铁路货车焊缝疲劳数据可视化系统开发与应用

周韶泽，陈栋，聂春戈，李向伟，兆文忠，宗振龙

(1.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028；2.中车齐齐哈尔轨道 交通装备有限责任公司，黑龙江 齐齐哈尔 161002)

铁路货车焊缝疲劳数据可视化系统开发与应用

周韶泽1，2，陈栋1，聂春戈1，李向伟2，兆文忠1，宗振龙1

(1.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028；2.中车齐齐哈尔轨道 交通装备有限责任公司，黑龙江 齐齐哈尔 161002)

为了解决目前铁路货车焊缝疲劳数据管理效率低，难以满足产品快速抗疲劳设计需求的问题，研究并开发了集三维可视化模型，焊缝疲劳计算，虚拟疲劳、试验测试的焊缝疲劳评估数据管理于一体的三维可视化系统.为了实现该系统，提出了基于场景图的CAD/CAE可视化模型装配树；研究并嵌套了试验测试等效应力幅焊缝疲劳评估算法；提出了基于面向焊缝对象的可视化方法、MVC模式数据映射技术，建立了主S-N曲线法、IIW名义应力法、等效应力幅法焊缝疲劳评估数据与焊缝模型的双向映射.最后以C70E车体焊缝疲劳设计作为实例，证明了该软件系统的有效性及实用性.

货车设计；焊缝疲劳；Openscenegraph；三维可视化

0 引言

随着新一代重载、快捷铁路货车的快速发展，传统的静强度设计及分析平台已不能满足产品抗疲劳设计的需求[1].在铁路货车产品抗疲劳方案设计和试验阶段，铁路货车焊缝数量大(如典型焊接车体焊缝多达几百条)、相互关系复杂，而且来自虚拟疲劳仿真、真实疲劳试验的各类焊缝疲劳评估数据类型多、格式复杂、数据量大，目前缺少一个可以可视化集成和关联各类疲劳数据，进行设计方案分析、比较，还能易于扩展多种焊缝疲劳算法的软件工具，是一项急需解决的技术问题.

焊缝疲劳预测和试验计算主要有商业有限元ANSYS、ENCODE等软件，这些软件在焊缝疲劳设计中有以下局限性：只能进行有限的、单一的评估方法的疲劳计算和三维显示；底层开放程度、与外部数据交互功能有限，扩展其他疲劳算法困难；由于CAD、CAE模型文件较大，加载、交互操作模型速度慢等.这些局限性导致疲劳设计无法形成统一的、便捷的和多要素的疲劳数据可视化平台，给快速抗疲劳设计带来很大困难.

随着计算机图形图像技术和可视化技术的发展，数据、信息经过可视化处理，使人们通过视觉信息更容易掌握系统中各变量间、变量与环境之间的变化关系，更直接了解系统的多维、多要素特性.本文基于开源代码开发了一种焊缝疲劳数据可视化系统，集成典型的主S-N曲线法、IIW名义应力法、等效应力幅法焊缝疲劳评估数据，着重从可视化场景树装配模型、疲劳数据与可视化模型的映射等方面给出了解决上述问题的方法.

1 系统框架

根据铁路货车疲劳数据多样性特点，将系统划分为6个核心模块，系统整体框架如图1所示.各模块功能如下：

(1)三维可视化模型管理：完成将外部商业软件CAD模型和CAE模型转化成为轻量化可视化模型；

(2)虚拟仿真焊缝疲劳试验寿命数据管理：完成将外部虚拟疲劳仿真软件的焊缝疲劳预测结果数据的格式化转换、存储和管理；

(3)试验测试焊缝疲劳寿命数据管理：完成试验数据计算的焊缝疲劳寿命评估数据的存储及管理；

(4)等效应力幅法疲劳寿命计算：根据试验数据应力谱计算测点的等效应力幅，进行焊缝寿命评估；

(5)材料S-N曲线数据管理：等效应力幅法标准S-N曲线数据的维护；

(6)可视化关联及驱动：响应用户不同操作，实现三维可视化模型的渲染和显示，疲劳数据的关联映射.

图1 货车焊缝疲劳数据可视化系统整体框架

2 关键技术

2.1 基于场景图的CAD/CAE可视化模型装配树

采用合适的装配树组织和驱动三维可视化模型是虚拟场景显示的核心.系统采用场景图方式将CAD、CAE模型转化合并成可视化模型.首先，需要在CAE模型中建立焊缝模型.在CAE软件里建立焊缝有限元网格，如实体单元、壳单元，并命名为唯一标识符(简称weldID)，如weld001，并将这些焊缝设置为一个焊缝组.然后，将CAD、CAE原模型转换成为中性文件格式(IGES，STEP).其次，通过递归调用遍历中性文件模型装配树获得装配树的层次结构，再使用组节点作为装配体，几何体叶节点作为零件模型节点重构场景图模型装配树及转换成为可视化模型.通过该转换除了可以保留父子装配关系，还可在转换过程中通过边折叠等方法简化原模型.最后，将CAD、CAE可视化模型原点重合，将它们合并在同一位置.通过打开和关闭场景图组、叶节点就可以实现模型间的切换显示.

