一種基於粗糙集理論的焊接疲勞分析方法

2023-06-12 13:52:51 1

專利名稱：一種基於粗糙集理論的焊接疲勞分析方法
技術領域：
本發明涉及一種焊接疲勞分析方法，尤其涉及一種基於粗糙集理論的焊接疲勞分析方法。涉及專利分類號中GOlN藉助於測定材料的化學或物理性質來測試或分析材料。
背景技術：
焊接是一種重要的先進位造技術，在工業生產和國民經濟建設中起著非常重要的作用。焊接結構具有強度高、密封性好、結構設計靈活性高、工藝簡潔、易修復等技術優勢，已廣泛應用於許多工業部門的金屬結構製造中。焊接工藝特點及接頭的幾何不連續性等致使其疲勞強度遠低於母材的疲勞強度，已有的研究結果表明由疲勞破壞所引起的焊接結構失效是產品使用期內失效的最主要方式。因此，焊接結構的疲勞設計及壽命預測的可靠性直接決定了其使用的安全性，特別對於高速軌道交通裝備，隨著車輛運行速度的不斷提升，在輪軌振動激勵、氣動衝擊等載荷的共同作用下，車輛焊接結構承受的載荷狀況較常規鐵道車輛變得更為複雜，這對焊接結構疲勞壽命分析的可靠性提出了更高的要求。目前焊接結構疲勞分析及預測方法主要有名義應力法、熱點應力法、斷裂力學法和主S-N曲線法。名義應力法是最早應用於焊接結構疲勞分析的方法，在大量理論及試驗研究基礎上，基於該方法所建立的S-N曲線在很多領域得到了標準化規範，鋼結構設計規範(GB50017，2003)、英國BS7608:1993, AAR (北美鐵路協會)機務標準手冊1999、IIff (國際焊接學會)Does XII1-1539-96/XV-845-1996等焊接結構疲勞設計標準均基於名義應力法。在以上標準中，通過計算焊接結構的名義應力，並針對各種接頭開展疲勞試驗，進而形成針對各種焊接接頭的S-N曲線。在疲勞設計階段，基於上述標準提供的焊接接頭S-N曲線，依據Miner線性累積損傷理論進行疲勞壽命評估。目前該方法在焊接結構疲勞設計方面應用較為廣泛，但在工程應用過程中也顯現出一定局限性。首先名義應力雖然在力學上有嚴格的定義，但對實際複雜結構卻很難確定，而採用數值方法計算時，焊趾處奇異性造成應力計算結果的不一致，因而無法獲取令人信服的應力值進行焊接結構疲勞壽命的評定；此外名義應力法是按照焊接分類的方法提供S-N曲線，而在實際工程應用中，某些焊接接頭的形式和載荷等狀態難以十分明確地對應到某一分類中，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用中的通用性。20世紀90年代，Niem1. E在名義應力法的基礎上提出了基於熱點應力的焊接結構疲勞評定方法，即熱點應力法，該方法被寫入IIW焊接結構疲勞設計文檔，該文檔對熱點應力的表面外推方法給出了較為詳細的規定，並建立了基於熱點應力的S-N曲線。熱點應力法在應力分析中考慮了剛度突變導致的應力集中，通過外推得到焊趾處應力，並基於該應力參數建立S-N曲線，該方法理論上可使用一條通用的熱點應力S-N曲線來表徵各種不同接頭焊縫類別的疲勞強度，可以減少對焊接接頭類別的考慮。熱點應力法雖然解決了名義應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，但是熱點應力的準確性依賴於外推點及外推方法的選擇，而外推點的選擇必須考慮到焊趾缺口效應影響區和幾何應力集中效應等問題，因此難以建立統一的熱點類型和外推公式。此外熱點應力法同樣存在著應力計算不一致性問題，也限制了其在工程中的應用。美國學者Paris在斷裂力學基礎上建立了焊接結構疲勞評估的斷裂力學法，不同於以上兩種方法，該方法針主要研究疲勞破壞的發展規律，通過檢測焊縫中裂紋特徵及其擴展速率對焊接結構進行壽命評估。該方法採用J-積分或應力強度因子變化範圍△!(來描述每次循環下裂紋的擴展量，形成了描述裂紋擴展規律的Paris公式，建立了基於裂紋擴展分析的焊接結構壽命評估方法。斷裂力學法需要已知裂紋大小、位置、形狀和方向等屬性，因而在構件剩餘壽命評估與損傷容限設計中得到廣泛應用。但同時在該壽命評估方法中，裂紋擴展與焊縫缺陷的種類、大小、分布及其受力狀態等密切相關，對於實際焊接結構無法預知，因此不能用於設計階段焊接結構疲勞性能的評定。2001年，美籍華裔科學家Pingsha Dong提出基於網格不敏感結構應力的主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格劃分尺寸不敏感的結構應力計算解決了應力計算一致性問題，建立了包含接頭板厚、載荷模式等影響因素的應力強度因子表達式，在大量焊接接頭疲勞試驗數據的基礎上確定表達式中的各參數，以獲得一條可以表徵焊接接頭疲勞壽命的主S-N曲線。基於網格不敏感結構應力的主S-N曲線法在鋼材焊接結構的疲勞分析方面已經得到眾多研究者的認可，並在多個領域得到廣泛的應用，美國ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIIIDivision2Part5 (2007)標準和 API579-1/ASME FFS-1 2007Fitness-for_Service 標準均推薦將主S-N曲線法用於焊縫疲勞分析，該方法已經在50多個國家和地區的壓力容器、輸油管道、船舶、鑽井平臺等領域焊接結構的疲勞設計與分析中得到廣泛應用，自2009年以來，在我國軌道交通裝·備領域開始嘗試主S-N曲線法的應用。在主S-N曲線法中，網格不敏感結構應力計算解決了焊縫應力分布有限元計算中的不一致性，但在基於裂紋擴展理論的疲勞壽命評估階段將載荷形式進行簡化處理，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構疲勞壽命分析和預測的準確性。焊接結構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立，缺少相互之間的關聯度，未能綜合考慮各種因素的影響。本發明專利針對此問題，將粗糙集理論與網格不敏感結構應力計算結合，在綜合分析各影響因素定量貢獻的基礎上建立一種新型的焊接疲勞分析方法，為焊接結構疲勞分析提供一種更準確、有效的技術手段。

