基于C+的ANSYS RST文件中节点力数据读取方法.pdf

通过 程序以及 提供的应用编程接口给出了一种提取 结果文件中节点力数据的方法使用 对某地铁车辆焊接构架的有限元模型进行静力学求解获得包含节点力数据的 文件并将该方法读取的节点力数据与疲劳寿命计算软件 的计算结果进行对比验证了利用该方法提取数据的准确性与适用性关键词:主 曲线法焊接结构焊缝节点力有限元结果文件中图分类号:.文献标识码:文章编号:()():.:引 言近年来发生在我国铁道车辆上的一个较为突出的问题就是车辆焊接结构的疲劳破坏问题 在很长一段时间内人们都是使用基于名义应力法的传统评估方法进行车辆焊接结构的疲劳寿命评估此方法不但准确性有所欠缺且对大量的非标准焊接接头适用性差 直到 年主 曲线法问世后焊接结构的疲劳寿命评估的难题才得以解决 这种方法创新性地将断裂力学理论与焊接结构疲劳失效机理相结合 相较于使用名义应力法的传统评估方法它具有网格不敏感和广泛适用性等显著优势十分适合搭配有限元分析来实现焊接结构的疲劳寿命计算与抗疲劳设计 作为目前市面上著名的商用有限元分析软件之一具有强大且繁多的功能可以用于解决大量的实际工程问题 借助 软件集中的 可以实现静力学、模态、随机振动以及温度分析等领域的有限元模型的建立及前后处理模型求解完毕后 将会生成记录了各种输入输出信息的结果文件其中的 文件便包含了主 曲线法疲劳寿命评估所需的单元节点力信息 此 文件采用了特殊的数据结构和编码方式除使用 本身进行查看外需借助外部手段进行数据读取这对工程研究与技术人员而言有一定的实现难度所以笔者提出了一种基于 语言借助 提供的应用编程接口()读取 文件的节点力数据的方法这将对工程研究人员使用主 曲线法解决焊接结构疲劳评估与设计问题有所帮助 主 曲线法.结构应力由于焊接接头存在材料非均质特性、几何不连续性及残余应力这三个明显特点故它的疲劳设计和分析比金属零部件焊接接头更为复杂 传统的基于名义应力法的焊接接头疲劳设计与评估方法虽然在接头类型可以“对号入座”的情况下表现较好但对于非标准焊接接头效果欠佳究其原因是没有得到疲劳裂纹的驱动力即焊缝和焊趾所在截面上的应力 从力学机理上看焊接结构的裂纹扩展过程仅是与材料性能无关的一个纯力学行为因此其疲劳寿命可以应用断裂力学的理论求解主 曲线法基于分解的思想将焊缝、焊趾截面上的应力分解成两部分:一是焊接工艺过程导致的非线性自平衡应力称为缺口应力二是与外力互相平衡的应力称为结构应力如图 所示 机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)制造业信息化收稿日期:作者简介:张又铭()男甘肃兰州人硕士研究生研究方向:车辆 关键技术研究通信作者:李晓峰()男辽宁大连人教授博士博导研究方向:车辆 关键技术研究图 结构应力和缺口应力示意图 结构应力是基于力的平衡的思想推导出来的其计算公式如式()所列:()()式中:为单元厚度为单元长度等效矩阵的逆矩阵表示了整体坐标系下的节点力/力矩与焊缝上的局部坐标系下的节点力/力矩之间的线性关系为整体坐标系下焊缝节点力为整体坐标系下焊缝节点力矩由式()可知焊缝在受到给定外力的情况下无论有限元模型的焊趾或者焊缝上具有多少个节点力其合力都是与这个外力平衡的因此结构应力具有网格不敏感这一特征该特征在大型结构评估时格外重要.等效结构应力焊接结构的疲劳失效模式十分特殊:他的疲劳开裂模式主要是从焊趾开始沿板厚方向扩展且焊趾处的裂纹从外载荷作用之前便已存在 以这两点为基础引入断裂力学理论和结构应力的概念对其裂纹扩展过程进行研究可得到一个两阶段裂纹扩展模型即裂纹扩展过程可以分为短裂纹和长裂纹两个阶段 通过 裂纹扩展公式将两个阶段统一起来并积分就可以得到基于结构应力的焊接结构疲劳寿命的表达式同时获得了一个新的定义:等效结构应力在焊接构件疲劳寿命计算时等效结构应力通常以变化范围的形式呈现如式()所列:()/()/()式中:为等效结构应力变化范围为结构应力变化范围 为板厚 为裂纹扩展指数约等于.