铁路扣件弹条载荷—应力谱传递与疲劳风险联合评估方法

本发明涉及铁路轨道结构动力分析与结构疲劳风险评估，尤其涉及一种铁路扣件弹条载荷—应力谱传递与疲劳风险联合评估方法。

背景技术：

1、铁路扣件弹条承担钢轨约束、轨距保持及轮轨作用力向下部结构传递等功能。受安装预紧、曲线几何、局部接触约束和轮轨动态作用共同影响，弹条根部及弯曲过渡区域容易出现应力集中和复杂变幅循环，其疲劳状态对扣件系统服役可靠性具有重要影响。

2、现有扣件弹条疲劳评价通常从局部应力时程出发，通过循环计数、均值应力修正、材料疲劳关系和损伤累计模型计算疲劳寿命或损伤指标；另有方法采用功率谱、频率响应或传递特性描述轮轨激励向扣件局部响应的传递。上述现有技术方法能够分别给出应力响应、频谱特征或疲劳损伤，但通常缺少对频谱传递与循环损伤之间关系的统一处理。

3、频谱分析与疲劳分析对时程处理具有不同要求。频谱传递分析通常需要去除静态分量并避开初始瞬态，以提取稳定动态响应；疲劳评价则需要保留完整应力时程及其中的均值信息，以在循环计数后获得循环均值，并反映预紧和装配状态引起的平均应力效应。对疲劳评价应力参数进行去均值处理会改变循环均值的绝对水平，进而影响均值应力修正后的等效循环幅值；而将包含初始接触调整或加载瞬态的完整时程直接用于谱分析，可能使目标频带谱能量和传递指标受到瞬态宽频成分的影响。因此，若对两类评价采用相同的时间窗和时程预处理方式，难以同时满足频谱传递分析与循环疲劳评价的处理要求。

4、不同工况可能激活不同的局部高响应区域。对于识别各工况自身高响应区域的评价任务，需要允许区域位置随工况变化；对于比较同一空间区域随工况参数变化的评价任务，则需要在各工况间保持评价区域一致。采用单一代表位置或不随评价目的调整的区域选择方式，容易使结果受到局部网格、个别响应位置或空间区域漂移的影响。与此同时，高应力谱能量或高表观传递水平并不必然由输入载荷稳定相干地传递，也不必然对应最高疲劳损伤；仅依据模态接近、谱峰或单一应力能量判断危险工况，可能产生误判。

5、现场轮轨载荷具有随机性。仅依据单个载荷片段确定疲劳风险排序，难以判断所得排序是否对载荷样本变化保持稳定。因此，需要一种能够兼顾时间窗物理分工、评价目的自适应区域选择、载荷—应力谱传递、输入输出相干性、循环损伤累积以及给定载荷样本集内排序稳定性的通用评价方法。

技术实现思路

1、本发明的实施例提供了一种铁路扣件弹条载荷—应力谱传递与疲劳风险联合评估方法，以实现铁路扣件弹条谱传递特征与疲劳风险的联合评估。

2、为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

3、一种铁路扣件弹条载荷—应力谱传递与疲劳风险联合评估方法，包括：

4、获取多个待评价工况下铁路扣件弹条的状态信息；

5、建立铁路扣件弹条的覆盖有效载荷作用过程的第一分析时间窗和第二分析时间窗，第一分析时间窗内的疲劳评价应力参数保留循环均值并用于疲劳评价，第二分析时间窗内的目标标量载荷和疲劳评价应力参数分别进行去均值处理并用于谱传递和相干性评价；

6、根据评价目的构造区域评价位置集，识别各工况自身的高响应区域时构造工况独立高响应位置集，比较同一空间区域随工况参数变化的响应差异时构造跨工况公共高响应位置集；

7、基于所述铁路扣件弹条的状态信息，利用第二分析时间窗内的去均值目标标量载荷和去均值疲劳评价应力参数，计算目标频带内的载荷—应力表观谱传递指标及输入输出相干性指标；

8、基于第一分析时间窗内的疲劳评价应力参数时程进行循环计数、均值应力修正、材料疲劳关系计算及损伤累计，获得位置级疲劳损伤指标，对所述区域评价位置集中满足疲劳评价有效性条件的位置级疲劳损伤指标进行统计，并根据有效位置级疲劳损伤统计量确定各工况的疲劳风险排序；