發明內容
本發明針對以上問題的提出，而研製的一種基於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建立至少包含:焊接接頭基本參數、最大結構應力和循環次數的疲勞資料庫；S200.對所述疲勞資料庫中的最大結構應力計算結構應力變化範圍λ os;對Δ σ s和循環次數進行屬性構造；生成粗糙集資料庫中的決策屬性值，寫入粗糙集資料庫；S300.所述疲勞資料庫中的焊接接頭基本參數作為粗糙集資料庫中的條件屬性值寫入所述粗糙集資料庫；
S400.對得到的含有決策屬性值和條件屬性值的粗糙集資料庫使用聯合熵約簡算法進行條件屬性約簡和條件屬性值約簡，得到粗糙集判定規則模型；應用該規則模型對新的焊接疲勞數據進行分析，得到粗糙集判別結果，完成焊接疲勞分析。步驟SlOO中所述的結構應力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力和彎曲應力；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，根據材料力學結構應力值σ3分量膜應力σπ、彎曲應力Ob計算公式如下:
權利要求
1.一種基於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建立至少包含:焊接接頭屬性、載荷屬性、焊接方法、最大結構應力和循環次數的疲勞資料庫； S200.對所述疲勞資料庫中的最大結構應力計算結構應力變化範圍Λ os;對Λ Os和循環次數進行屬性構造；生成粗糙集資料庫中的決策屬性值，寫入粗糙集資料庫； S300.所述疲勞資料庫中的焊接接頭屬性、載荷屬性和焊接方法作為粗糙集資料庫中的條件屬性值寫入所述粗糙集資料庫； S400.對得到的含有決策屬性值和條件屬性值的粗糙集資料庫使用聯合熵約簡算法進行條件屬性約簡和條件屬性值約簡，得到粗糙集判定規則模型；應用該規則模型對新的焊接疲勞數據進行分析，得到粗糙集判別結果，完成焊接疲勞分析。
2.根據權利要求1所述的一種基於粗糙集理論的焊接疲勞分析方法，其特徵還在於: 步驟SlOO中所述的最大結構應力計算方法如下: 結構應力0 s的定義為:
3.根據權利要求1所述的一種基於粗糙集理論的焊接疲勞分析方法，其特徵還在於所述步驟S200具體包含步驟: S210:根據所述資料庫中的最大結構應力和應力比計算得出所述疲勞資料庫中各組數據的結構應力變化範圍Aos; S220:將所述疲勞循環次數和結構應力變化範圍Λ (^寫入對數坐標系，通過最小二乘法擬合建立S-N曲線； S230:以所述S-N曲線為中心曲線，設定不同倍率的標準差，得到與中心曲線平行的多條特徵曲線，以各曲線間的區域作為不同疲勞特徵域； S240:以疲勞數據點在疲勞特徵域的分布對每一組疲勞數據進行疲勞等級劃分，作為粗糙集資料庫中各組數據的決策屬性。
4.根據權利要求3所述的一種基於粗糙集理論的焊接疲勞分析方法，其特徵還在於所述步驟S202中，所述S-N曲線擬合方法: 焊接接頭疲勞載荷結構應力範圍△ os和疲勞壽命N之間的關係可表示為:C = Ν(Δ σ s)m 其中=C為材料常數;m為S-N曲線的斜率；將上式取對數:IgS = -BlgN+A 式中:S為所加載荷的結構應力範圍Λ os;N為疲勞壽命；B、A為擬合常數。
5.根據權利要求1所述的一種基於粗糙集理論的焊接疲勞分析方法，其特徵還在於所述步驟S300具體包含: S310.採用人工檢查的方法去除明顯的奇異點，去除噪聲數據； S320.數據的相關性分析，去除相關性交底的數據； S330.對上述步驟處理後數據離散化。
6.根據上述任意一項權利要求所述的一種基於粗糙集理論的焊接疲勞分析方法，其特徵還在於:所述步驟S400 中，採用不確定推理作為粗糙集判定規則模型的推理策略。
全文摘要
本發明公開了一種基於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建立至少包含載荷屬性、最大結構應力和循環次數的疲勞資料庫；S200.對所述疲勞資料庫中的最大結構應力計算結構應力變化範圍Δσs；對Δσs和循環次數進行屬性構造；生成粗糙集資料庫中的決策屬性值，寫入粗糙集資料庫；S300.所述疲勞資料庫中的焊接接頭基本參數作為粗糙集資料庫中的條件屬性值寫入所述粗糙集資料庫；S400.對得到的含有決策屬性值和條件屬性值的粗糙集資料庫使用聯合熵約簡算法進行條件屬性約簡和條件屬性值約簡，得到粗糙集判定規則模型；應用該規則模型對新的焊接疲勞數據進行分析，得到粗糙集判別結果，完成焊接疲勞分析。
文檔編號G06F19/00GK103077320SQ201310019178
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月18日 優先權日2013年1月18日
發明者楊鑫華, 孫屹博, 鄒麗, 任銳銘 申請人:大連交通大學