本發(fā)明涉及鋼軌疲勞壽命預估
技術(shù)領域：
，尤其涉及一種鋼軌疲勞壽命預估的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：現(xiàn)代鐵路運輸正向高速重載方向發(fā)展，由此引發(fā)的鋼軌疲勞損傷問題也愈發(fā)嚴重，已經(jīng)成為影響鐵路安全的主要問題。鋼軌在冶煉鍛造過程中難免會出現(xiàn)白點、氣泡和非金屬夾雜物等材質(zhì)上的缺陷，在加工運輸過程中可能會產(chǎn)生更多樣性的機械損傷源和損傷累積，加之在役狀態(tài)下車輪的反復碾軋，鋼軌很容易產(chǎn)生疲勞損傷，這種損傷的發(fā)展累積造成軌體裂紋的萌生與擴展，最終會導致嚴重事故的發(fā)生。因此，了解掌握鋼軌在疲勞載荷作用下材質(zhì)性能的變化，通過對鋼軌材料損傷演化情況的理論分析預估其疲勞壽命，將對鋼軌合理維修、及時更換、以及采取預防和減緩鋼軌損傷的措施等方面起到理論指導作用，對防止鐵路交通事故的發(fā)生具有重要的應用意義。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明實施例所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種鋼軌疲勞壽命預估的方法和系統(tǒng)，能夠?qū)︿撥壠趬勖M行預測，具有較高的準確性，有效達到降低鋼軌使用安全隱患的目的。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實施例提供了一種鋼軌疲勞壽命預估的方法，所述方法包括：S1、選取鋼軌測試區(qū)域，以損傷力學方法為基礎，通過有限元模型計算得到鋼軌的疲勞壽命的理論評估；上述方法包括：S2、根據(jù)材料疲勞實驗得到的S-N曲線確定損傷力學損傷演化方程的參數(shù)；S3、將上述損傷力學壽命評估的理論方法在商用有限元軟件平臺上進行二次開發(fā)，形成鋼軌疲勞壽命評估的功能模塊；S4、設置當前材料損傷的初始狀態(tài)和疲勞載荷的加載步長；S5、根據(jù)上述施加載荷，應用S1中所述有限元模型進行靜態(tài)分析，提取相應的應變場分布，并應用S3中所述的鋼軌疲勞壽命評估模塊計算(/累積)材料損傷演化；S6、判斷累積出的材料損傷度是否小于1；S7、如果材料損傷度小于1，則依據(jù)各單元損傷度修改剛度，以當前載荷加載步長返回S5進行加載循環(huán)，直至鋼軌模型出現(xiàn)材料損傷度大于等于1的情況；如果出現(xiàn)上述材料損傷度大于等于1的情況，按以下S8處理；S8、經(jīng)過上述損傷累積，當出現(xiàn)材料損傷度大于等于1的情況，則當前載荷加載步數(shù)記為鋼軌初始疲勞壽命。S9、在上述疲勞分析的基礎上，可將上述模型中材料損傷度大于等于1的部分刪除，刪除方法包括：將模型中材料損傷度大于等于1的部分相應的有限元單元殺死，同時修改損傷度小于1的其余部分的單元剛度。S10、預設損傷度達到1的單元數(shù)或損傷度達到1的區(qū)域大小(長度)，做為后繼疲勞破壞的判據(jù)；S11、在上述損傷分析過程中，每次發(fā)生模型材料損傷度大于等于1的情況時，均按照S9進行處理并返回S5，直至S10所提出的判據(jù)得到滿足。其中，所述步驟S1的具體步驟包括：采用損傷力學理論方法(如S1所述)；根據(jù)材料疲勞實驗得到的S-N曲線確定損傷力學損傷演化方程的參數(shù)(如S2所述)；將上述損傷力學壽命評估的理論方法在商用有限元軟件平臺上進行二次開發(fā)，形成鋼軌疲勞壽命評估的功能模塊(如S3所述)；在所述鋼軌上選擇一定長度的一段作為測試區(qū)域，劃分出多個網(wǎng)格單元；設置鋼軌的材料屬性及其對應的參數(shù)值，以及設置載荷/應力邊界條件和位移邊界條件；其中，所述材料屬性包括彈性模量、泊松比和損傷參數(shù)等；上述參數(shù)賦予每個上述單元；綜上所述，建立有限元模型；其中，所述步驟S7中“以當前載荷加載步長返回S5進行加載循環(huán)”的具體步驟包括：將各損傷度小于1的離散單元的損傷度分別導入相應的單元剛度，并將所述得到的各損傷度小于1的離散單元對應的剛度帶回步驟S5。