù)據(jù)庫；S200.對所述疲勞數(shù)據(jù)庫中的最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍Δσs；對Δσs和循環(huán)次數(shù)進(jìn)行屬性構(gòu)造；生成粗糙集數(shù)據(jù)庫中的決策屬性值，寫入粗糙集數(shù)據(jù)庫；S300.所述疲勞數(shù)據(jù)庫中的焊接接頭屬性、載荷屬性和焊接方法作為粗糙集數(shù)據(jù)庫中的條件屬性值寫入所述粗糙集數(shù)據(jù)庫；S400.對得到的含有決策屬性值和條件屬性值的粗糙集數(shù)據(jù)庫使用聯(lián)合熵約簡算法進(jìn)行條件屬性約簡和條件屬性值約簡，得到粗糙集判定規(guī)則模型；應(yīng)用該規(guī)則模型對新的焊接疲勞數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到粗糙集判別結(jié)果，完成焊接疲勞分析。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于粗糙集理論的焊接疲勞分析方法，具有如下步驟: S100.針對多組焊接接頭疲勞試驗(yàn)建立至少包含:焊接接頭屬性、載荷屬性、焊接方法、最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力和循環(huán)次數(shù)的疲勞數(shù)據(jù)庫； S200.對所述疲勞數(shù)據(jù)庫中的最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍Λ os;對Λ Os和循環(huán)次數(shù)進(jìn)行屬性構(gòu)造；生成粗糙集數(shù)據(jù)庫中的決策屬性值，寫入粗糙集數(shù)據(jù)庫； S300.所述疲勞數(shù)據(jù)庫中的焊接接頭屬性、載荷屬性和焊接方法作為粗糙集數(shù)據(jù)庫中的條件屬性值寫入所述粗糙集數(shù)據(jù)庫； S400.對得到的含有決策屬性值和條件屬性值的粗糙集數(shù)據(jù)庫使用聯(lián)合熵約簡算法進(jìn)行條件屬性約簡和條件屬性值約簡，得到粗糙集判定規(guī)則模型；應(yīng)用該規(guī)則模型對新的焊接疲勞數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到粗糙集判別結(jié)果，完成焊接疲勞分析。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于粗糙集理論的焊接疲勞分析方法，其特征還在于: 步驟SlOO中所述的最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算方法如下: 結(jié)構(gòu)應(yīng)力0 s的定義為:3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于粗糙集理論的焊接疲勞分析方法，其特征還在于所述步驟S200具體包含步驟: S210:根據(jù)所述數(shù)據(jù)庫中的最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)力比計(jì)算得出所述疲勞數(shù)據(jù)庫中各組數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍Aos; S220:將所述疲勞循環(huán)次數(shù)和結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍Λ (...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：楊鑫華，孫屹博，鄒麗，任銳銘，
申請(專利權(quán))人：大連交通大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：