一种用于钢蜗壳疲劳设计的应力插值方法和系统

本技术涉及钢蜗壳疲劳寿命预测，具体而言，涉及一种用于钢蜗壳疲劳设计的应力插值方法。

背景技术：

1、随着水力发电的功能定位由传统的“电量供应为主”逐步向“电量供应与灵活调节并重”转变，水电机组的启停频次将显著增多。作为水电站引水发电系统的核心结构，蜗壳组合结构受到大频次、高幅值循环荷载作用。仅按单机组日起动2次计，蜗壳组合结构在不到14年的时间内就会经历104次数量级的较高水平的应力循环，从而进入低周疲劳失效的循环次数区间。

2、针对这一问题，目前一般采用现场原型测试结合有限元数值模拟的手段进行流道结构的疲劳寿命预测。研究表明，结构应力循环荷载的输入将直接影响其疲劳寿命的预测结果。现有的钢蜗壳疲劳寿命预测及设计方法主要存在以下问题：

3、(1)采用常幅值循环荷载进行疲劳计算。该算法未能反映钢蜗壳在不同运行状态下的实际应力循环情况，从而影响钢蜗壳疲劳寿命的预测精度。

4、(2)基于某一特定运行状态下的钢蜗壳应力进行线性插值，在此基础上进行疲劳计算。该算法基于线性插值，考虑不同运行工况对钢蜗壳应力水平的影响过于简化。但蜗壳组合结构的实际受力状况非常复杂，内水压力-钢蜗壳应力并非简单的线性关系。采用线性插值描述钢蜗壳应力会导致疲劳计算结果与实际情况产生较大差异。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本技术提供一种用于钢蜗壳疲劳设计的应力插值方法，通过融合监测、检测、仿真多源信息，并在此基础上进行统计分析，实现运行内水压力-钢蜗壳应力的准确插值，能够解决钢蜗壳疲劳计算应力循环荷载输入难题，提升钢蜗壳疲劳寿命预测及抗疲劳设计的准确性和科学性。

2、本技术是这样实现的：

3、第一方面，本技术提供一种用于钢蜗壳疲劳设计的应力插值方法，包括：s1：钢蜗壳网格化划分：对钢蜗壳进行网格化划分得到钢蜗壳网格，将钢蜗壳网格的所有网格节点依次编号为1-n；s2：监测信息采集及初步处理：获取钢蜗壳的时序监测数据，所述时序监测数据包括监测点缝隙值及钢板应力，对时序监测数据进行粗差识别及剔除得到监测结果，再根据电站运行情况及环境量监测数据，建立监测点运行内水压力-钢蜗壳应力的对应关系；s3：物探检测及监测信息增补：对钢蜗壳进行钢蜗壳脱空检测，针对监测点区域进行物探检测得到第一检测信息，将第一检测信息与监测结果进行对比验证以得到有效第一检测信息；选择一定的密度，在无监测点区域进行物探检测得到第二检测信息，并将第二检测信息增补为该区域的钢蜗壳脱空信息；s4：仿真反演及多源数据融合：建立与钢蜗壳网格一致的数值仿真模型，根据检测结果、有效第一检测信息和第二检测信息，采用反演分析法，结合监测点运行内水压力-钢蜗壳应力的对应关系，得到不同运行内水压力下钢蜗壳所有网格节点的应力信息；s5：数据整理及统计分析：根据不同运行内水压力下钢蜗壳所有网格节点的应力信息，对钢蜗壳任一网格节点n，可得如下应力计算式：

4、式中，σn(0)为钢蜗壳放空即内水压力为0时钢蜗壳节点n处的应力；σn(p)为内水压力为p时钢蜗壳节点n处的应力；kn1、kn2及kn3为钢蜗壳节点n处分段线性应力变化的斜率；pna及pnb为钢蜗壳节点n处分段线性应力变化拐点时的内水压力。

5、基于第一方面，进一步地，所述对钢蜗壳进行网格化划分得到钢蜗壳网格的具体步骤包括：根据钢蜗壳结构特征、监测点布置及检测分区，将钢蜗壳进行网格化划分得到钢蜗壳网格。

6、基于第一方面，进一步地，所述钢蜗壳网格的单个网格尺寸均位于0.1m-0.5m之间。

7、基于第一方面，进一步地，所述获取钢蜗壳的时序监测数据的具体步骤包括：

8、利用测缝计及钢板计获取钢蜗壳的时序监测数据。

9、基于第一方面，进一步地，所述将第一检测信息与监测结果进行对比验证以得到有效的第一检测信息的具体步骤包括：将第一检测信息与监测结果进行交叉比对，若二者一致，则标记为有效第一检测信息，若二者不一致，则标记为有误第一检测信息，并对该点位的监测结果进行有效性分析，进行物探检测复测。

10、基于第一方面，进一步地，钢蜗壳不同网格节点处的kn1、kn2、kn3、pna及pnb不固定。

11、第二方面，本技术提供一种用于钢蜗壳疲劳设计的应力插值系统，包括：钢蜗壳网格化划分模块，其被配置为：对钢蜗壳进行网格化划分得到钢蜗壳网格，将钢蜗壳网格的所有网格节点依次编号为1-n；