2.2 面向焊缝对象的可视化方法

面向焊缝对象的可视化是将焊缝三维模型作为关注对象，除了能对焊缝模型进行放大、缩小和移动等操作外，为了保证焊缝始终位于虚拟场景的聚焦中心，还需建立以焊缝为旋转中心的可视化方法.虚拟场景中，摄影机世界坐标系统中的位置姿态矩阵等于相机观察矩阵的逆矩阵.通过轨迹球操作器(TrackballManipulator)将当前相机点选的焊缝对象作为旋转中心，摄影机位姿矩阵Mcam由式(1)决定：

(1)

①先平移到摄影机视口旋转中心坐标center(矩阵Tcenter).②旋转成为“倾斜”的uvn坐标系(旋转矩阵TUVNRotaion).③再实现平移到焊缝包围盒中心坐标weldRotateCenter(矩阵TweldRotateCenter).④将局部坐标系沿Z轴(即n轴)平移distance的距离(矩阵Tdistance).⑤逆变换变为相机位姿矩阵.

场景树在每次更新遍历(CALLBACK)时，获取被点选的焊缝模型包围盒中心坐标weldRotateCenter，调用式(1)更新相机矩阵，实现基于焊缝对象为旋转中心的可视化.

2.3 MVC模式数据映射技术

采用对象-属性模式，以焊缝作为对象，疲劳数据作为其属性存储，将疲劳数据信息存储在数据库中.为达到通过焊缝快速查找各类焊缝疲劳数据目的，构建MVC(Model，View，Control)模式数据映射实现焊缝模型到焊缝疲劳数据的关联，如图2.MVC模式可以提供一个数据源多个表现视图(用户UI)的能力，适合像焊缝疲劳数据这类既要有数据库表格存储和编辑功能，又要有树状关系表示对象-属性逻辑关系界面的需要.数据关联通过weldID实现.在建立可视化模型装配树时，焊缝模型以weldID为名称构建，而在属性数据库中，焊缝记录也以weldID作为索引字段存储在数据表中.

焊缝疲劳数据到三维模型的映射，是表格视图或树状视图到焊缝模型的关联.当表格视图或树状视图中的焊缝记录被点选，被拾取视图将返回weldID记录行，根据该名称找到在装配树上焊缝模型指针，高亮该焊缝.反之，三维模型到焊缝疲劳数据的映射，则是将要拾取对象的屏幕坐标映射到三维场景图形节点上，完成拾取焊缝模型操作，系统将返回焊缝对象的weldID，以该标识符搜索数据库的属性字段，搜索到结果后从数据库中返回焊缝记录并选中该条疲劳属性记录.

图2 疲劳数据MVC模型双向映射技术

2.4 试验数据疲劳寿命计算

试验测试的焊缝疲劳评估方法采用等效应力幅法.将焊缝疲劳测点的实测数据通过滤波、去毛刺、去零飘等步骤获取试验载荷谱.将载荷谱输入系统后，根据材料S-N曲线参数就可以使用等效结构应力幅法计算试验测点的疲劳寿命.采用Miner累积损伤法则，针对变幅加载条件NASA所推荐的S-N曲线形式计算等效应力幅进行疲劳评估.计算一个试验k级应力谱产生的损伤(D1)的公式如下：

(2)

式中,σi为各级应力幅值，ni为各级应力幅值的循环次数；C1和m为S-N曲线参数.设等幅等效应力幅σeq作用N次，结构产生的损伤为D，即

(3)

式中，N是与材料或焊缝疲劳极限对应的循环次数.已知实测应力谱的运行公里数为L1，该应力谱产生的损伤为D1，设产生损伤D的安全运行公里数为L公里，则：

(4)

代入D和D1的表达式，得：

(5)

式中，σeq表示整个寿命期相应的等效应力幅，反映了安全运用公里数的焊缝疲劳程度.当σeq小于该材料焊缝的等幅疲劳许用极限[σ]，则说明该测点疲劳寿命符合安全运用要求.根据式(5)算出等效应力幅后，将各个测点的疲劳评估数据存储到数据库中.

