作者 | 付穌昇 安世中德結構仿真咨詢專家 

首發 | 仿真秀（ID:fangzhenxiu2018）

引言：ANSYS nCode DesigenLife具有強大的焊縫疲勞分析能力，由于分析過程的復雜性， ANSYS Workbench工作平臺預定義7類nCode DesignLife疲勞分析模塊并不包括對于焊縫疲勞的相關分析，需要間接完成。

ANSYS nCode DesigenLife焊縫疲勞分析能夠對薄壁結構進行，同時也能夠基于非薄壁結構進行實體焊縫疲勞模擬，如圖1所示。

實體焊縫疲勞分析，基于結構應力法，對于實體網格建立的焊縫分析具有相當的普適性，相對于熱點應力法，無需對網格進行強制控制。

限于篇幅，本文僅對實體焊縫疲勞分析一般流程進行概述。

①　基于“DesignLife theory”對實體焊縫疲勞分析方法進行概述；

②　基于ANSYS Mechanical創建有限元求解；

③　基于nCode Weldline創建實體焊縫信息；

④　基于ANSYS nCode DesignLife進行實體焊縫疲勞求解引擎求解。

圖1

一、實體焊縫模型創建準則

1、ANSYS nCode DesignLife實體焊縫分析方法

ANSYS nCode DesignLife實體焊縫分析理論中對于實體焊縫評估采用結構應力法，與熱點應力法（距離焊趾表面一定距離的兩點或三點，進行線性或二次插值計算來確定焊趾處的熱點應力值，如圖2所示）相比較，結構應力法對于網格無需特殊考慮，對網格敏感程度相對較低。

圖二

結構應力法滿足平衡條件并可以采用結構力學的方法進行計算，結構應力是膜應力和彎曲應力之和。結構應力法需要用戶自定義“Stress Classification Lines (SCL)”應力等級線去確定膜應力和彎曲應力。

如圖3所示，x軸代表SCL的路徑。軸1和軸2定義的平面包含用于求解的應力分量。模型中應力首先傳遞給局部坐標系，應力分量而后沿著SCL進行積分。

圖3

膜應力積分方程如下：

彎曲應力積分方程如下：

2、實體焊縫求解引擎特殊配置

ANSYS nCode DesignLife進行實體焊縫疲勞分析，需要對焊縫疲勞求解引擎高級編輯“Advanced edit”配置選項設置焊縫類型“SeamWeldType=SolidWeld”。

當焊縫類型配置定義為實體焊縫，“FE Import group”配置選項將額外出現3個屬性選項，如圖4所示。

圖4

(1)  WeldDefinitionFilename

XML文件格式，用于定義焊縫位置和方向，可以在ANSYS Workbench平臺下通過ANSYS Mechanical環境下工具“nCode Weldline”定義獲得。

(2)  MaxWeldDepth

用于確定“Stress Classification Lines (SCL)”應力等級線的結束點位置，可以是零件另一側或零件內部位置。通過ANSYS Mechanical環境下，借助“nCode Weldline”定義，定義后的信息可以在“FE Import group”中進行修改。

(3)  NumWeldLayers

起始點和終點路徑上，創建一系列的層，應力在每層的中心進行提取，如圖5所示

圖5

3、Stress Classification Lines (SCL)文件定義與應力提取

(1)  SCL文件信息內容應該包括

①   起始位置；

②   SCL方向矢量；

③   垂直于SCL方向矢量；

④   可選焊縫深度長度。

(2)  SCL參照坐標系定義

①　Vn被定義為一個單位矢量，與SCL路徑相反方向，如圖6所示。

②　Vt被定義為垂直于Vn的一個單位矢量，垂直于焊趾。

③　Ve被定義為一個單位矢量，同時垂直于Vn和Vt。

圖6 

(3)  SCL確定與應力提取過程

第1步：確定模型SCL起始位置

沿著矢量Vn投影焊縫的起始位置在模型的表面；表面的選擇臨近起始位置并具有合理面法相，面法相與Vn的角度需要小于90°。

第2步：確定SCL另一端位置

在“FE Import group”中進行“MaxWeldDepth”配置，SCL結束端位置取決于“MaxWeldDepth”，以確定落在零件外部或者內部，焊縫定義文件能夠重寫“FE Import group”定義的“MaxWeldDepth”。