本發(fā)明實施例還提供了一種鋼軌疲勞壽命預估的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：模型模塊，用于在選取鋼軌測試的區(qū)域，將所選的測試區(qū)域劃分出多個網(wǎng)格單元，并設置鋼軌的材料屬性、載荷/應力邊界條件及位移邊界條件，通過預設的有限元模型計算鋼軌的損傷演化和預估疲勞壽命；載荷步長模塊，用于設定載荷步長，進一步計算材料損傷累積；損傷度計算/累積模塊，用于提取當前所需分析的離散單元的損傷狀況，且根據(jù)所提取的當前每一離散單元的應力水平，計算出所提取的當前每一離散單元的損傷度；判據(jù)模塊，用于判斷所計算出的當前每一離散單元的損傷度是否存在至少有一個大于1的情況；模型修正模塊，用于殺死損傷度大于或等于1的離散單元，所述當前各損傷度小于1的離散單元均作為后續(xù)所需分析的離散單元，根據(jù)損傷度修改其單元剛度，并在下一輪載荷歷程中進行損傷累積；壽命預估模塊，用于獲取所述當前載荷加載步數(shù)，并將所述獲取到的當前載荷加載步數(shù)記為鋼軌疲勞壽命。實施本發(fā)明實施例，具有如下有益效果：在本發(fā)明實施例中，采用損傷力學方法，通過構(gòu)建的有限元模型，將損傷力學的損傷演化方程嵌入商用有限元軟件的運行環(huán)境，對疲勞載荷作用下鋼軌材料的損傷進行累積，當材料損傷度達到1時，載荷加載總步數(shù)記為鋼軌(初始/后繼)疲勞壽命，從而能夠?qū)︿撥壠趬勖M行預測，具有較高的準確性，可以有效達到降低鋼軌使用安全隱患的目的。附圖說明為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖仍屬于本發(fā)明的范疇。圖1為本發(fā)明實施例提供的一種鋼軌疲勞壽命預估方法的流程圖；圖2為本發(fā)明實施例提供的一種鋼軌疲勞壽命預估的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。具體實施方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步地詳細描述。一般認為金屬材料的疲勞損傷過程是不可逆熱力學過程。損傷力學以連續(xù)介質(zhì)力學和熱力學為基礎，根據(jù)能量守恒定律，由體系的自由能和耗散勢導出損傷演化方程和損傷本構(gòu)關(guān)系，從而構(gòu)成了較為嚴謹?shù)暮暧^損傷分析的力學體系，較為準確的反映了材料的損傷演化過程，形成了實用性疲勞壽命預估方法，實現(xiàn)了對材料疲勞壽命的理論預估。熱力學第一定律表征了能量守恒，可寫為：ΔE＝U+Q(1)；式(1)中，ΔE：材料的內(nèi)能增量；U：外界對材料所做功；Q：傳入材料的熱量。在微體中的表達式可以寫為：式(2)中，：單位體積內(nèi)能對時間的導數(shù)；σij：應力分量；：應變率；：單位體積單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量；：單位時間單位面積上的熱通量。引入單位體積Helmholtz自由能密度g作為描述材質(zhì)損傷過程的狀態(tài)參數(shù)，其定義為：g＝e-Ts(3)；式(3)中，g：單位體積Helmholtz自由能密度；e：單位體積內(nèi)能；T：絕對溫度；s：單位體積內(nèi)的熵。自由能的物理含義是：等溫過程中，可以用來對外做功的內(nèi)能。