鐵路貨車焊縫疲勞數據可視化系統開發與應用

周韶澤，陳棟，聶春戈，李向偉，兆文忠，宗振龍

(1.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028；2.中車齊齊哈爾軌道 交通裝備有限責任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002)

鐵路貨車焊縫疲勞數據可視化系統開發與應用

周韶澤1，2，陳棟1，聶春戈1，李向偉2，兆文忠1，宗振龍1

(1.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028；2.中車齊齊哈爾軌道 交通裝備有限責任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002)

為了解決目前鐵路貨車焊縫疲勞數據管理效率低，難以滿足產品快速抗疲勞設計需求的問題，研究并開發了集三維可視化模型，焊縫疲勞計算，虛擬疲勞、試驗測試的焊縫疲勞評估數據管理于一體的三維可視化系統.為了實現該系統，提出了基于場景圖的CAD/CAE可視化模型裝配樹；研究并嵌套了試驗測試等效應力幅焊縫疲勞評估算法；提出了基于面向焊縫對象的可視化方法、MVC模式數據映射技術，建立了主S-N曲線法、IIW名義應力法、等效應力幅法焊縫疲勞評估數據與焊縫模型的雙向映射.最后以C70E車體焊縫疲勞設計作為實例，證明了該軟件系統的有效性及實用性.

貨車設計；焊縫疲勞；Openscenegraph；三維可視化

0 引言

隨著新一代重載、快捷鐵路貨車的快速發展，傳統的靜強度設計及分析平臺已不能滿足產品抗疲勞設計的需求[1].在鐵路貨車產品抗疲勞方案設計和試驗階段，鐵路貨車焊縫數量大(如典型焊接車體焊縫多達幾百條)、相互關系復雜，而且來自虛擬疲勞仿真、真實疲勞試驗的各類焊縫疲勞評估數據類型多、格式復雜、數據量大，目前缺少一個可以可視化集成和關聯各類疲勞數據，進行設計方案分析、比較，還能易于擴展多種焊縫疲勞算法的軟件工具，是一項急需解決的技術問題.

焊縫疲勞預測和試驗計算主要有商業有限元ANSYS、ENCODE等軟件，這些軟件在焊縫疲勞設計中有以下局限性：只能進行有限的、單一的評估方法的疲勞計算和三維顯示；底層開放程度、與外部數據交互功能有限，擴展其他疲勞算法困難；由于CAD、CAE模型文件較大，加載、交互操作模型速度慢等.這些局限性導致疲勞設計無法形成統一的、便捷的和多要素的疲勞數據可視化平臺，給快速抗疲勞設計帶來很大困難.

隨著計算機圖形圖像技術和可視化技術的發展，數據、信息經過可視化處理，使人們通過視覺信息更容易掌握系統中各變量間、變量與環境之間的變化關系，更直接了解系統的多維、多要素特性.本文基于開源代碼開發了一種焊縫疲勞數據可視化系統，集成典型的主S-N曲線法、IIW名義應力法、等效應力幅法焊縫疲勞評估數據，著重從可視化場景樹裝配模型、疲勞數據與可視化模型的映射等方面給出了解決上述問題的方法.

1 系統框架

根據鐵路貨車疲勞數據多樣性特點，將系統劃分為6個核心模塊，系統整體框架如圖1所示.各模塊功能如下：

(1)三維可視化模型管理：完成將外部商業軟件CAD模型和CAE模型轉化成為輕量化可視化模型；

(2)虛擬仿真焊縫疲勞試驗壽命數據管理：完成將外部虛擬疲勞仿真軟件的焊縫疲勞預測結果數據的格式化轉換、存儲和管理；

(3)試驗測試焊縫疲勞壽命數據管理：完成試驗數據計算的焊縫疲勞壽命評估數據的存儲及管理；

(4)等效應力幅法疲勞壽命計算：根據試驗數據應力譜計算測點的等效應力幅，進行焊縫壽命評估；

(5)材料S-N曲線數據管理：等效應力幅法標準S-N曲線數據的維護；

(6)可視化關聯及驅動：響應用戶不同操作，實現三維可視化模型的渲染和顯示，疲勞數據的關聯映射.

圖1 貨車焊縫疲勞數據可視化系統整體框架

2 關鍵技術

2.1 基于場景圖的CAD/CAE可視化模型裝配樹

采用合適的裝配樹組織和驅動三維可視化模型是虛擬場景顯示的核心.系統采用場景圖方式將CAD、CAE模型轉化合并成可視化模型.首先，需要在CAE模型中建立焊縫模型.在CAE軟件里建立焊縫有限元網格，如實體單元、殼單元，并命名為唯一標識符(簡稱weldID)，如weld001，并將這些焊縫設置為一個焊縫組.然后，將CAD、CAE原模型轉換成為中性文件格式(IGES，STEP).其次，通過遞歸調用遍歷中性文件模型裝配樹獲得裝配樹的層次結構，再使用組節點作為裝配體，幾何體葉節點作為零件模型節點重構場景圖模型裝配樹及轉換成為可視化模型.通過該轉換除了可以保留父子裝配關系，還可在轉換過程中通過邊折疊等方法簡化原模型.最后，將CAD、CAE可視化模型原點重合，將它們合并在同一位置.通過打開和關閉場景圖組、葉節點就可以實現模型間的切換顯示.

