周韶澤，陳棟，聶春戈，李向偉，兆文忠，宗振龍

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

鐵路貨車焊縫疲勞數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)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(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.中車齊齊哈爾軌道 交通裝備有限責(zé)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(shù)據(jù)管理效率低，難以滿足產(chǎn)品快速抗疲勞設(shè)計需求的問題，研究并開發(fā)了集三維可視化模型，焊縫疲勞計算，虛擬疲勞、試驗(yàn)測試的焊縫疲勞評估數(shù)據(jù)管理于一體的三維可視化系統(tǒng).為了實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)，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(yàn)測試等效應(yīng)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(shù)據(jù)映射技術(shù)，建立了主S-N曲線法、IIW名義應(yīng)力法、等效應(yīng)力幅法焊縫疲勞評估數(shù)據(jù)與焊縫模型的雙向映射.最后以C70E車體焊縫疲勞設(shè)計作為實(shí)例，證明了該軟件系統(tǒng)的有效性及實(shí)用性.

貨車設(shè)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(fā)展，傳統(tǒng)的靜強(qiáng)度設(shè)計及分析平臺已不能滿足產(chǎn)品抗疲勞設(shè)計的需求[1].在鐵路貨車產(chǎn)品抗疲勞方案設(shè)計和試驗(yàn)階段，鐵路貨車焊縫數(shù)量大(如典型焊接車體焊縫多達(dá)幾百條)、相互關(guān)系復(fù)雜，而且來自虛擬疲勞仿真、真實(shí)疲勞試驗(yàn)的各類焊縫疲勞評估數(shù)據(jù)類型多、格式復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大，目前缺少一個可以可視化集成和關(guān)聯(lián)各類疲勞數(shù)據(jù)，進(jìn)行設(shè)計方案分析、比較，還能易于擴(kuò)展多種焊縫疲勞算法的軟件工具，是一項急需解決的技術(shù)問題.

焊縫疲勞預(yù)測和試驗(yàn)計算主要有商業(yè)有限元ANSYS、ENCODE等軟件，這些軟件在焊縫疲勞設(shè)計中有以下局限性：只能進(jìn)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(shù)據(jù)交互功能有限，擴(kuò)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(dǎo)致疲勞設(shè)計無法形成統(tǒng)一的、便捷的和多要素的疲勞數(shù)據(jù)可視化平臺，給快速抗疲勞設(shè)計帶來很大困難.

隨著計算機(jī)圖形圖像技術(shù)和可視化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)、信息經(jīng)過可視化處理，使人們通過視覺信息更容易掌握系統(tǒng)中各變量間、變量與環(huán)境之間的變化關(guān)系，更直接了解系統(tǒng)的多維、多要素特性.本文基于開源代碼開發(fā)了一種焊縫疲勞數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)，集成典型的主S-N曲線法、IIW名義應(yīng)力法、等效應(yīng)力幅法焊縫疲勞評估數(shù)據(jù)，著重從可視化場景樹裝配模型、疲勞數(shù)據(jù)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(tǒng)框架

根據(jù)鐵路貨車疲勞數(shù)據(jù)多樣性特點(diǎn)，將系統(tǒng)劃分為6個核心模塊，系統(tǒng)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(yè)軟件CAD模型和CAE模型轉(zhuǎn)化成為輕量化可視化模型；

(2)虛擬仿真焊縫疲勞試驗(yàn)壽命數(shù)據(jù)管理：完成將外部虛擬疲勞仿真軟件的焊縫疲勞預(yù)測結(jié)果數(shù)據(jù)的格式化轉(zhuǎn)換、存儲和管理；

(3)試驗(yàn)測試焊縫疲勞壽命數(shù)據(jù)管理：完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)計算的焊縫疲勞壽命評估數(shù)據(jù)的存儲及管理；

(4)等效應(yīng)力幅法疲勞壽命計算：根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)力譜計算測點(diǎn)的等效應(yīng)力幅，進(jìn)行焊縫壽命評估；

(5)材料S-N曲線數(shù)據(jù)管理：等效應(yīng)力幅法標(biāo)準(zhǔn)S-N曲線數(shù)據(jù)的維護(hù)；

(6)可視化關(guān)聯(lián)及驅(qū)動：響應(yīng)用戶不同操作，實(shí)現(xiàn)三維可視化模型的渲染和顯示，疲勞數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)映射.