自由能是一個狀態(tài)函數(shù)，可以由狀態(tài)參量確定。自由能密度g可分為兩部分，其中彈性部分ge反映材料疲勞損傷，而塑性部分gp不反映疲勞損傷。因此，反映材料疲勞損傷的自由能密度可定義為：ge=1-D2Eijklϵijeϵkle---(4);]]>式(4)中，D：材料損傷度；Eijkl：材料初始剛度；：彈性應變分量。在損傷力學中，材料損傷度可以用材料剛度折減來表示：D=E-EDE---(5);]]>式(5)中，E：無損材料的彈性模量；ED：含損傷的材料彈性模量；D為材料損傷度，其取值范圍為(0，1)，D＝0表示材料無損傷，D＝1表示材料破壞。因此，含損傷參數(shù)的材料本構(gòu)方程可表示為：σ＝EDε＝E(1-D)ε(6)；損傷力學中損傷驅(qū)動力Y定義為：Y=-∂g∂D---(7);]]>式(7)中Y為損傷驅(qū)動力。損傷使得內(nèi)能中可以對外做功的部分減少，以熱的形式耗散，因此損傷是一個能量貶值的過程，也是不可逆的單向過程。上述方程的物理意義即損傷引起的自由能耗散率。在線彈性情況下將式(4)代入式(7)得：Y=Eijklϵijeϵkle2---(8);]]>循環(huán)載荷作用下的損傷演化方程為：dDdN=aYmaxm2(1-D)n---(9);]]>式(9)中，N：加載步數(shù)；a、m：材料損傷參數(shù)；Ymax：一次加載循環(huán)中最大損傷驅(qū)動力。將式(8)代入式(9)得到單向受力狀態(tài)中循環(huán)載荷作用下應變形式的損傷演化方程：dDdN=a(E2)m2ϵm(1-D)m---(10);]]>式(10)中損傷演化參數(shù)a和m通過以下步驟確定：對式(10)在全壽命區(qū)間上積分得ϵmaxmNf=C---(11);]]>對式(11)取對數(shù)有：lgNf＝lgC-mlgεmax(12)；式(11)中C為積分常數(shù)C=(1-D0)n+1a(E2)m2(n+1)]]>其中，εmax：一次循環(huán)加載過程中最大應變值；Nf：疲勞壽命；D0：初始損傷度。根據(jù)實驗得到的在不同應力/應變水平下的疲勞中值壽命數(shù)據(jù)(即S-N曲線)，可通過最小二乘法確定參數(shù)m和C：φ(m,C)=Σi=1n[lgNi(e)-lgN(σmax,i)]2---(13);]]>式(13)中，：對S-N曲線壽命取點數(shù)據(jù)；σmax,i：對S-N曲線應力取點數(shù)據(jù)。對上述誤差函數(shù)φ取極值有∂φ(m,C)∂lgC=0---(14);]]>∂φ(m,C)∂m=0---(15);]]>聯(lián)立式(14)、(15)可解得m與C這兩個參數(shù)，將結(jié)果代回式(12)可求得損傷參數(shù)a。綜上，發(fā)明人根據(jù)損傷力學理論提出損傷力學-有限元-鋼軌疲勞壽命預估方法，構(gòu)建鋼軌損傷的分析模型，從而通過鋼軌材料損傷演化分析累積疲勞載荷作用下的材料損傷，最終計算出在滿足鋼軌損傷度符合預定條件下的總循環(huán)步數(shù)，從而實現(xiàn)對鋼軌疲勞壽命進行預測，達到降低鋼軌使用安全隱患的目的。附圖1為本發(fā)明實施例提供的一種鋼軌疲勞壽命預估的方法，所述方法包括：S1、選取鋼軌測試區(qū)域，以損傷力學方法為基礎，通過有限元模型計算得到鋼軌的疲勞壽命的理論評估；具體過程為：采用損傷力學理論方法(如S1所述)；根據(jù)材料疲勞實驗得到的S-N曲線確定損傷力學損傷演化方程的參數(shù)(如S2所述)；將上述損傷力學壽命評估的理論方法在商用有限元軟件平臺上進行二次開發(fā)，形成鋼軌疲勞壽命評估的功能模塊(如S3所述)；在所述鋼軌上選擇一定長度的一段作為測試區(qū)域，劃分出多個網(wǎng)格單元；設置鋼軌的材料屬性及其對應的參數(shù)值，以及設置載荷/應力邊界條件和位移邊界條件；其中，所述材料屬性包括彈性模量、泊松比和損傷參數(shù)等；上述參數(shù)賦予每個上述單元；綜上所述，建立有限元模型；應當說明的是，在預設的損傷演化方程中，選擇的損傷演化參數(shù)為式(10)中的a和m。