3 系统的开发和应用

系统采用Visual Studio C++作为开发工具，OpenScenceGraph(OSG)开源图形库作为三维可视化驱动引擎，SQLite数据库作为疲劳数据的存储数据库开发.下面以铁路货车C70E焊接车体为例， 说明该软件的应用效果.

将C70E的Pro/E模型和Hypermesh CAE壳单元网格模型按2.1小节方法转换成CAD/CAE可视化模型，软件左侧三维场景装配树完整保留了原有CAD和CAE模型的层次结构，如图3、图4所

图3 CAD/CAE可视化模型及模型树

图4 切换至CAE可视化模型

示.在普通计算机配置条件下(i7-4770T CPU、 NVIDIA GeForce 730A显卡、16 G内存)，三维可视化视口具备平移、旋转、拖拽、透明显示和隐藏模型等功能.可视化模型文件大小26 M，导入时间为5 s，各种交互式操作帧速都在25 帧以上，没有延迟感.

使用MVC模式双向映射方式和面向焊缝可视化方法，完成了C70E车体的220条典型焊缝疲劳数据的可视化管理.系统侧边栏是可切换的表格视图和树状视图，它们以不同的形式显示焊缝对象的疲劳数据属性.当点击这些视图中焊缝名称，在三维模型视口区，映射的焊缝模型同时被高亮显示.如图5，为突出焊缝位置，车体以透明形式显示，焊缝以实体显示并被设置成相机旋转中心.在树状视图焊缝名称上打开目录树，选择工况后，对应该工况的基于主S-N曲线法的焊缝疲劳评估数据显示在右下方视口.如图6，切换到表格视图后， 可对疲劳数据进行增删改的数据库管理功能.当点击焊缝模型，数据库表格视图或树状视图相应的数据行会被聚焦，直接显示该选择焊缝的疲劳数据属性.

图5 主S-N曲线法疲劳评估数据可视化

图6 表格视图IIW评估寿命降序排列

图7 等效应力幅试验应变片测点可视化显示

在输入通过疲劳试验取得的8级应力谱后，等效应力幅疲劳寿命计算模块计算测点的疲劳寿命.疲劳试验测点应变片模型由外部CAD软件建立，转换成可视化模型后(如图7)，以双向关联方式和焊缝疲劳数据进行可视化关联.

本系统已在中车齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司产品试验研究室等设计部门得到应用.利用本系统，设计人员可以快速、准确地调用各种既有车型、新设计车型的多类疲劳评估数据进行疲劳设计.设计人员能够快速获得产品所有薄弱焊缝的多种焊缝疲劳评估方法结果的排序.同时还可从不同的要素和维度来观察和评估产品疲劳特点，比较各种不同设计方案的优劣，指导和改进产品疲劳设计，有效提高抗疲劳设计效率.

4 结论

本文提出基于场景图的CAD/CAE可视化模型装配树方法构建可视化模型，采用面向焊缝对象可视化方法和MVC模式实现焊缝模型和疲劳数据的映射，实现铁路货车焊缝疲劳数据可视化管理.

以C70E车体焊缝疲劳数据可视化为例，验证了本文所提方法的可行性与有效性.应用结果表明，本系统能够有效提高抗疲劳设计效率，提升焊缝疲劳数据管理效率和水平.通过可视化、多要素的信息不仅更加直观地让设计者了解焊缝的疲劳情况， 而且还可以协助设计者在铁路货车产品设计阶段，对焊接结构的抗疲劳性能进行各种方案的比较和论证，这对缩短研制周期，快速、经济地进行设计方案优选有较高的实用价值.

[1]李向伟，王剑，黄永生，等．货车焊接结构疲劳寿命预测系统开发与关键技术[J]．中国机械工程，2010，21(9)：1061-1065．

[2]唐兆，朱允瑞，聂隐愚，等．CAD/CAE集成的高速列车子系统仿真分析一体化平台[J]．西南交通大学学报(自然科学版)，2016，51(1)：113-120．

[3]何坤金，张莉军，李强，等．基于OSG的航道船舶三维可视化信息管理系统[J]．计算机与现代化，2015，43：89-92．

[4]王锐，钱学雷．OpenSceneGraph 三维渲染引擎设计与实践[M]．北京：清华大学出版社，2010．

[5]王文静，惠晓龙，马纪军．高速列车设备舱支架疲劳裂纹机理研究[J]．机械工程学报，2015，51(6)：142-147．

[6]孙乐丰，董云峰，马俊．基于OSG的卫星运行数据可视化仿真实现[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

辽宁省自然科学基金资助项目(20170540137)；辽宁省教育厅高等学校科学研究计划资助项目(L2014182)

周韶泽(1977-)，男，副教授，博士，主要从事可视化技术、虚拟疲劳仿真技术的研究E- mail:shaoze@djtu.edu.cn.

A