本發(fā)明涉及軌道工程，尤其涉及鋼軌焊接接頭疲勞裂紋萌生擴(kuò)展全壽命預(yù)測方法和裝置。

背景技術(shù)：

1、鐵路是重大基礎(chǔ)設(shè)施，高速列車鋼軌采用先進(jìn)的高速無縫鋼軌，閃光焊是無縫鋼軌焊接接頭的首選焊接方式。由于受到工藝水平、維修養(yǎng)護(hù)等多方面因素的影響，焊接接頭的強(qiáng)度和穩(wěn)定性不如母材，使得焊接接頭在交變動荷載長期作用下會發(fā)生疲勞失效，在焊接接頭處出現(xiàn)疲勞裂縫，容易引發(fā)斷軌事故。傳統(tǒng)鋼軌焊接接頭疲勞壽命預(yù)測方法中，通常只分析焊接接頭疲勞裂紋萌生的影響因素，以及裂紋擴(kuò)展的模式等，并且萌生階段和擴(kuò)展階段分開研究，難以預(yù)測焊接接頭全過程的疲勞壽命，預(yù)測精確度低。

2、綜上，相關(guān)技術(shù)中存在的技術(shù)問題有待得到改善。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明實(shí)施例提供了鋼軌焊接接頭疲勞裂紋萌生擴(kuò)展全壽命預(yù)測方法和裝置，有效地提高了預(yù)測精確度。

2、一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了鋼軌焊接接頭疲勞裂紋萌生擴(kuò)展全壽命預(yù)測方法，包括以下步驟：

3、獲取鋼軌焊接接頭數(shù)據(jù)和母材數(shù)據(jù)；

4、根據(jù)所述鋼軌焊接接頭數(shù)據(jù)和所述母材數(shù)據(jù)，建立鋼軌有限元模型；

5、根據(jù)所述鋼軌有限元模型，計(jì)算疲勞裂紋萌生壽命預(yù)測關(guān)鍵位置和對應(yīng)的應(yīng)力分量時程；

6、根據(jù)所述疲勞裂紋萌生壽命預(yù)測關(guān)鍵位置和所述應(yīng)力分量時程，計(jì)算剪應(yīng)力幅值與正應(yīng)力幅值的比值；

7、根據(jù)所述剪應(yīng)力幅值與正應(yīng)力幅值的比值，計(jì)算疲勞裂紋萌生壽命；

8、根據(jù)所述疲勞裂紋萌生壽命和萌生位置，計(jì)算疲勞裂紋萌生擴(kuò)展全壽命，所述疲勞裂紋萌生擴(kuò)展全壽命用于鋼軌安全管理。

9、在一些實(shí)施例中，所述根據(jù)所述鋼軌焊接接頭數(shù)據(jù)和所述母材數(shù)據(jù)，建立鋼軌有限元模型，包括：

10、根據(jù)所述鋼軌焊接接頭數(shù)據(jù)，計(jì)算接頭試樣加工尺寸；

11、根據(jù)所述母材數(shù)據(jù)，計(jì)算母材試樣加工尺寸；

12、根據(jù)所述接頭試樣加工尺寸，對鋼軌焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)處理，得到接頭應(yīng)力應(yīng)變曲線；

13、根據(jù)所述母材試樣加工尺寸，對母材進(jìn)行拉伸試驗(yàn)處理，得到母材應(yīng)力應(yīng)變曲線；

14、根據(jù)所述接頭應(yīng)力應(yīng)變曲線和所述母材應(yīng)力應(yīng)變曲線，采用有限元分析法建立所述鋼軌有限元模型。

15、在一些實(shí)施例中，所述根據(jù)所述鋼軌有限元模型，計(jì)算疲勞裂紋萌生壽命預(yù)測關(guān)鍵位置和對應(yīng)的應(yīng)力分量時程，包括：

