本发明涉及钢轨疲劳寿命预估
技术领域：
，尤其涉及一种钢轨疲劳寿命预估的方法和系统。
背景技术：
：现代铁路运输正向高速重载方向发展，由此引发的钢轨疲劳损伤问题也愈发严重，已经成为影响铁路安全的主要问题。钢轨在冶炼锻造过程中难免会出现白点、气泡和非金属夹杂物等材质上的缺陷，在加工运输过程中可能会产生更多样性的机械损伤源和损伤累积，加之在役状态下车轮的反复碾轧，钢轨很容易产生疲劳损伤，这种损伤的发展累积造成轨体裂纹的萌生与扩展，最终会导致严重事故的发生。因此，了解掌握钢轨在疲劳载荷作用下材质性能的变化，通过对钢轨材料损伤演化情况的理论分析预估其疲劳寿命，将对钢轨合理维修、及时更换、以及采取预防和减缓钢轨损伤的措施等方面起到理论指导作用，对防止铁路交通事故的发生具有重要的应用意义。技术实现要素：本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种钢轨疲劳寿命预估的方法和系统，能够对钢轨疲劳寿命进行预测，具有较高的准确性，有效达到降低钢轨使用安全隐患的目的。为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种钢轨疲劳寿命预估的方法，所述方法包括：S1、选取钢轨测试区域，以损伤力学方法为基础，通过有限元模型计算得到钢轨的疲劳寿命的理论评估；上述方法包括：S2、根据材料疲劳实验得到的S-N曲线确定损伤力学损伤演化方程的参数；S3、将上述损伤力学寿命评估的理论方法在商用有限元软件平台上进行二次开发，形成钢轨疲劳寿命评估的功能模块；S4、设置当前材料损伤的初始状态和疲劳载荷的加载步长；S5、根据上述施加载荷，应用S1中所述有限元模型进行静态分析，提取相应的应变场分布，并应用S3中所述的钢轨疲劳寿命评估模块计算(/累积)材料损伤演化；S6、判断累积出的材料损伤度是否小于1；S7、如果材料损伤度小于1，则依据各单元损伤度修改刚度，以当前载荷加载步长返回S5进行加载循环，直至钢轨模型出现材料损伤度大于等于1的情况；如果出现上述材料损伤度大于等于1的情况，按以下S8处理；S8、经过上述损伤累积，当出现材料损伤度大于等于1的情况，则当前载荷加载步数记为钢轨初始疲劳寿命。S9、在上述疲劳分析的基础上，可将上述模型中材料损伤度大于等于1的部分删除，删除方法包括：将模型中材料损伤度大于等于1的部分相应的有限元单元杀死，同时修改损伤度小于1的其余部分的单元刚度。S10、预设损伤度达到1的单元数或损伤度达到1的区域大小(长度)，做为后继疲劳破坏的判据；S11、在上述损伤分析过程中，每次发生模型材料损伤度大于等于1的情况时，均按照S9进行处理并返回S5，直至S10所提出的判据得到满足。其中，所述步骤S1的具体步骤包括：采用损伤力学理论方法(如S1所述)；根据材料疲劳实验得到的S-N曲线确定损伤力学损伤演化方程的参数(如S2所述)；将上述损伤力学寿命评估的理论方法在商用有限元软件平台上进行二次开发，形成钢轨疲劳寿命评估的功能模块(如S3所述)；在所述钢轨上选择一定长度的一段作为测试区域，划分出多个网格单元；设置钢轨的材料属性及其对应的参数值，以及设置载荷/应力边界条件和位移边界条件；其中，所述材料属性包括弹性模量、泊松比和损伤参数等；上述参数赋予每个上述单元；综上所述，建立有限元模型；其中，所述步骤S7中“以当前载荷加载步长返回S5进行加载循环”的具体步骤包括：将各损伤度小于1的离散单元的损伤度分别导入相应的单元刚度，并将所述得到的各损伤度小于1的离散单元对应的刚度带回步骤S5。