9、将所述铁路扣件弹条各工况的疲劳风险排序与表观谱传递指标排序进行比较，确定各工况的谱传递—疲劳风险排序失配程度，并结合相干性指标输出所述铁路扣件弹条各工况的联合评价结果。

10、优选地，所述的获取多个待评价工况下铁路扣件弹条的状态信息，包括：

11、获取多个待评价工况下铁路扣件弹条的状态信息，该状态信息包括各工况的目标输入载荷时程、扣件弹条目标区域多个评价位置的疲劳评价应力参数时程以及工况参数；识别时间列、载荷分量和评价位置标识，并在共同有效时间范围内完成有限值检查、时间排序、重复时间点处理和时间对齐。

12、优选地，所述的建立铁路扣件弹条的覆盖有效载荷作用过程的第一分析时间窗和第二分析时间窗，第一分析时间窗内的疲劳评价应力参数保留循环均值并用于疲劳评价，第二分析时间窗内的目标标量载荷和疲劳评价应力参数分别进行去均值处理并用于谱传递和相干性评价，包括：

13、建立覆盖有效载荷作用过程的第一分析时间窗，并在所述第一分析时间窗内设置第二分析时间窗，进行时间窗敏感性校核时，从位于第一分析时间窗内的多个候选时间窗中选取参考候选时间窗，根据所述参考候选时间窗内各评价位置的动态响应指标构造用于敏感性校核的预选评价位置集，在保持所述预选评价位置集和谱估计参数一致的条件下，根据所述待评价工况下铁路扣件弹条的状态信息分别计算各候选时间窗对应的区域中位动态响应指标和预设频带应力谱能量，根据所述指标相对于参考候选时间窗的变化程度确定第二分析时间窗；

14、所述预选评价位置集用于时间窗敏感性校核，第一分析时间窗内的疲劳评价应力参数保留循环均值并用于疲劳评价，第二分析时间窗内的目标标量载荷和疲劳评价应力参数分别进行去均值处理并用于谱传递和相干性评价，同一比较组内各工况采用相同的第二分析时间窗。

15、优选地，所述的根据评价目的构造区域评价位置集，识别各工况自身的高响应区域时构造工况独立高响应位置集，比较同一空间区域随工况参数变化的响应差异时构造跨工况公共高响应位置集，包括：

16、当评价目的为识别每一待评价工况自身的高响应区域时，各工况的独立高响应位置集由该工况内动态应力响应指标排名前n的评价位置组成；当评价目的为比较同一空间区域随工况参数变化的响应差异时，所述公共高响应位置集从各待比较工况共同存在的有效评价位置中选取，并根据各工况归一化动态应力响应指标的跨工况统计量选取排名前的评价位置；根据候选位置数量下区域响应统计量的稳定性、评价位置集合在重复样本或扰动分析下的稳定性以及目标区域空间覆盖要求确定。

17、优选地，所述的基于所述铁路扣件弹条的状态信息，利用第二分析时间窗内的去均值目标标量载荷和去均值疲劳评价应力参数，计算目标频带内的载荷—应力表观谱传递指标及输入输出相干性指标，包括：

18、针对预先确定的目标标量载荷通道，根据所述待评价工况下铁路扣件弹条的状态信息采用一致的谱估计参数计算第二分析时间窗内目标标量载荷功率谱和疲劳评价应力参数功率谱，以及目标标量载荷和疲劳评价应力参数之间的互功率谱，围绕目标频率构造目标频带，计算目标频带内的位置级载荷—应力表观谱传递指标及输入输出相干性指标；

19、所述目标频率为预设激励频率、扣件弹条特征频率、目标标量载荷通道的载荷谱特征频率中的任一种，或者根据运行速度v与空间激励尺度按照确定；所述目标频带为；第个评价位置相对于第个目标标量载荷通道的表观谱传递指标，由所述目标频带内疲劳评价应力参数功率谱能量与所述第个目标标量载荷通道功率谱能量之比的平方根确定。

20、优选地，所述的基于第一分析时间窗内的疲劳评价应力参数时程进行循环计数、均值应力修正、材料疲劳关系计算及损伤累计，获得位置级疲劳损伤指标，对所述区域评价位置集中满足疲劳评价有效性条件的位置级疲劳损伤指标进行统计，并根据有效位置级疲劳损伤统计量确定所述铁路扣件弹条各工况的疲劳风险排序，包括：

