第10卷第3期2008年5月1

军事交通学院学报

Jounrnal of Academy of Military Transportation

V01．10 No．3

May2008

●基础理论与应用Bosic Theory and Its Application

基于APDL的雨流法程序设计及其应用研究

徐越文1，李海超1，文 涛2，袁辉1，魏海滨1

(1．军事交通学院军事交通系，天津300161；2．63650部队，新疆库尔勒841700)

摘要：简单介绍了雨流法，根据实际应用体会，结合大型CAE通用有限元分析软件ANSYS，具体介绍了基

于APDL实现雨流计数法处理程序的方法，程序实用灵活，使构件的整个随机疲劳分析过程在ANSYS中的

计算和统计分析一体化、程序化，从而使ANSYS能更好地用于构件的疲劳可靠度分析和结构设计。

关键词：雨流计数；疲劳；ANsYs；ANsYs参数化设计语言

中图分类号：0346．2；TP311．1 文献标志码：A 文章编号：1674-2192(2008)03—0092-04

Rain—-flow Counting Method Program Design Based on APDL and Its Applica-·

tion Research’

XU Yue—wenl，LI Hai—cha01，WEN Ta02，YUAN Huil，WEI Hai—binl

(1·Military Transportation Department，Academy of Military Transportation，Tianjin 300161，China；2·Unit 63650，Kuede 841700，

China) ·

Abstract：This paper introduces the method of rain flow counting simply．And according to the experiences in practice，it introduces

the method based on ANSYSparameter design language(APDL)to realize the rain flow counting in ANSYS，a large CAE software of fi-

nite element method．The above result is practical and flexible．making the processes of calculating and statistics about analysis of fa-

tigue with rarldom load in ANSYS integrative and procedural．And thereby ANSYS Call expediently apply to component fatigue reliabil-

ity analysis and structure design．

Keywords：rain flow counting；fatigue；ANSYS；APDL

工程实际中，大多数构件的载荷都是随机的，对

构件进行疲劳分析时，需要将这种随机载荷一时间

历程转换为应力一时间历程，进而对得到的应力一

时间历程进行统计计数，将不规则的随机应力一时

间历程简化为一系列应力循环过程，常用的计数法

有峰值计数法、幅度计数法和雨流计数法，由于雨流

法计数精确，因而应用最为广泛。ANSYS的时间历

程(即时程)分析功能为载荷一应力转换等相关力

学计算提供了有效手段，但ANSYS现有模块无法实

现进一步的统计分析，仍需要其他统计程序完成，这

就需要进行大量数据的输出输入交换，处理极不方

便，而且工作量大。本文根据ANSYS参数化设计语

言的自身特点，编制雨流法统计程序，使应力数据的

统计得以实现，程序实用灵活，可根据需要即时修

改，使整个随机疲劳分析的计算、统计分析过程一体

化、程序化。

收稿日期：2007—11—12；修回日期：2007一11—29．

作者简介：徐越文(1984一)，男(汉族)，陕西榆林人，硕士研究生，xywl210@163．eom；

李海超(1969一)，女，副教授，硕士生导师．

万方数据

2008年5月 徐越文等：基于APDL的雨流法程序设计及其应用研究 第10卷第3期

1 雨流法的基本原理‘1’23

雨流计数法简称雨流法，也叫塔顶法，最早是由

Matsuiski和Endo两位英国工程师提出的，经历了

50多年的发展，其计数原理是把载荷一时间历程的

时间轴向下画，想象有一系列宝塔形屋顶，雨流都从

内侧开始，顺着屋面往下流，根据雨流迹线来确定载

荷循环。雨流计数简图如图l所示。计数规则如

下：

1)雨流的起点依次在每个峰(谷)值的内侧。

2)雨流在下一峰(谷)值处落下，直到对面的峰

(谷)值比开始时更大(更小)为止。

3)当雨流遇到上面屋顶流下的雨时，就停止。

4)根据雨流的起点和终点，画出各个循环，取

出所有的全循环，并记下它们的峰(谷)值。

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圈1雨流计数简图

2基于APDL的雨流法计数程序实现

ANSYS参数化设计语言(ANSYS parameter de—

sign language，APDL)，是--f-j可用来自动完成有限

元常规分析操作或通过参数化变量方式建立分析模

型的脚本语言，具有参数定义使用、表达式和函数调

用、分支循环和宏等功能【3J。APDL扩展了传统有

限元分析的范围，使得建摸、计算和分析更为灵活。

利用ANSYS完成随机疲劳的力学计算后，可以

直接使用APDL提取结果，采用APDL编程实现雨

流计数，进行统计处理，文中采用全封闭式计数模

型，根据疲劳分析需要，结合APDL的语法特点，程

序实现分数据处理和循环计数两步进行。由于篇幅

有限，原代码省略，只给出实现流程。

2．1 数据处理

数据处理就是把提取的随机应力一时间历程转

化为应力峰(谷)值一时间历程，再对得到的应力峰

(谷)值一时间历程进行重组和编排。

2．1．1 应力一时间历程转化为应力峰(谷)值一时

间历程

由于原始应力一时间历程一般不是规则的峰

(谷)值一时间历程，需要提取峰(谷)值，组成规则

的应力峰(谷)值一时间历程，为了避免提取峰(谷)