本发明实施例还提供了一种钢轨疲劳寿命预估的系统，所述系统包括：模型模块，用于在选取钢轨测试的区域，将所选的测试区域划分出多个网格单元，并设置钢轨的材料属性、载荷/应力边界条件及位移边界条件，通过预设的有限元模型计算钢轨的损伤演化和预估疲劳寿命；载荷步长模块，用于设定载荷步长，进一步计算材料损伤累积；损伤度计算/累积模块，用于提取当前所需分析的离散单元的损伤状况，且根据所提取的当前每一离散单元的应力水平，计算出所提取的当前每一离散单元的损伤度；判据模块，用于判断所计算出的当前每一离散单元的损伤度是否存在至少有一个大于1的情况；模型修正模块，用于杀死损伤度大于或等于1的离散单元，所述当前各损伤度小于1的离散单元均作为后续所需分析的离散单元，根据损伤度修改其单元刚度，并在下一轮载荷历程中进行损伤累积；寿命预估模块，用于获取所述当前载荷加载步数，并将所述获取到的当前载荷加载步数记为钢轨疲劳寿命。实施本发明实施例，具有如下有益效果：在本发明实施例中，采用损伤力学方法，通过构建的有限元模型，将损伤力学的损伤演化方程嵌入商用有限元软件的运行环境，对疲劳载荷作用下钢轨材料的损伤进行累积，当材料损伤度达到1时，载荷加载总步数记为钢轨(初始/后继)疲劳寿命，从而能够对钢轨疲劳寿命进行预测，具有较高的准确性，可以有效达到降低钢轨使用安全隐患的目的。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。图1为本发明实施例提供的一种钢轨疲劳寿命预估方法的流程图；图2为本发明实施例提供的一种钢轨疲劳寿命预估的系统结构示意图。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。一般认为金属材料的疲劳损伤过程是不可逆热力学过程。损伤力学以连续介质力学和热力学为基础，根据能量守恒定律，由体系的自由能和耗散势导出损伤演化方程和损伤本构关系，从而构成了较为严谨的宏观损伤分析的力学体系，较为准确的反映了材料的损伤演化过程，形成了实用性疲劳寿命预估方法，实现了对材料疲劳寿命的理论预估。热力学第一定律表征了能量守恒，可写为：ΔE＝U+Q(1)；式(1)中，ΔE：材料的内能增量；U：外界对材料所做功；Q：传入材料的热量。在微体中的表达式可以写为：式(2)中，：单位体积内能对时间的导数；σij：应力分量；：应变率；：单位体积单位时间内产生的热量；：单位时间单位面积上的热通量。引入单位体积Helmholtz自由能密度g作为描述材质损伤过程的状态参数，其定义为：g＝e-Ts(3)；式(3)中，g：单位体积Helmholtz自由能密度；e：单位体积内能；T：绝对温度；s：单位体积内的熵。自由能的物理含义是：等温过程中，可以用来对外做功的内能。自由能是一个状态函数，可以由状态参量确定。自由能密度g可分为两部分，其中弹性部分ge反映材料疲劳损伤，而塑性部分gp不反映疲劳损伤。因此，反映材料疲劳损伤的自由能密度可定义为：ge=1-D2Eijklϵijeϵkle---(4);]]>式(4)中，D：材料损伤度；Eijkl：材料初始刚度；：弹性应变分量。在损伤力学中，材料损伤度可以用材料刚度折减来表示：D=E-EDE---(5);]]>式(5)中，E：无损材料的弹性模量；ED：含损伤的材料弹性模量；D为材料损伤度，其取值范围为(0，1)，D＝0表示材料无损伤，D＝1表示材料破坏。因此，含损伤参数的材料本构方程可表示为：σ＝EDε＝E(1-D)ε(6)；损伤力学中损伤驱动力Y定义为：Y=-∂g∂D---(7);]]>式(7)中Y为损伤驱动力。损伤使得内能中可以对外做功的部分减少，以热的形式耗散，因此损伤是一个能量贬值的过程，也是不可逆的单向过程。上述方程的物理意义即损伤引起的自由能耗散率。在线弹性情况下将式(4)代入式(7)得：Y=Eijklϵijeϵkle2---(8);]]>循环载荷作用下的损伤演化方程为：dDdN=aYmaxm2(1-D)n---(9);]]>式(9)中，N：加载步数；a、m：材料损伤参数；Ymax：一次加载循环中最大损伤驱动力。将式(8)代入式(9)得到单向受力状态中循环载荷作用下应变形式的损伤演化方程：dDdN=a(E2)m2ϵm(1-D)m---(10);]]>式(10)中损伤演化参数a和m通过以下步骤确定：对式(10)在全寿命区间上积分得ϵmaxmNf=C---(11);]]>对式(11)取对数有：lgNf＝lgC-mlgεmax(12)；式(11)中C为积分常数C=(1-D0)n+1a(E2)m2(n+1)]]>其中，εmax：一次循环加载过程中最大应变值；Nf：疲劳寿命；D0：初始损伤度。