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1 焊接疲勞背景

焊接連接是工業領域上非常常見的結構連接形式，在結構設計中具有十分重要的地位。焊接接頭通常幾何特征非常復雜、含缺陷（如夾雜）、存在殘余應力、存在熱影響區等，這使得焊接接頭處存在高度應力集中，應力在尖銳缺口處奇異，因此傳統的應力疲勞分析無法應用于焊縫疲勞分析。

常用的焊縫疲勞分析主要有如下四類方法：1）名義應力法，2）熱點應力法，3）峰值應力法，4）結構應力法。其中結構應力法關于有限元網格的不敏感性，在工程應用上具有獨特的優勢。該方法的核心是將節點力及力矩轉換成沿著焊趾的線力及線力矩，繼而分解出焊趾位置表面膜應力和彎曲應力，基于彎曲應力比插值焊縫S-N曲線，獲得相應的疲勞結果。

2 焊接疲勞分析案例

通常焊接結構疲勞分析有兩種有限元建模方式：殼建模和實體建模。其中殼建模網格數量少，計算規模小，在工程上得到了大量應用。

接下來，我們通過一個案例具體了解焊縫疲勞的仿真過程。案例采用殼單元對某箱梁圓管焊接組合件進行建模，結合Ansys Mechanical及Ansys nCode DesignLife軟件，采用殼單元結構應力法，對焊縫進行疲勞評估。并且利用Ansys nCode DesignLife高級功能，同時評估母材的應力疲勞。

2.1 靜力學分析

某箱梁圓管焊接組合件見圖1，箱梁翼緣和腹板、箱梁和圓管焊縫連接處均采用外側單邊角焊縫。焊縫高度均為5mm。

圖1 焊接組合件示意圖

對于焊接組件的有限元分析，可按下面步驟進行：

       1）在SpaceClaim中按實際結構中面位置進行殼體布置；

       2）進入Static Structure模塊，進行網格劃分，建立焊縫，分別設置為單邊連續型，進行網格劃分后生成的焊縫殼體厚度賦為焊縫高度的√2/2倍，焊接結構網格模型如圖2所示；

       3）對焊縫及母材進行命名分組，以便在nCode中得以識別；

       4）由于在nCode中需采用結構應力法進行分析，在Analysis setting中打開節點力開關，添加載荷和邊界條件，如圖3所示，提交求解計算。

圖2 焊縫及母材殼網格示意

圖3 載荷和邊界條件施加（其中Fx=100N，Fy=100N）

2.2 疲勞分析

完成有限元分析后，建立如圖4所示流程。

圖4 Workbench仿真流程搭建

對于焊接組件的疲勞分析，可按下面步驟進行：

       1）進入nCode，同時建立針對焊材的焊縫疲勞分析及針對母材的應力疲勞分析流程，如圖5所示；

       2）顯示FEinput，以Element Set方式顯示母材、焊材，如圖6所示；

       3）進入應力疲勞求解器，設置如下：

       a)進入高級編輯>AnalysisGroup，通過ElementSet識別有限元模型中母材部位，并對母材單獨進行應力疲勞分析，如圖7所示；

       b) 有限元結果取單元 (element)結果；

       c) 載荷譜設置為恒幅加載，Max factor=50, Min factor=0，即有平均應力效應；

       d) 母材SN疲勞曲線選取Steel_UML_UTS500。

       4）在應力疲勞求解器中，設置組合方式AbsMaxPrincipal，平均應力修正方式為Gerber，多軸評估為None。

       5）進入焊縫疲勞求解器，設置如下：

       a) 進入高級編輯>Welds_Fillets，通過ElementSet搜索關鍵字weld*識別有限元模型中焊材部位，并對焊材單獨進行焊縫疲勞分析，如圖8所示；

      b) 設置有限元結果提取方式為ForceMoment，即采用結構應力法評估；

      c) 載荷譜設置為恒幅加載，Max factor=50, Min factor=0，即有平均應力效應；

      d) 焊縫SN疲勞曲線選取Seam_Steel，如圖9所示。

      6）在焊縫疲勞求解器中，設置組合方式AbsMaxPrincipal，平均應力修正方式為FKM，多軸評估為None，打開厚度修正效應。

      7）至此，完成所有設置，點擊run，進行疲勞求解。

圖5 焊縫疲勞及應力疲勞流程搭建示意

圖6 通過ElementSet顯示有限元模型分組

圖7 母材分組識別

圖8 焊材分組識別

圖9 焊材疲勞S-N曲線

2.3 疲勞結果

通過結果后處理，得到母材及焊材的壽命云圖，如圖10，11所示。由結果來看，母材最短壽命為153600次，焊材最短壽命為67650次，兩者疲勞熱點均出現在6708號單元，即焊趾位置。因此，需采用焊材的疲勞壽命結果進行評定，即結構最小壽命為67650次。

圖10 結構件母材壽命云圖

圖11 結構件焊縫壽命云圖

3 小結

實際工程中，焊接結構既有大量焊縫疲勞問題，又有母材應力疲勞問題，因此有必要通過CAE工具快速評估具有復雜疲勞問題焊接結構的安全性。在Ansys Workbench平臺上結合Ansys Mechanical及Ansys nCode DesignLife軟件能夠對焊接結構方便快速地進行疲勞分析。通過疲勞仿真，我們可以深刻挖掘背后的物理內涵，減少對疲勞測試的依賴，以提升研發核心競爭力。

下面附上本文案例的操作視頻。

3-焊接結構疲勞分析操作視頻.wmv

本文作者：陳科夫，上海安世亞太結構高級應用工程師。

上海交通大學固體力學專業碩士，十余年CAE行業應用技術經驗。有著豐富的CAE及工程實戰經驗，擅長解決鋼結構、通用機械等領域仿真技術難點，在結構非線性、動力學、疲勞斷裂、復合材料等專項技術上有著豐富的使用經驗及行業應用經驗。