为弯曲比即构件截面应力中弯曲应力的占比()为弯曲比 的无量纲函数用于描述横截面内膜应力和弯曲应力的状态可由实验数据拟合得到基于断裂力学理论和焊接结构疲劳机理推导出来的式()考虑了焊接接头板的厚度、应力集中以及加载模式的影响对任意形式的焊接接头都适用.主 曲线为了使积分形式的基于结构应力的焊接结构疲劳寿命的表达式具有应用价值需要通过疲劳实验数据来对表达式进行数值拟合和修正 拟合修正后的疲劳寿命计算公式为:(/)/()式中:和 均为实验常数式()可以改写为:/()/()由于式()与传统的基于名义应力的疲劳寿命计算公式/()在形式上十分相似故式()也被命名为主 曲线方程 美国 实验中心通过大量的实验数据得到了如图 所示的主 曲线该图涵盖了屈服强度从 、板厚从.的多种接头类型的钢制接头在不同加载方式下的实验数据图 主 曲线实验数据 由式()()可知使用主 曲线法解决焊接结构的疲劳寿命评估与设计等问题时获取焊缝上的节点力是第一步也是至关重要的一步 当成功获取节点力数据后运用式()()等主 曲线法中的计算公式以及主 曲线实验数据便能进行寿命的预测 结果文件.结果文件的数据结构使用 进行有限元分析时它会将求解出来的结果以及有限元模型的信息以特殊的二进制格式写入其结果文件中 基于分析类型的不同结果文件后缀可以是(静态结构分析)、(热分析)、(磁分析)等 结果文件由很多条记录()构成记录中包含了用户在有限元分析过程中产生的大量信息涵盖了有限元模型的几何、材料、单元、实常数、边界条件以及程序求解出来的数据等方面 不同记录之间的记录 号、记录制造业信息化 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用长度、记录数量以及记录中数据的类型有很大差异其中记录中数据的类型包括 型、型、复合型以及 型 个 型数据所占字节等于 个 型数据所占的字节无论何种分析类型的 结果文件都具有 标准文件头()这里储存有用户的操作系统以及硬件的信息、版本信息、时间信息以及结果文件的相关属性等信息 具体的有限元模型数据及求解的数据则排在标准头文件之后用户可以通过 内部的读取器或者自行编程来获取这些数据 如下为 标准文件头示例:/:.:(:):(:):.文件的存储方式要想获得主 曲线法所需的节点力需要从 文件进行数据提取 由 自带的帮助文档可知 文件一般由几何数据()、解集()、节点等效表()以及单元等效表()等部分构成如图 所示图 文件的结构 但是 文件的数据结构形式并非一成不变不同的有限元模型使用的单元类型不同、材料属性不同、加载条件不同都会导致 文件的数据结构模块发生变化单元节点力数据位于 文件的解集部分该部分分为节点解集、单元解集、支反力解集等单元节点力则位于单元解集处 需要注意的是除了提取节点力还需要关心力坐标系以及单元节点力的排列方式 其原因有以下两点()有限元模型中每一个单元都有自己的坐标系默认情况下单元坐标系与总体坐标系一致 但是对某些单元的坐标系 有特殊规定如 号单元 文中未使用该类特殊单元故所得节点力为整体坐标系下的力 根据主 曲线法的要求需要将整体坐标系下的节点力转化为以焊线定义的局部坐标系下的力图 为该坐标系示意图图 以焊线定义的局部坐标系示意图 ()文件中单元节点力的排列方式并非是按节点编号顺序排序的而是与单元节点的顺序有关 若每个单元包含 个节点则这 个节点按照其所在单元中的位置以顺时针或逆时针排序 每个节点可以有 种或多种节点力若其某节点相邻的单元数为 则此节点会有 种不同的节点力 基于 的节点力提取较新版本的 提供了结果文件读取器()以方便用户通过外部手段获取 文件中的记录 该读取器的本质是一个()由头文件和库文件以及辅助文档构成文件中的内容包括了类、函数模板以及虚函数等一系列元素 通过 获取 文件中数据的步骤如下()启动 创建项目对包含目录、附加库目录和预处理器定义等项目属性进行配置()通过、等类中的成员函数获得 文件中的数据为获取 文件中的数据需使用 类中的成员函数 该成员函数的参数列表共有 个参数从左到右分别为解集编号(整形变机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)制造业信息化量)、解集的 号(字符串变量)、类模板的实例化对象以及实体编号(整形变量)其中解集编号是 赋予解集的序号解集的 号即图.