16、根據(jù)動車組列車組合狀態(tài)，計(jì)算動荷載時程；

17、將所述動荷載時程加載到所述鋼軌有限元模型上，得到車輪滾動狀態(tài)下鋼軌焊縫處的應(yīng)力場；

18、將鋼軌焊縫區(qū)域中等效應(yīng)力大于預(yù)設(shè)應(yīng)力閾值的位置作為所述疲勞裂紋萌生壽命預(yù)測關(guān)鍵位置；

19、從所述應(yīng)力場中提取所述疲勞裂紋萌生壽命預(yù)測關(guān)鍵位置的所述應(yīng)力分量時程。

20、在一些實(shí)施例中，所述根據(jù)所述疲勞裂紋萌生壽命預(yù)測關(guān)鍵位置和所述應(yīng)力分量時程，計(jì)算剪應(yīng)力幅值與正應(yīng)力幅值的比值，包括：

21、根據(jù)所述疲勞裂紋萌生壽命預(yù)測關(guān)鍵位置的等效應(yīng)力時程，通過雨流計(jì)數(shù)法計(jì)算應(yīng)力循環(huán)個數(shù)和起止時刻；

22、根據(jù)所述應(yīng)力循環(huán)個數(shù)、所述起止時刻和所述應(yīng)力分量時程，計(jì)算每個應(yīng)力循環(huán)對應(yīng)的剪應(yīng)力時程和正應(yīng)力時程；

23、根據(jù)所述剪應(yīng)力時程和所述正應(yīng)力時程，將鋼軌焊縫區(qū)域中剪應(yīng)力最大的平面作為臨界面；

24、根據(jù)所述臨界面，計(jì)算所述剪應(yīng)力幅值與正應(yīng)力幅值的比值。

25、在一些實(shí)施例中，所述根據(jù)所述剪應(yīng)力幅值與正應(yīng)力幅值的比值，計(jì)算疲勞裂紋萌生壽命，包括：

26、根據(jù)所述剪應(yīng)力幅值與正應(yīng)力幅值的比值，計(jì)算比值閾值；

27、根據(jù)所述剪應(yīng)力幅值與正應(yīng)力幅值的比值、所述比值閾值、剪應(yīng)力幅值和參考剪應(yīng)力對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，計(jì)算每個應(yīng)力循環(huán)對應(yīng)的疲勞失效次數(shù)；

28、根據(jù)所述疲勞失效次數(shù)和全循環(huán)個數(shù)，計(jì)算單車組造成的疲勞損傷值；

29、根據(jù)所述單車組造成的疲勞損傷值和動車組列車組合數(shù)，計(jì)算多車組造成的疲勞損傷值；

30、將所述多車組造成的疲勞損傷值從0增加到1的時間段作為所述疲勞裂紋萌生壽命。

31、在一些實(shí)施例中，所述根據(jù)所述疲勞裂紋萌生壽命和萌生位置，計(jì)算疲勞裂紋萌生擴(kuò)展全壽命，包括：

32、根據(jù)萌生位置，設(shè)置初始裂紋，所述初始裂紋的方向平行于鋼軌焊縫區(qū)域中的最大剪應(yīng)力平面；

33、根據(jù)所述疲勞裂紋萌生壽命，對裂紋出現(xiàn)時間進(jìn)行排序，得到裂紋萌生順序；

34、根據(jù)所述初始裂紋和所述裂紋萌生順序，計(jì)算裂紋擴(kuò)展路徑與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系；

35、當(dāng)裂紋深度或裂紋寬度增加到臨界閾值時，根據(jù)所述裂紋擴(kuò)展路徑與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；

36、根據(jù)所述應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，計(jì)算疲勞裂紋擴(kuò)展壽命；

37、當(dāng)鋼軌焊縫處承載能力小于預(yù)設(shè)承載閾值時，根據(jù)多個所述疲勞裂紋擴(kuò)展壽命，計(jì)算疲勞裂紋擴(kuò)展總壽命；