21、基于第一分析时间窗内的疲劳评价应力参数时程进行循环计数、均值应力修正、材料疲劳关系计算及损伤累计，对所述区域评价位置集内存在goodman均值应力修正分母不大于零循环的评价位置进行标记，并不将该评价位置的goodman修正损伤结果纳入区域疲劳损伤定量统计，将其余具有有效疲劳计算结果的评价位置组成疲劳评价有效位置集，对所述疲劳评价有效位置集内的位置级疲劳损伤指标进行统计，并以区域中位损伤率或与其单调对应的区域损伤统计量确定各工况的疲劳风险排序；

22、所述循环计数采用雨流计数；所述均值应力修正采用goodman修正；所述材料疲劳关系采用应力—寿命关系；所述损伤累计采用miner线性损伤累计准则；所述疲劳损伤指标至少包括单位时间损伤率，并可进一步包括累积损伤、等效循环指标和参考循环要求通过率中的至少一种。

23、优选地，所述的将所述铁路扣件弹条各工况的疲劳风险排序与表观谱传递指标排序进行比较，确定各工况的谱传递—疲劳风险排序失配程度，并结合相干性指标输出所述铁路扣件弹条各工况的联合评价结果，包括：

24、对于k≥2个待评价工况，基于各待评价工况疲劳评价有效位置集的交集所构成的共同疲劳评价有效位置集，分别统计区域表观谱传递指标和区域疲劳损伤指标，确定表观谱传递指标排名和疲劳风险排名，并按照|−|确定第个待评价工况的归一化排序失配程度；输出各待评价工况的表观谱传递指标排名、疲劳风险排名、输入谱加权相干性及归一化排序失配程度，以表征谱传递与疲劳风险的一致性或失配程度，并形成各待评价工况的联合评价结果，该联合评价结果包括谱传递排名、疲劳风险排名、排序失配程度和相关辅助解释指标。

25、优选地，所述的方法还包括：对于不少于三个独立载荷样本，在每个载荷样本内根据区域疲劳损伤指标对各工况进行归一化和排序；统计各工况成为最高风险工况的出现频率以及跨样本排名的四分位距，并以所述最高风险工况出现频率和跨样本排名四分位距表征给定载荷样本集内的疲劳风险排序稳定性；当多个工况具有相同区域疲劳损伤指标时采用并列排名；当某一载荷样本缺失任一待比较工况时，该载荷样本不纳入基于完整工况集合的排序稳定性统计；或者预先确定各载荷样本共同包含的工况子集，并在所有有效载荷样本中按照同一工况子集进行归一化和排序。

26、一种铁路扣件弹条载荷—应力谱传递与疲劳风险联合评估系统，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使所述系统执行以下操作：获取并对齐目标输入载荷时程和目标区域多个评价位置的疲劳评价应力参数时程；构造第一分析时间窗和第二分析时间窗；根据评价目的构造工况独立高响应位置集或跨工况公共高响应位置集；计算目标频带表观谱传递指标和输入输出相干性指标；计算疲劳损伤指标和循环损伤区间贡献；校核疲劳计算有效性并构造疲劳评价有效位置集；确定疲劳风险排序及谱传递—疲劳风险排序失配程度；在存在不少于三个独立载荷样本时，分别完成各载荷样本内的工况归一化与排序，并汇总统计各工况成为最高风险工况的出现频率和跨样本排名四分位距，输出给定载荷样本集内的疲劳风险排序稳定性结果。

27、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现所述的铁路扣件弹条载荷—应力谱传递与疲劳风险联合评估方法。

28、由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明方法通过联合排序和失配程度计算，可识别谱传递峰值与最高疲劳风险工况不一致的情况。本发明能够同时输出疲劳风险排序及形成该排序的谱传递、相干性与循环损伤信息。本发明可解决现有扣件弹条疲劳评价中频谱分析与疲劳分析时程处理混用、评价区域选择与评价目的不匹配、多分量载荷输入关系不清、谱传递峰值难以直接对应疲劳风险以及单一样本风险排序代表性不足的问题。

29、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。