中方框中的名称 类模板的实例化对象用于存放读取的数据实体编号指要读取数据的单元或节点的编号若为 则表示全部实体()为使用 函数取得数据首先使用 类的有参构造函数创建一个对象这样即可在创建该类对象的同时打开 文件 然后通过类模板 中的有参构造函数新建一个对象以此创建出一个指定类型的 容器来存放提取的数据由于节点力的变量类型为 类模板中的变量类型需指定为()创建两个用于表示解集编号和实体编号的整形变量再创建一个字符串型变量来表示解集的 号 为了获得所有的单元节点力需先调用一次函数 再通过 循环等循环结构设置合理循环条件通过循环体实现获取所有节点力数据的目的()通过输出函数 将数据显示在屏幕上或借助 文件操作函数将读取结果写入文本文件中()提取了 文件中的节点力后需根据节点号以及单元号整理出焊缝处的节点力并进行合适的坐标变换以求得以焊线定义的局部坐标系下的焊缝节点力这样方可使用主 曲线法进行后续计算 所需的坐标变换矩阵可以根据焊缝单元与焊缝节点在整体坐标系下的坐标来确定文章所用程序中起到提取 文件中节点力数据作用的核心代码如下:/解集编号/解集 号/用于存放单元节点力数据的 容器/单元编号.()/从第一个单元开始获取节点力数据()().()/获取下一个单元的节点力数据 有限元模型及节点力提取文章以某地铁车辆转向架焊接构架为例根据文中第 部分所述方法编写 程序提取该构架的 结果文件中的节点力并验证该方法的准确性.有限元模型在 中以抽中面、划分 网格及赋予壳单元厚度等操作建立此模型模型单元类型主要为壳单元 辅以少量的 柔性单元、单元以及 单元单元材料均设为结构钢模型节点总数为 单元总数为 构架的有限元模型如图 所示传统的焊接构架有限元模型的建立方法是采用板壳模型模拟实体结构按照 规定在焊缝处用两板壳的相交线模拟忽略焊缝处的填充形状 而卢耀辉等通过在两壳单元薄板相交线附近建立将两板节点连接起来的壳单元来模拟焊缝单元此方式相比传统方式具有更高的计算精度 因此此模型采用了该种带焊缝细节的建模方式在牵引拉杆座与横梁连接处、横向止挡与横梁连接处、横梁与侧梁连接处、侧梁立板与上盖板处等位置建立了一共 组壳单元焊缝部分焊缝单元如图 所示图 某地铁车辆转向架焊 图 模型中的焊缝单元接构架模型 建立焊缝单元后通过定义为 组等方式记录焊缝节点和单元信息这样方便在读取 文件节点力数据集后整理出焊缝上的节点力.施加的工况首先根据转向架构架在转向架中的位置和连接关系在转臂定位座处施加垂向约束在牵引拉杆座处施加纵向约束在轴向弹簧安装座处施加横向约束 文章所创建的所有静力学工况均采用这种约束施加方式 文章共创建了 个静力学工况施加工况后的构架有限元模型如图 所示各个工况施加的的载荷如表 所列图 施加了工况后的构架制造业信息化 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用表 各静力学工况施加的的载荷工况编号施加的载荷工况 空气弹簧座表面受到来自车体的向下的垂向力以及横向力工况 空气弹簧座表面受到来自车体的向下的垂向力以及横向力横向止挡受到来自转臂定位销和轴箱的横向载荷工况 空气弹簧座表面受到来自车体的向下的垂向力以及横向力横向止挡受到来自转臂定位销和轴箱的横向载荷.节点力提取及结果准确性验证将构架有限元模型导入到软件 .