圖1 貨車焊縫疲勞數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)整體框架

2 關(guān)鍵技術(shù)

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(qū)動三維可視化模型是虛擬場景顯示的核心.系統(tǒng)采用場景圖方式將CAD、CAE模型轉(zhuǎn)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(wǎng)格，如實(shí)體單元、殼單元，并命名為唯一標(biāo)識符(簡稱weldID)，如weld001，并將這些焊縫設(shè)置為一個焊縫組.然后，將CAD、CAE原模型轉(zhuǎn)換成為中性文件格式(IGES，STEP).其次，通過遞歸調(diào)用遍歷中性文件模型裝配樹獲得裝配樹的層次結(jié)構(gòu)，再使用組節(jié)點(diǎn)作為裝配體，幾何體葉節(jié)點(diǎn)作為零件模型節(jié)點(diǎn)重構(gòu)場景圖模型裝配樹及轉(zhuǎn)換成為可視化模型.通過該轉(zhuǎn)換除了可以保留父子裝配關(guān)系，還可在轉(zhuǎn)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(diǎn)重合，將它們合并在同一位置.通過打開和關(guān)閉場景圖組、葉節(jié)點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)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(guān)注對象，除了能對焊縫模型進(jìn)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(zhuǎn)中心的可視化方法.虛擬場景中，攝影機(jī)世界坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置姿態(tài)矩陣等于相機(jī)觀察矩陣的逆矩陣.通過軌跡球操作器(TrackballManipulator)將當(dāng)前相機(jī)點(diǎn)選的焊縫對象作為旋轉(zhuǎn)中心，攝影機(jī)位姿矩陣Mcam由式(1)決定：

(1)

①先平移到攝影機(jī)視口旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)center(矩陣Tcenter).②旋轉(zhuǎn)成為“傾斜”的uvn坐標(biāo)系(旋轉(zhuǎn)矩陣TUVNRotaion).③再實(shí)現(xiàn)平移到焊縫包圍盒中心坐標(biāo)weldRotateCenter(矩陣TweldRotateCenter).④將局部坐標(biāo)系沿Z軸(即n軸)平移distance的距離(矩陣Tdistance).⑤逆變換變?yōu)橄鄼C(jī)位姿矩陣.

場景樹在每次更新遍歷(CALLBACK)時，獲取被點(diǎn)選的焊縫模型包圍盒中心坐標(biāo)weldRotateCenter，調(diào)用式(1)更新相機(jī)矩陣，實(shí)現(xiàn)基于焊縫對象為旋轉(zhuǎn)中心的可視化.

2.3 MVC模式數(shù)據(jù)映射技術(shù)

采用對象-屬性模式，以焊縫作為對象，疲勞數(shù)據(jù)作為其屬性存儲，將疲勞數(shù)據(jù)信息存儲在數(shù)據(jù)庫中.為達(dá)到通過焊縫快速查找各類焊縫疲勞數(shù)據(jù)目的，構(gòu)建MVC(Model，View，Control)模式數(shù)據(jù)映射實(shí)現(xiàn)焊縫模型到焊縫疲勞數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，如圖2.MVC模式可以提供一個數(shù)據(jù)源多個表現(xiàn)視圖(用戶UI)的能力，適合像焊縫疲勞數(shù)據(jù)這類既要有數(shù)據(jù)庫表格存儲和編輯功能，又要有樹狀關(guān)系表示對象-屬性邏輯關(guān)系界面的需要.數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)通過weldID實(shí)現(xiàn).在建立可視化模型裝配樹時，焊縫模型以weldID為名稱構(gòu)建，而在屬性數(shù)據(jù)庫中，焊縫記錄也以weldID作為索引字段存儲在數(shù)據(jù)表中.

焊縫疲勞數(shù)據(jù)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(guān)聯(lián).當(dāng)表格視圖或樹狀視圖中的焊縫記錄被點(diǎn)選，被拾取視圖將返回weldID記錄行，根據(jù)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(shù)據(jù)的映射，則是將要拾取對象的屏幕坐標(biāo)映射到三維場景圖形節(jié)點(diǎn)上，完成拾取焊縫模型操作，系統(tǒng)將返回焊縫對象的weldID，以該標(biāo)識符搜索數(shù)據(jù)庫的屬性字段，搜索到結(jié)果后從數(shù)據(jù)庫中返回焊縫記錄并選中該條疲勞屬性記錄.

圖2 疲勞數(shù)據(jù)MVC模型雙向映射技術(shù)

2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)疲勞壽命計算

試驗(yàn)測試的焊縫疲勞評估方法采用等效應(yīng)力幅法.將焊縫疲勞測點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù)通過濾波、去毛刺、去零飄等步驟獲取試驗(yàn)載荷譜.將載荷譜輸入系統(tǒng)后，根據(jù)材料S-N曲線參數(shù)就可以使用等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅法計算試驗(yàn)測點(diǎn)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(yīng)力幅進(jìn)行疲勞評估.計算一個試驗(yàn)k級應(yīng)力譜產(chǎn)生的損傷(D1)的公式如下：

(2)

式中,σi為各級應(yīng)力幅值，ni為各級應(yīng)力幅值的循環(huán)次數(shù)；C1和m為S-N曲線參數(shù).設(shè)等幅等效應(yīng)力幅σeq作用N次，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的損傷為D，即

(3)

式中，N是與材料或焊縫疲勞極限對應(yīng)的循環(huán)次數(shù).已知實(shí)測應(yīng)力譜的運(yùn)行公里數(shù)為L1，該應(yīng)力譜產(chǎn)生的損傷為D1，設(shè)產(chǎn)生損傷D的安全運(yùn)行公里數(shù)為L公里，則：

(4)

代入D和D1的表達(dá)式，得：

(5)

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

3 系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用

系統(tǒng)采用Visual Studio C++作為開發(fā)工具，OpenScenceGraph(OSG)開源圖形庫作為三維可視化驅(qū)動引擎，SQLite數(shù)據(jù)庫作為疲勞數(shù)據(jù)的存儲數(shù)據(jù)庫開發(fā).下面以鐵路貨車C70E焊接車體為例， 說明該軟件的應(yīng)用效果.