12、监测信息采集及初步处理模块，其被配置为：获取钢蜗壳的时序监测数据，所述时序监测数据包括监测点缝隙值及钢板应力，对时序监测数据进行粗差识别及剔除得到监测结果，再根据电站运行情况及环境量监测数据，建立监测点运行内水压力-钢蜗壳应力的对应关系；

13、物探检测及监测信息增补模块，其被配置为：对钢蜗壳进行钢蜗壳脱空检测，针对监测点区域进行物探检测得到第一检测信息，将第一检测信息与监测结果进行对比验证以得到有效第一检测信息；选择一定的密度，在无监测点区域进行物探检测得到第二检测信息，并将第二检测信息增补为该区域的钢蜗壳脱空信息；

14、仿真反演及多源数据融合模块，其被配置为：建立与钢蜗壳网格一致的数值仿真模型，根据检测结果、有效第一检测信息和第二检测信息，采用反演分析法，结合监测点运行内水压力-钢蜗壳应力的对应关系，得到不同运行内水压力下钢蜗壳所有网格节点的应力信息；

15、数据整理及统计分析模块，其被配置为：根据不同运行内水压力下钢蜗壳所有网格节点的应力信息，对钢蜗壳任一网格节点n，可得如下应力计算式：式中，σn(0)为钢蜗壳放空即内水压力为0时钢蜗壳节点n处的应力；σn(p)为内水压力为p时钢蜗壳节点n处的应力；kn1、kn2及kn3为钢蜗壳节点n处分段线性应力变化的斜率；pna及pnb为钢蜗壳节点n处分段线性应力变化拐点时的内水压力。

16、第三方面，本技术提供一种电子设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器和数据总线；其中：所述处理器与所述存储器通过所述数据总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令以执行所述的方法。

17、第四方面，本技术提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机程序，所述计算机程序使所述计算机执行所述的方法。

18、相对于现有技术，本技术至少具有如下优点或有益效果：

19、其一，本发明提出的面向疲劳设计的钢蜗壳应力插值方法融合了监测、检测及仿真信息，扩展了信息源，解决了钢蜗壳应力监测信息少和仿真信息可靠性判定困难的问题。

20、其二，本发明在进行钢蜗壳应力插值时，考虑了钢蜗壳单独-联合承载状态变化及混凝土开裂对钢蜗壳应力值的影响，更加符合钢蜗壳承载过程的变化特征。

21、其三，本发明考虑了钢蜗壳-混凝土初始缝隙局部提前及滞后闭合现象的影响，实现了钢蜗壳不同区域网格节点的异步应力插值，更加符合钢蜗壳自身的受力特征。

技术特征：

1.一种用于钢蜗壳疲劳设计的应力插值方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种用于钢蜗壳疲劳设计的应力插值方法，其特征在于，所述对钢蜗壳进行网格化划分得到钢蜗壳网格的具体步骤包括：根据钢蜗壳结构特征、监测点布置及检测分区，将钢蜗壳进行网格化划分得到钢蜗壳网格。

3.根据权利要求2所述的一种用于钢蜗壳疲劳设计的应力插值方法，其特征在于，所述钢蜗壳网格的单个网格尺寸均位于0.1m-0.5m之间。

4.根据权利要求1所述的一种用于钢蜗壳疲劳设计的应力插值方法，其特征在于，所述获取钢蜗壳的时序监测数据的具体步骤包括：

5.根据权利要求1所述的一种用于钢蜗壳疲劳设计的应力插值方法，其特征在于，所述将第一检测信息与监测结果进行对比验证以得到有效的第一检测信息的具体步骤包括：

6.根据权利要求1所述的一种用于钢蜗壳疲劳设计的应力插值方法，其特征在于，钢蜗壳不同网格节点处的kn1、kn2、kn3、pna及pnb不固定。

7.一种用于钢蜗壳疲劳设计的应力插值系统，其特征在于，包括：

8.一种电子设备，其特征在于，包括：

9.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机程序，所述计算机程序使所述计算机执行如权利要求1至6任一所述的方法。

技术总结
本申请提出了一种用于钢蜗壳疲劳设计的应力插值方法和系统，涉及钢蜗壳疲劳寿命预测领域。该方法包括：钢蜗壳网格化划分，监测信息采集及初步处理，物探检测及监测信息增补，仿真反演及多源数据融合和数据整理及统计分析；该系统包括：钢蜗壳网格化划分模块、监测信息采集及初步处理模块、物探检测及监测信息增补模块、仿真反演及多源数据融合模块和数据整理及统计分析模块。通过这样的设置，融合了监测、检测及仿真信息，扩展了信息源，解决了钢蜗壳应力监测信息少和仿真信息可靠性判定困难的问题。考虑了钢蜗壳单独‑联合承载状态变化及混凝土开裂对钢蜗壳应力值的影响，更加符合钢蜗壳承载过程的变化特征。

技术研发人员：高晓峰,张启灵,甘孝清,胡蕾,胡超,位需贝,洪力旸,张继楷,牛广利,曾绍茹,方豪文,陈丽,杨胜梅
受保护的技术使用者：长江水利委员会长江科学院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23