根据实验得到的在不同应力/应变水平下的疲劳中值寿命数据(即S-N曲线)，可通过最小二乘法确定参数m和C：φ(m,C)=Σi=1n[lgNi(e)-lgN(σmax,i)]2---(13);]]>式(13)中，：对S-N曲线寿命取点数据；σmax,i：对S-N曲线应力取点数据。对上述误差函数φ取极值有∂φ(m,C)∂lgC=0---(14);]]>∂φ(m,C)∂m=0---(15);]]>联立式(14)、(15)可解得m与C这两个参数，将结果代回式(12)可求得损伤参数a。综上，发明人根据损伤力学理论提出损伤力学-有限元-钢轨疲劳寿命预估方法，构建钢轨损伤的分析模型，从而通过钢轨材料损伤演化分析累积疲劳载荷作用下的材料损伤，最终计算出在满足钢轨损伤度符合预定条件下的总循环步数，从而实现对钢轨疲劳寿命进行预测，达到降低钢轨使用安全隐患的目的。附图1为本发明实施例提供的一种钢轨疲劳寿命预估的方法，所述方法包括：S1、选取钢轨测试区域，以损伤力学方法为基础，通过有限元模型计算得到钢轨的疲劳寿命的理论评估；具体过程为：采用损伤力学理论方法(如S1所述)；根据材料疲劳实验得到的S-N曲线确定损伤力学损伤演化方程的参数(如S2所述)；将上述损伤力学寿命评估的理论方法在商用有限元软件平台上进行二次开发，形成钢轨疲劳寿命评估的功能模块(如S3所述)；在所述钢轨上选择一定长度的一段作为测试区域，划分出多个网格单元；设置钢轨的材料属性及其对应的参数值，以及设置载荷/应力边界条件和位移边界条件；其中，所述材料属性包括弹性模量、泊松比和损伤参数等；上述参数赋予每个上述单元；综上所述，建立有限元模型；应当说明的是，在预设的损伤演化方程中，选择的损伤演化参数为式(10)中的a和m。所述方法包括：S4、设置当前材料损伤的初始状态和疲劳载荷的加载步长；具体过程为，在迭代求解前，可设材料的初始损伤状态为0，初始化载荷加载步长可参考材料性质根据经验选取。S5、根据上述施加载荷，应用S1中所述有限元模型进行静态分析，提取相应的应变场分布，并应用S3中所述的钢轨疲劳寿命评估模块计算材料损伤演化并加以累积；钢轨疲劳是材料所受应力与损伤累积的耦合作用效应，损伤力学就是基于连续介质变形/应力分析的力学理论体系，宏观唯象描述材料在应力与损伤耦合作用下的疲劳现象。损伤力学理论方法如下所示：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：材料内部各点在x、y、z方向上的正应力；τxy、τyz、τzx：xy、yz、zx平面的剪应力；fx、fy、fz：x、y、z方向上的体积力。II、几何方程：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：材料内部各点在方向x、y、z上的正应变；γxy、γyz、γzx：xy、yz、zx平面的剪切应变；u、v、w：材料内部各点在x、y、z方向上的位移。III、物理方程，即广义胡克定律：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为弹性模量，μ为泊松比。除上述控制方程，还应建立上述数学求解体系的边界条件，一般包含载荷(应力)边界条件和位移边界条件。本发明实施例中设定的应力边界条件和位移边界条件如下：应力边界条件为：p‾i=σijnj---(19)]]>式(19)中，：外力在i方向上的分量；σij：材料内部点沿ij方向的应力分量；nj：j方向的单位矢量；i，j＝x、y、z位移边界条件为：u＝u*,v＝v*,w＝w*(20)式(20)中，u、v、w：材料内部各点在x、y、z方向上的位移；u*、v*、w*：物体边界(例如固定点或自由表面)在x、y、z方向上的位移。以上述理论方法为基础进行损伤分析，需要借助于数值求解的方式，商用有限元软件就是这样的数值求解的有力工具。