38、根據(jù)所述疲勞裂紋萌生壽命和所述疲勞裂紋擴(kuò)展總壽命，計(jì)算所述疲勞裂紋萌生擴(kuò)展全壽命。

39、在一些實(shí)施例中，所述根據(jù)所述疲勞失效次數(shù)和全循環(huán)個數(shù)，計(jì)算單車組造成的疲勞損傷值，包括：

40、根據(jù)所述疲勞失效次數(shù)和全循環(huán)個數(shù)，通過疲勞損傷值計(jì)算公式計(jì)算單車組造成的疲勞損傷值，所述疲勞損傷值計(jì)算公式為：

41、

42、式中，dn為所述單車組造成的疲勞損傷值，n為所述全循環(huán)個數(shù)，nfi為所述疲勞失效次數(shù)。

43、在一些實(shí)施例中，所述裂紋擴(kuò)展路徑與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系的表達(dá)式為：

44、

45、式中，α為裂紋深度，n為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，c和m均為材料參數(shù)，δk為應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值。

46、另一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了鋼軌焊接接頭疲勞裂紋萌生擴(kuò)展全壽命預(yù)測裝置，包括：

47、第一模塊，用于獲取鋼軌焊接接頭數(shù)據(jù)和母材數(shù)據(jù)；

48、第二模塊，用于根據(jù)所述鋼軌焊接接頭數(shù)據(jù)和所述母材數(shù)據(jù)，建立鋼軌有限元模型；

49、第三模塊，用于根據(jù)所述鋼軌有限元模型，計(jì)算疲勞裂紋萌生壽命預(yù)測關(guān)鍵位置和對應(yīng)的應(yīng)力分量時程；

50、第四模塊，用于根據(jù)所述疲勞裂紋萌生壽命預(yù)測關(guān)鍵位置和所述應(yīng)力分量時程，計(jì)算剪應(yīng)力幅值與正應(yīng)力幅值的比值；

51、第五模塊，用于根據(jù)所述剪應(yīng)力幅值與正應(yīng)力幅值的比值，計(jì)算疲勞裂紋萌生壽命；

52、第六模塊，用于根據(jù)所述疲勞裂紋萌生壽命和萌生位置，計(jì)算疲勞裂紋萌生擴(kuò)展全壽命，所述疲勞裂紋萌生擴(kuò)展全壽命用于鋼軌安全管理。

53、另一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種計(jì)算機(jī)裝置，包括：

54、至少一個處理器；

55、至少一個存儲器，用于存儲至少一個程序；

56、當(dāng)所述至少一個程序被所述至少一個處理器執(zhí)行，使得所述至少一個處理器實(shí)現(xiàn)所述的方法。

57、本發(fā)明所具有的有益效果如下：

58、本發(fā)明實(shí)施例首先獲取鋼軌焊接接頭數(shù)據(jù)和母材數(shù)據(jù)，并根據(jù)鋼軌焊接接頭數(shù)據(jù)和母材數(shù)據(jù)，建立鋼軌有限元模型，然后根據(jù)鋼軌有限元模型，計(jì)算疲勞裂紋萌生壽命預(yù)測關(guān)鍵位置和對應(yīng)的應(yīng)力分量時程，并根據(jù)疲勞裂紋萌生壽命預(yù)測關(guān)鍵位置和對應(yīng)的應(yīng)力分量時程，計(jì)算剪應(yīng)力幅值與正應(yīng)力幅值的比值，再根據(jù)剪應(yīng)力幅值與正應(yīng)力幅值的比值，計(jì)算疲勞裂紋萌生壽命，最后根據(jù)疲勞裂紋萌生壽命和萌生位置，計(jì)算疲勞裂紋萌生擴(kuò)展全壽命，從而能夠結(jié)合疲勞裂紋萌生壽命和疲勞裂紋擴(kuò)展壽命實(shí)現(xiàn)疲勞裂紋萌生擴(kuò)展全壽命預(yù)測，提高了預(yù)測精確度。

59、本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過在說明書以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。