中进行静力学计算得到了相应的 文件 借助文中第 部分中所述 中的函数与类编写程序读取文件中的节点力 由于节点力文件的行数过多为获取完整文件故文中将程序读取结果写入文本文件中其中一部分节点力的数据信息如表 所列为验证提取结果的准确性将 的 模板下导出的 文件以及 结果文件导入到基于主 曲线法的疲劳寿命计算软件 中然后为所有静力学工况添加如表 所列的简易载荷谱表 部分节点力数据节点编号/()/()/().表 施加的简易载荷谱载荷序号最大载荷最小载荷载荷变化范围载荷循环次数.然后选用钢的可靠度为.、标准差为的主 曲线进行疲劳寿命计算总共计算了 条焊缝在三种静强度工况下施加动态载荷的疲劳寿命在全部计算结果中焊缝 在静力学工况 中的静载荷和表 所列的疲劳载荷共同作用下整体的疲劳寿命最短该焊缝在有限元模型中位置如图 所示由式()()可知焊缝疲劳寿命越短则节点上的结构应力越大故焊缝 为节点上的结构应力水平最大的三条焊缝图 疲劳寿命最短的焊缝 根据焊缝节点的坐标可以计算出单元长度等效矩阵 进而将整体坐标系下的节点力转化为图 所示坐标系下的节点力再由式()计算焊缝 的节点的结构应力并与 软件计算的结构应力作对比如表 所列表 焊缝 结构应力计算结果对比节点号(焊缝前 个节点)求出的结构应力/文中方法求出的结构应力/节点号(焊缝后 个节点)求出的结构应力/文中方法求出的结构应力/.机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)制造业信息化续表 焊缝 结构应力计算结果对比节点号(焊缝前 个节点)求出的结构应力/文中方法求出的结构应力/节点号(焊缝后 个节点)求出的结构应力/文中方法求出的结构应力/.注:上表中节点号按照距离焊缝 起始节点 的距离的升序排列 将节点 赋予新序号 则两种方法的结构应力计算结果对比图如图 所示图 两种方法的结构应力计算结果对比图 由表 和图 可知该方法求得的结构应力与 的计算结果相比总体上的变化趋势相近且具有很高的一致性由此可知对于有限元模型中的所有焊缝节点文章的节点力提取方法具有较高的准确性 结 语文章以一个地铁车焊接构架为例提出了一种借助 提供的结果文件读取器()进行编程的方法以提取 文件中的节点力的方法并借助基于主 曲线法的焊接结构疲劳寿命计算软件 验证了提取结果的准确性为使用主 曲线法进行焊接结构疲劳评估与设计的工程与研究人员提供了思路与帮助参考文献:兆文忠李向伟董平沙等.焊接结构抗疲劳设计理论与方法.北京:机械工业出版社.梁树林聂春戈王悦东等.焊缝疲劳寿命预测新方法及其在焊接构架上的应用.大连交通大学学报():.彭李想.基于主 曲线法的轨道车辆转向架构架焊缝疲劳分析.现代制造技术与装备():.马 斌谷翠军徐先伟等.一种读取 文件中节点力信息的方法.计算机辅助工程():.凌扬超米彩盈.基于 结果文件的结构强度可视化研究.机车电传动():.卢耀辉向鹏霖曾 京等.铁道客车焊接构架疲劳强度评估方法.北京交通大学学报():.孙晓莹.基于主 曲线法的转向架构架关键焊缝疲劳寿命评估.大连:大连交通大学.(上接第 页)新排布有效降低螺栓应力但与此同时需要以增加板的应力为代价 结 语文中提出了一种基于遗传算法的铆钉位置优化方案 该方案建立了简化的铆钉连接件参数化三维有限元模型设置多个变量创建预紧力截面施加单元预紧力通过带有惩罚函数的遗传算法对钉孔排布进行多次迭代优化求解最终确定钉孔的最优位置实现了降低铆钉应力的目标在工程中具有指导意义 除此以外还能进行多参数优化设置多个变量以需求为目标进行优化为工程实际应用提供了一种铆钉位置优化的新方法参考文献:杨海波.飞机连接接头的细节应力分析与优化设计研究.西安:西北工业大学.:.初泰安.螺栓拧紧方法及预紧力控制.化工设备与管道():.乔 冰.机翼内外翼连接区域结构优化设计研究.西安:西北工业大学.雷英杰 张善文.遗传算法工具箱及应用.西安:西安电子科技大学出版社.徐明波 冯琳娜.带约束的遗传算法理论研究及其在某型飞机耳片优化设计中的应用.科学技术与工程():.制造业信息化 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用