本发明采用有限元方法建立离散化的单元组成的钢轨模型，将损伤力学理论嵌入商用有限元软件运行环境，从而构成结构/材料损伤分析的功能模块。所述方法包括：提取当前所需分析的离散单元，且根据所提取的当前每一离散单元的应变，得到等效应变，并进一步根据所述得到的等效应变，计算出所提取的当前每一离散单元的损伤度；具体过程为：确定所提取的当前每一离散单元的应变εij，根据预设公式，如下式(21)，得到等效应变εe：ϵe=μ(1+μ)(1-2μ)(ϵx+ϵy+ϵz)2+11+μ[ϵx2+ϵy2+ϵz2+12(γxy2+γyz2+γxz2)]---(21)]]>参照公式(10)计算出所提取的当前每一离散单元的损伤度。S6、判断累积出的材料损伤度是否小于1；S7、如果材料损伤度小于1，则以当前载荷加载步长返回S5进行加载循环，直至钢轨模型出现材料损伤度大于等于1的情况；其中，所述步骤S7中“以当前载荷加载步长返回S5进行加载循环”的具体步骤包括：将各损伤度小于1的离散单元的损伤度分别导入相应的单元刚度，并将所述得到的各损伤度小于1的离散单元对应的刚度返回步骤S5。修改过程具体如下：将各损伤度小于1的离散单元的损伤度分别导入预设公式(5)，得到各损伤度小于1的离散单元对应的刚度ED，并进一步推导出各损伤度小于1的离散单元对应的应变εij后返回步骤S5。如果上述材料损伤度出现大于等于1的情况，按以下S8处理；S8、经过上述损伤累积，当出现材料损伤度大于等于1的情况，则当前载荷加载步数记为钢轨初始疲劳寿命。具体过程为：待出现离散单元的损伤度大于或等于1的情况时，获取当前载荷加载步数作为该载荷作用下的钢轨初始疲劳寿命。S9、在上述疲劳分析的基础上，可将上述模型中材料损伤度大于等于1的部分删除，删除方法包括：将模型中材料损伤度大于等于1的部分相应的有限元模型的单元杀死，并修改损伤度小于1的单元刚度。上述方法包括：S10、预设损伤度达到1的单元数或损伤度达到1的区域大小(长度)，做为后继疲劳破坏的判据；S11、在上述损伤分析过程中，每次发生模型材料损伤度大于等于1的情况时，均按照S9进行处理并返回S5，直至S10所提出的判据得到满足。如附图2所示，为本发明实施例中，提供的一种钢轨疲劳寿命预估系统，所述系统包括：模型模块210，用于在选取钢轨测试的区域，将所选的测试区域划分出多个网格单元，并设置钢轨的材料属性、载荷/应力边界条件及位移边界条件，通过预设的有限元模型计算钢轨的损伤演化和预估疲劳寿命；载荷步长模块220，用于设定载荷步长，进一步计算材料损伤累积；损伤度计算/累积模块230，用于提取当前所需分析的离散单元的损伤状况，且根据所提取的当前每一离散单元的应力水平，计算出所提取的当前每一离散单元的损伤度；判断模块240，用于判断所计算出的当前每一离散单元的损伤度是否存在至少有一个大于1的情况；模型修正模块250，用于删除损伤度大于或等于1的离散单元，依据各单元损伤度相应修改各单元刚度，将所述当前各损伤度小于1的离散单元均作为后续所需分析的离散单元，在下一轮载荷历程中进行损伤累积；寿命预估模块260，用于获取所述当前载荷加载步数，并将所述获取到的当前载荷加载步数记为钢轨疲劳寿命。实施本发明实施例，具有如下有益效果：在本发明实施例中，在疲劳载荷作用下，通过构建的有限元模型迭代求解得到满足钢轨材料损伤度达到1条件时的载荷加载总步数记为钢轨疲劳寿命，从而能够对钢轨疲劳寿命进行预估，具有较高的准确性，有效达到降低钢轨使用安全隐患的目的。值得注意的是，上述系统实施例中，所包括的各个系统模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。以上所展示的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。当前第1页1 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