2.2 面向焊縫對象的可視化方法

面向焊縫對象的可視化是將焊縫三維模型作為關注對象，除了能對焊縫模型進行放大、縮小和移動等操作外，為了保證焊縫始終位于虛擬場景的聚焦中心，還需建立以焊縫為旋轉中心的可視化方法.虛擬場景中，攝影機世界坐標系統中的位置姿態矩陣等于相機觀察矩陣的逆矩陣.通過軌跡球操作器(TrackballManipulator)將當前相機點選的焊縫對象作為旋轉中心，攝影機位姿矩陣Mcam由式(1)決定：

(1)

①先平移到攝影機視口旋轉中心坐標center(矩陣Tcenter).②旋轉成為“傾斜”的uvn坐標系(旋轉矩陣TUVNRotaion).③再實現平移到焊縫包圍盒中心坐標weldRotateCenter(矩陣TweldRotateCenter).④將局部坐標系沿Z軸(即n軸)平移distance的距離(矩陣Tdistance).⑤逆變換變為相機位姿矩陣.

場景樹在每次更新遍歷(CALLBACK)時，獲取被點選的焊縫模型包圍盒中心坐標weldRotateCenter，調用式(1)更新相機矩陣，實現基于焊縫對象為旋轉中心的可視化.

2.3 MVC模式數據映射技術

采用對象-屬性模式，以焊縫作為對象，疲勞數據作為其屬性存儲，將疲勞數據信息存儲在數據庫中.為達到通過焊縫快速查找各類焊縫疲勞數據目的，構建MVC(Model，View，Control)模式數據映射實現焊縫模型到焊縫疲勞數據的關聯，如圖2.MVC模式可以提供一個數據源多個表現視圖(用戶UI)的能力，適合像焊縫疲勞數據這類既要有數據庫表格存儲和編輯功能，又要有樹狀關系表示對象-屬性邏輯關系界面的需要.數據關聯通過weldID實現.在建立可視化模型裝配樹時，焊縫模型以weldID為名稱構建，而在屬性數據庫中，焊縫記錄也以weldID作為索引字段存儲在數據表中.

焊縫疲勞數據到三維模型的映射，是表格視圖或樹狀視圖到焊縫模型的關聯.當表格視圖或樹狀視圖中的焊縫記錄被點選，被拾取視圖將返回weldID記錄行，根據該名稱找到在裝配樹上焊縫模型指針，高亮該焊縫.反之，三維模型到焊縫疲勞數據的映射，則是將要拾取對象的屏幕坐標映射到三維場景圖形節點上，完成拾取焊縫模型操作，系統將返回焊縫對象的weldID，以該標識符搜索數據庫的屬性字段，搜索到結果后從數據庫中返回焊縫記錄并選中該條疲勞屬性記錄.

圖2 疲勞數據MVC模型雙向映射技術

2.4 試驗數據疲勞壽命計算

試驗測試的焊縫疲勞評估方法采用等效應力幅法.將焊縫疲勞測點的實測數據通過濾波、去毛刺、去零飄等步驟獲取試驗載荷譜.將載荷譜輸入系統后，根據材料S-N曲線參數就可以使用等效結構應力幅法計算試驗測點的疲勞壽命.采用Miner累積損傷法則，針對變幅加載條件NASA所推薦的S-N曲線形式計算等效應力幅進行疲勞評估.計算一個試驗k級應力譜產生的損傷(D1)的公式如下：

(2)

式中,σi為各級應力幅值，ni為各級應力幅值的循環次數；C1和m為S-N曲線參數.設等幅等效應力幅σeq作用N次，結構產生的損傷為D，即

(3)

式中，N是與材料或焊縫疲勞極限對應的循環次數.已知實測應力譜的運行公里數為L1，該應力譜產生的損傷為D1，設產生損傷D的安全運行公里數為L公里，則：

(4)

代入D和D1的表達式，得：

(5)

式中，σeq表示整個壽命期相應的等效應力幅，反映了安全運用公里數的焊縫疲勞程度.當σeq小于該材料焊縫的等幅疲勞許用極限[σ]，則說明該測點疲勞壽命符合安全運用要求.根據式(5)算出等效應力幅后，將各個測點的疲勞評估數據存儲到數據庫中.

3 系統的開發和應用

系統采用Visual Studio C++作為開發工具，OpenScenceGraph(OSG)開源圖形庫作為三維可視化驅動引擎，SQLite數據庫作為疲勞數據的存儲數據庫開發.下面以鐵路貨車C70E焊接車體為例， 說明該軟件的應用效果.

將C70E的Pro/E模型和Hypermesh CAE殼單元網格模型按2.1小節方法轉換成CAD/CAE可視化模型，軟件左側三維場景裝配樹完整保留了原有CAD和CAE模型的層次結構，如圖3、圖4所

圖3 CAD/CAE可視化模型及模型樹

圖4 切換至CAE可視化模型

示.在普通計算機配置條件下(i7-4770T CPU、 NVIDIA GeForce 730A顯卡、16 G內存)，三維可視化視口具備平移、旋轉、拖拽、透明顯示和隱藏模型等功能.可視化模型文件大小26 M，導入時間為5 s，各種交互式操作幀速都在25 幀以上，沒有延遲感.