所述方法包括：S4、設置當前材料損傷的初始狀態(tài)和疲勞載荷的加載步長；具體過程為，在迭代求解前，可設材料的初始損傷狀態(tài)為0，初始化載荷加載步長可參考材料性質(zhì)根據(jù)經(jīng)驗選取。S5、根據(jù)上述施加載荷，應用S1中所述有限元模型進行靜態(tài)分析，提取相應的應變場分布，并應用S3中所述的鋼軌疲勞壽命評估模塊計算材料損傷演化并加以累積；鋼軌疲勞是材料所受應力與損傷累積的耦合作用效應，損傷力學就是基于連續(xù)介質(zhì)變形/應力分析的力學理論體系，宏觀唯象描述材料在應力與損傷耦合作用下的疲勞現(xiàn)象。損傷力學理論方法如下所示：I、平衡方程：∂σx∂x+∂τxy∂y+∂τxz∂z+fx=0∂τyx∂x+∂σy∂y+∂τyz∂z+fy=0∂τxz∂x+∂τyz∂y+∂σz∂z+fz=0---(16)]]>式(16)中，σx、σy、σz：材料內(nèi)部各點在x、y、z方向上的正應力；τxy、τyz、τzx：xy、yz、zx平面的剪應力；fx、fy、fz：x、y、z方向上的體積力。II、幾何方程：ϵx=∂u∂x;γxy=∂u∂y+∂v∂xϵy=∂v∂y;γyz=∂v∂z+∂w∂yϵz=∂w∂z;γzx=∂w∂x+∂u∂z---(17)]]>式(17)中，εx、εy、εz：材料內(nèi)部各點在方向x、y、z上的正應變；γxy、γyz、γzx：xy、yz、zx平面的剪切應變；u、v、w：材料內(nèi)部各點在x、y、z方向上的位移。III、物理方程，即廣義胡克定律：ϵx=1E(σx-μ(σy+σz));γxy=2(1+μ)Eτxyϵy=1E(σy-μ(σx+σz));γyz=2(1+μ)Eτyzϵx=1E(σz-μ(σx+σy));γzx=2(1+μ)Eτzx---(18)]]>式(18)中，E為彈性模量，μ為泊松比。除上述控制方程，還應建立上述數(shù)學求解體系的邊界條件，一般包含載荷(應力)邊界條件和位移邊界條件。本發(fā)明實施例中設定的應力邊界條件和位移邊界條件如下：應力邊界條件為：p‾i=σijnj---(19)]]>式(19)中，：外力在i方向上的分量；σij：材料內(nèi)部點沿ij方向的應力分量；nj：j方向的單位矢量；i，j＝x、y、z位移邊界條件為：u＝u*,v＝v*,w＝w*(20)式(20)中，u、v、w：材料內(nèi)部各點在x、y、z方向上的位移；u*、v*、w*：物體邊界(例如固定點或自由表面)在x、y、z方向上的位移。以上述理論方法為基礎進行損傷分析，需要借助于數(shù)值求解的方式，商用有限元軟件就是這樣的數(shù)值求解的有力工具。本發(fā)明采用有限元方法建立離散化的單元組成的鋼軌模型，將損傷力學理論嵌入商用有限元軟件運行環(huán)境，從而構(gòu)成結(jié)構(gòu)/材料損傷分析的功能模塊。所述方法包括：提取當前所需分析的離散單元，且根據(jù)所提取的當前每一離散單元的應變，得到等效應變，并進一步根據(jù)所述得到的等效應變，計算出所提取的當前每一離散單元的損傷度；具體過程為：確定所提取的當前每一離散單元的應變εij，根據(jù)預設公式，如下式(21)，得到等效應變εe：ϵe=μ(1+μ)(1-2μ)(ϵx+ϵy+ϵz)2+11+μ[ϵx2+ϵy2+ϵz2+12(γxy2+γyz2+γxz2)]---(21)]]>參照公式(10)計算出所提取的當前每一離散單元的損傷度。