將C70E的Pro/E模型和Hypermesh CAE殼單元網(wǎng)格模型按2.1小節(jié)方法轉(zhuǎn)換成CAD/CAE可視化模型，軟件左側(cè)三維場景裝配樹完整保留了原有CAD和CAE模型的層次結(jié)構(gòu)，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(jī)配置條件下(i7-4770T CPU、 NVIDIA GeForce 730A顯卡、16 G內(nèi)存)，三維可視化視口具備平移、旋轉(zhuǎn)、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(dǎo)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(shù)據(jù)的可視化管理.系統(tǒng)側(cè)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(shù)據(jù)屬性.當(dāng)點(diǎn)擊這些視圖中焊縫名稱，在三維模型視口區(qū)，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(shí)體顯示并被設(shè)置成相機(jī)旋轉(zhuǎn)中心.在樹狀視圖焊縫名稱上打開目錄樹，選擇工況后，對應(yīng)該工況的基于主S-N曲線法的焊縫疲勞評估數(shù)據(jù)顯示在右下方視口.如圖6，切換到表格視圖后， 可對疲勞數(shù)據(jù)進(jìn)行增刪改的數(shù)據(jù)庫管理功能.當(dāng)點(diǎn)擊焊縫模型，數(shù)據(jù)庫表格視圖或樹狀視圖相應(yīng)的數(shù)據(jù)行會被聚焦，直接顯示該選擇焊縫的疲勞數(shù)據(jù)屬性.

圖5 主S-N曲線法疲勞評估數(shù)據(jù)可視化

圖6 表格視圖IIW評估壽命降序排列

圖7 等效應(yīng)力幅試驗(yàn)應(yīng)變片測點(diǎn)可視化顯示

在輸入通過疲勞試驗(yàn)取得的8級應(yīng)力譜后，等效應(yīng)力幅疲勞壽命計算模塊計算測點(diǎn)的疲勞壽命.疲勞試驗(yàn)測點(diǎn)應(yīng)變片模型由外部CAD軟件建立，轉(zhuǎn)換成可視化模型后(如圖7)，以雙向關(guān)聯(lián)方式和焊縫疲勞數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化關(guān)聯(lián).

本系統(tǒng)已在中車齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司產(chǎn)品試驗(yàn)研究室等設(shè)計部門得到應(yīng)用.利用本系統(tǒng)，設(shè)計人員可以快速、準(zhǔn)確地調(diào)用各種既有車型、新設(shè)計車型的多類疲勞評估數(shù)據(jù)進(jìn)行疲勞設(shè)計.設(shè)計人員能夠快速獲得產(chǎn)品所有薄弱焊縫的多種焊縫疲勞評估方法結(jié)果的排序.同時還可從不同的要素和維度來觀察和評估產(chǎn)品疲勞特點(diǎn)，比較各種不同設(shè)計方案的優(yōu)劣，指導(dǎo)和改進(jìn)產(chǎn)品疲勞設(shè)計，有效提高抗疲勞設(shè)計效率.

4 結(jié)論

本文提出基于場景圖的CAD/CAE可視化模型裝配樹方法構(gòu)建可視化模型，采用面向焊縫對象可視化方法和MVC模式實(shí)現(xiàn)焊縫模型和疲勞數(shù)據(jù)的映射，實(shí)現(xiàn)鐵路貨車焊縫疲勞數(shù)據(jù)可視化管理.

以C70E車體焊縫疲勞數(shù)據(jù)可視化為例，驗(yàn)證了本文所提方法的可行性與有效性.應(yīng)用結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠有效提高抗疲勞設(shè)計效率，提升焊縫疲勞數(shù)據(jù)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(shè)計者了解焊縫的疲勞情況， 而且還可以協(xié)助設(shè)計者在鐵路貨車產(chǎn)品設(shè)計階段，對焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能進(jìn)行各種方案的比較和論證，這對縮短研制周期，快速、經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行設(shè)計方案優(yōu)選有較高的實(shí)用價值.

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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(xué)基金資助項目(20170540137)；遼寧省教育廳高等學(xué)?？茖W(xué)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(shù)、虛擬疲勞仿真技術(shù)的研究E- mail:shaoze@djtu.edu.cn.

A