值出现两个连续的峰(谷)值，首先需要进行数据压

缩，去掉连续相等的数据而只保留1个，以便雨流计

数。具体流程如图2所示。

数据压缩 峰(谷)值提取

注：1)g乜e鸥为应力一时间历程数组；2)peak为应力峰(谷)值一

时间历程数组；3)array_num为stress数组的元素个数

图2应力一时间历程转化原程

2．1．2应力峰(谷)值一时间历程重组

1)如图3所示，判断峰(谷)值数组的第1个和

最后1个元素是波峰还是波谷，若都是峰值，则令二

者为它们之中较大值；若都是谷值，则令二者都为它

们之中较小值；若第1个元素是峰值，最后的元素是

谷值，则删除最后的谷值，使其前1个峰值与第1个

元素相等且为它们之中的较大值；若第1个元素为

谷值，最后的元素为峰值，则删除最后的那个峰值，

使其前1个谷值与第1个元素相等且为它们之中较

小值。

93

万方数据

第10卷第3期 军事交通学院学报 2008年5月

2)将修改后的峰值数组在其最大值(最小值)

处截开，交换两部分的位置，使始点和终点相接。改

编后峰值数组为peak_new。

≮7 l

≤洒f≤》I渤 删除p一4-1) peak(1)=min(peak 删除p冽,l／-1)

peak(1户Ⅻ(peak (1),peak(i-1)) peak(1)=rain(peak(1)，peak(／-Z)) (1)，peak盯一2))

PeakF一2≥：peak(1) P朗k矿一1卜：pe止(1) peak旷一驴peak(1)

l比较元素大小找出最大值，标号记为ⅫIrI【一

I

p嘲kJl州涧p阻k劬i=l，2。‘。0—1；

ii≈％^j诎且西斌j2'“．j-l’2，3，⋯mark

圈3压力峰l谷)僵一时间历程重组流程

2．2循环计数

根据雨流计数规则，定义临时数组temp一，依次

取出蜂(谷)点，符合计数条件则取出循环，否则继

续取出峰(谷)点判断，直到循环全部取出。流程设

计如图4所示，具体流程如下：

1)开始，令豇=0，k=0。

2)k=k+1，ii=ii+1，temp一(后)=peak—new

(ii)，peak_new数据取完，转入5)。

3)如果temp一的数据点少于3，转入2)．；否则，

计算

AMl=Itemp_(k一1)一temp一(k一2)l

AM2=I temp一(k—1)一temp_(．j})I

4)如果AMl≤AM2，贝0 temp一(k一1)和temp一

(k-2)对应的峰(谷)值构成1个全循环，记录其幅

值或均值，删除temp一(k一1)，temp一(k一2)，令

temp一(k-2)=temp一(后)，k=k一2，转入2)；否贝0，

直接转入2)。

5)判断temp一中数据是否删除完毕，删除完毕

则计数结束；否则转入6)。

6)初始化peak_new，即全部赋0值，将temp一中

剩余峰(谷)值依次移入peak—new，同时删除peak—

new空闲元素，初始化temp_，转入1)。

94

3 算例

图4循环提取流程图

现以某型铁路军用梁部分杆件的疲劳分析为

例，根据文献[4]中统计的疲劳列车，选用东风4型

内燃机车单机随挂49节货车通过24m某型铁路军

用梁，利用本文程序统计杆1—3、2—4、4—5(如图5

所示)的应力循环，进一步估算其疲劳损伤，整个疲

劳分析的所有计算、统计过程均在ANSYS中完成，

具体分析步骤如下：

1)建摸。桥梁模型采用beam3建摸，杆件连接

点为刚结，主桁构件之间连接为铰结，列车简化为移

动荷载，计算步长为0．1m。

2)利用ANSYS的动力分析功能，计算出各杆的

应力一时程曲线。

3)采用上述雨流法处理程序提取结果，把应力

一时程曲线转化为相应的应力峰值一时程曲线(如

图6所示，杆4—5的应力峰值一时程曲线)，统计出

应力循环，去除无效幅值，整理得应力谱，见表1。

表中应力幅Ao"；以最大应力幅的百分数表示。

4)根据文献[5]，s一Ⅳ曲线方程选用ICy+

3．519tr；=13．5，按照Miner线性累积损伤理论，计算

出各杆的疲劳累积损伤，见表2。

万方数据

ly弋y弋y弋4 S

图5 24m某型铁路军用梁

图6杆4—5应力峰值一时程曲线

表1杆件应力谱

杆件号 1—3 2—4 4—5

疲劳累积损伤度 5．461 6×10～4．873 2×10～4．629 5×10’7

作为算例，本例旨在提供分析方法，对于实际应

用，通过计算结构各种构造细节的疲劳损伤度，可进

而实现结构疲劳可靠度分析，确保结构的安全使用；

也可依据各种构造细节的疲劳损伤度进行疲劳优化

设计，使各细节疲劳损伤度趋于一致，使结构构造更

为经济合理。

4 结论

1)结合APDL的语法特点实现了随机载荷的统

计处理，使基于ANSYS的随机疲劳分析程序化、一

体化。

2)计数程序简单实用，可随时灵活修改，也可

根据流程使用其他编程语言实现，对于随机疲劳的

仿真分析具有广泛应用价值。

3)通过给出的随机疲劳分析算例，可为构件的

随机疲劳仿真分析提供参考。

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(责任编校：关立哲)

(上接第58页)

添加剂可有效提高润滑油的抗磨和极压性能。而纳

米陶瓷润滑油的性能要强于纳米陶瓷基础油，说明

纳米陶瓷与其他功能添加剂复配后，更有助于提高

润滑油性能。

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(责任编校：关立哲)

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