S6、判斷累積出的材料損傷度是否小于1；S7、如果材料損傷度小于1，則以當前載荷加載步長返回S5進行加載循環(huán)，直至鋼軌模型出現(xiàn)材料損傷度大于等于1的情況；其中，所述步驟S7中“以當前載荷加載步長返回S5進行加載循環(huán)”的具體步驟包括：將各損傷度小于1的離散單元的損傷度分別導入相應的單元剛度，并將所述得到的各損傷度小于1的離散單元對應的剛度返回步驟S5。修改過程具體如下：將各損傷度小于1的離散單元的損傷度分別導入預設公式(5)，得到各損傷度小于1的離散單元對應的剛度ED，并進一步推導出各損傷度小于1的離散單元對應的應變εij后返回步驟S5。如果上述材料損傷度出現(xiàn)大于等于1的情況，按以下S8處理；S8、經(jīng)過上述損傷累積，當出現(xiàn)材料損傷度大于等于1的情況，則當前載荷加載步數(shù)記為鋼軌初始疲勞壽命。具體過程為：待出現(xiàn)離散單元的損傷度大于或等于1的情況時，獲取當前載荷加載步數(shù)作為該載荷作用下的鋼軌初始疲勞壽命。S9、在上述疲勞分析的基礎上，可將上述模型中材料損傷度大于等于1的部分刪除，刪除方法包括：將模型中材料損傷度大于等于1的部分相應的有限元模型的單元殺死，并修改損傷度小于1的單元剛度。上述方法包括：S10、預設損傷度達到1的單元數(shù)或損傷度達到1的區(qū)域大小(長度)，做為后繼疲勞破壞的判據(jù)；S11、在上述損傷分析過程中，每次發(fā)生模型材料損傷度大于等于1的情況時，均按照S9進行處理并返回S5，直至S10所提出的判據(jù)得到滿足。如附圖2所示，為本發(fā)明實施例中，提供的一種鋼軌疲勞壽命預估系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：模型模塊210，用于在選取鋼軌測試的區(qū)域，將所選的測試區(qū)域劃分出多個網(wǎng)格單元，并設置鋼軌的材料屬性、載荷/應力邊界條件及位移邊界條件，通過預設的有限元模型計算鋼軌的損傷演化和預估疲勞壽命；載荷步長模塊220，用于設定載荷步長，進一步計算材料損傷累積；損傷度計算/累積模塊230，用于提取當前所需分析的離散單元的損傷狀況，且根據(jù)所提取的當前每一離散單元的應力水平，計算出所提取的當前每一離散單元的損傷度；判斷模塊240，用于判斷所計算出的當前每一離散單元的損傷度是否存在至少有一個大于1的情況；模型修正模塊250，用于刪除損傷度大于或等于1的離散單元，依據(jù)各單元損傷度相應修改各單元剛度，將所述當前各損傷度小于1的離散單元均作為后續(xù)所需分析的離散單元，在下一輪載荷歷程中進行損傷累積；壽命預估模塊260，用于獲取所述當前載荷加載步數(shù)，并將所述獲取到的當前載荷加載步數(shù)記為鋼軌疲勞壽命。實施本發(fā)明實施例，具有如下有益效果：在本發(fā)明實施例中，在疲勞載荷作用下，通過構(gòu)建的有限元模型迭代求解得到滿足鋼軌材料損傷度達到1條件時的載荷加載總步數(shù)記為鋼軌疲勞壽命，從而能夠?qū)︿撥壠趬勖M行預估，具有較高的準確性，有效達到降低鋼軌使用安全隱患的目的。值得注意的是，上述系統(tǒng)實施例中，所包括的各個系統(tǒng)模塊只是按照功能邏輯進行劃分的，但并不局限于上述的劃分，只要能夠?qū)崿F(xiàn)相應的功能即可；另外，各功能模塊的具體名稱也只是為了便于相互區(qū)分，并不用于限制本發(fā)明的保護范圍。本領域普通技術(shù)人員可以理解實現(xiàn)上述實施例方法中的全部或部分步驟是可以通過程序指令相關(guān)的硬件來完成，所述的程序可以存儲于一計算機可讀取存儲介質(zhì)中，所述的存儲介質(zhì)，如ROM/RAM、磁盤、光盤等。以上所展示的僅為本發(fā)明較佳實施例而已，當然不能以此來限定本發(fā)明之權(quán)利范圍，因此依本發(fā)明權(quán)利要求所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。當前第1頁1 2 3