使用MVC模式雙向映射方式和面向焊縫可視化方法，完成了C70E車體的220條典型焊縫疲勞數據的可視化管理.系統側邊欄是可切換的表格視圖和樹狀視圖，它們以不同的形式顯示焊縫對象的疲勞數據屬性.當點擊這些視圖中焊縫名稱，在三維模型視口區，映射的焊縫模型同時被高亮顯示.如圖5，為突出焊縫位置，車體以透明形式顯示，焊縫以實體顯示并被設置成相機旋轉中心.在樹狀視圖焊縫名稱上打開目錄樹，選擇工況后，對應該工況的基于主S-N曲線法的焊縫疲勞評估數據顯示在右下方視口.如圖6，切換到表格視圖后， 可對疲勞數據進行增刪改的數據庫管理功能.當點擊焊縫模型，數據庫表格視圖或樹狀視圖相應的數據行會被聚焦，直接顯示該選擇焊縫的疲勞數據屬性.

圖5 主S-N曲線法疲勞評估數據可視化

圖6 表格視圖IIW評估壽命降序排列

圖7 等效應力幅試驗應變片測點可視化顯示

在輸入通過疲勞試驗取得的8級應力譜后，等效應力幅疲勞壽命計算模塊計算測點的疲勞壽命.疲勞試驗測點應變片模型由外部CAD軟件建立，轉換成可視化模型后(如圖7)，以雙向關聯方式和焊縫疲勞數據進行可視化關聯.

本系統已在中車齊齊哈爾軌道交通裝備有限責任公司產品試驗研究室等設計部門得到應用.利用本系統，設計人員可以快速、準確地調用各種既有車型、新設計車型的多類疲勞評估數據進行疲勞設計.設計人員能夠快速獲得產品所有薄弱焊縫的多種焊縫疲勞評估方法結果的排序.同時還可從不同的要素和維度來觀察和評估產品疲勞特點，比較各種不同設計方案的優劣，指導和改進產品疲勞設計，有效提高抗疲勞設計效率.

4 結論

本文提出基于場景圖的CAD/CAE可視化模型裝配樹方法構建可視化模型，采用面向焊縫對象可視化方法和MVC模式實現焊縫模型和疲勞數據的映射，實現鐵路貨車焊縫疲勞數據可視化管理.

以C70E車體焊縫疲勞數據可視化為例，驗證了本文所提方法的可行性與有效性.應用結果表明，本系統能夠有效提高抗疲勞設計效率，提升焊縫疲勞數據管理效率和水平.通過可視化、多要素的信息不僅更加直觀地讓設計者了解焊縫的疲勞情況， 而且還可以協助設計者在鐵路貨車產品設計階段，對焊接結構的抗疲勞性能進行各種方案的比較和論證，這對縮短研制周期，快速、經濟地進行設計方案優選有較高的實用價值.

[1]李向偉，王劍，黃永生，等．貨車焊接結構疲勞壽命預測系統開發與關鍵技術[J]．中國機械工程，2010，21(9)：1061-1065．

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[6]孫樂豐，董云峰，馬俊．基于OSG的衛星運行數據可視化仿真實現[J]．硅谷，2010(3):42- 43．

Development and Application of a Visualization System for Fatigue Data of Wagon Welded Joints

ZHOU Shaoze1,2, CHEN Dong1, NIE Chunge1, LI Xiangwei2, ZHAO Wenzhong1, ZONG Zhenlong1

(1.School of Traffic and Transportation Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China; 2.CRRC Qiqihar Railway Rolling Stock Co. , Ltd, Qiqihar 161002, China )

In order to solve the problem that the current efficiency of fatigue data management of wagon welded joints is too slow to meet the demand of rapid fatigue design, a 3D visualization system which integrates the virtual model, the fatigue calculation method for weld joints and weld joints fatigue assessment data from virtual and real fatigue test is studied and developed. For the system, an assembly tree structure based on Scene Graph for a CAD/CAE visual model, a weld joint-object-oriented visualization method and a data mutual-mapping technique based on MVC model are proposed. In addition, the equivalent stress amplitude calculation algorithm was integrated to the system and the weld joints fatigue data of master S-N curve method. The IIW nominal stress method and the equivalent stress amplitude method is mapping to the weld joints model with the methods above. Finally, a welded joints fatigue design of the C70E wagon car body is taken as an example was used to prove the validity and usefulness of the software system.

wagon design ; weld fatigue ; openscenegraph; 3D visualization

1673- 9590(2017)04- 0187- 05

2016-11-23

遼寧省自然科學基金資助項目(20170540137)；遼寧省教育廳高等學校科學研究計劃資助項目(L2014182)

周韶澤(1977-)，男，副教授，博士，主要從事可視化技術、虛擬疲勞仿真技術的研究E- mail:shaoze@djtu.edu.cn.

A