第3步：建立開始點和終止點之間層

根據開始點和終止點，建立一系列的層，如圖5所示。層的數量由“FE Import group”中“NumWeldLayers”屬性進行指定。

應力提取在每層的中間進行，位置按照如下公式給出：

其中：

X_i 是第i 層的中心位置；

第4步：對每一個應力提取點提取應力

① 定義提取點位置的單元。

② 通過插值單元節點應力，計算在這個點的應力張量。

③ 轉換應力張量到由Vt，Ve，Vn定義的參考坐標系。

④ 求解膜應力和彎曲應力分量。

①膜應力分量

②彎曲應力分量

③膜應力和彎曲應力組合

Top面的應力：

Bottom面的應力：

二、nCodeWeldline實體焊縫定義

圖7 

“nCodeWeldline”基于ANSYS Mechanical求解環境，定義實體焊縫SCL文件如圖7所示。

1、 “Edges for weld locations”用于指定一條或者多條邊以定義焊縫位置。

2、“Surfaces to define normals”用于定義法相（選擇的面和邊需要相鄰）。

3、 “WeldLine Name”定義焊縫表達線名稱。在焊縫疲勞分析的配置文件中焊縫表達線的命名需要彼此不同，多次插入即可。

4、 “Existing Weldline file selected”有兩個選項，Overwrite和Append，前者改寫，后者進行附加補充。例如對第二條焊縫就需要采用Append進行補充信息錄入。

5、 “File Path”配置文件存放的路徑，nCode DesignLife中需要對配置文件進行指定。

6、 “Weld Definition Type”包括兩種形式。

a)   Number of Welds控制焊縫創建的焊縫路徑上的評估點的數量。

b)   Weld Pitch定義焊縫創建線評估點的空間間距。

7、  “Use Local Max Weld Depth”用于確定是否需要指定焊縫“Max Weld Depth”深度尺寸。

8、 “Reverse” 用于確定Top和Bottom面。

三、ANSYS nCode DesignLife實體焊縫疲勞分析流程

1、搭建有限元分析基本流程

根據疲勞載荷工況，搭建靜力學分析項目，例如圖8中搭建兩個載荷工況，值得注意的是，nCode DesignLife求解計算需要網格信息的一致性。

圖8

靜力學分析結果如圖9所示，注意這個等效應力結果不能作為焊縫靜力學評價標準（僅能作為疲勞分析中應力分布趨勢觀測使用）。

圖9

2、定義焊縫SCL文件

依據第2節說明進行焊縫文件的定義，注意在焊縫疲勞分析的配置文件中焊縫表達線的命名需要彼此不同。多條焊縫下“Existing Weldline file selected”需要選擇“Append”。鼠標右鍵點選“Evaluate All Results”生成焊縫信息到指定存放路徑，如圖10所示。

圖10

3、實體焊縫疲勞分析概述

圖11

ANSYS Workbench平臺并沒有直接的nCode DesignLife焊縫疲勞預定義分析模塊，但可以間接更改疲勞求解引擎進行求解，且采用ANSYS Workbench數據管理系統便于管理。

例如按照圖11所示引入A6和B6單元格求解信息進入C3單元格，修改項目名稱為【nCode SN Solidseam(DesignLife)】，方便識別工程分析內容。

ANSYS nCode DesignLife分析環境替換預定義求解引擎為焊縫疲勞引擎“Seam weld CAE Fatigue”，并完成輸入和輸出通道之間連接，如圖11所示。

nCode DesignLife疲勞計算一般需要考慮如下諸多環節：

A、有限元載荷輸入

注意求解引擎高級編輯“Advanced Edit”中“FEResultsImport? Welds_Fillet”下的子項“WeldDefinitionFilename”要配置ANSYS Mechanical建立的“nCode Weldline”文件存儲路徑。

B、疲勞載荷配置

ANSYS nCode DesignLife支持的多種載荷類型，如圖12所示。

圖12 

例如，時序載荷應力時間歷程考慮材料比例因子和應力偏移在總體比例系數的公式應按如下定義：

“Hybrid”與 “Duty Cycle”較為類似，區別在于“Hybrid”對載荷子項僅考慮疊加，而“Duty Cycle Load Provider”對子項考慮事件順序過程，能夠通過“Event Processing”項處理和修正，如圖13所示。

① 獨立Independent：事件損傷是獨立計算，總損傷是獨立計算加和。

② 快速合并Combined Fast：計算速度更快，考慮事件殘差循環，更精確。

③ 完全合并Combined Full：考慮全部事件和全部循環。

圖13 

C、疲勞材料賦予

材料配置行為需要修改“Material Type=Seam Weld”，并對各焊縫“Weld Toe Material、Weld Root Material、Weld Throat Material”進行對應材料分配，如圖14所示。

圖14 

D、實體焊縫求解引擎設置

(1)  可以選擇none或者標準SN方法。

(2)  應力組合方法考慮采用AbsMaxPrincipal, CriticalPlane或者WeldNormal（僅當WeldResultsLocation=MidElementEdge）。

(3)  能夠考慮德國機械工程學會標準FKM進行平均應力修正，通過M1到M4的4個系數，定義4個區域內平均應力敏感程度，如圖15所示。

4個區域：

①   R>1

②   –infinity <= R < 0

③   0 <= R < 0.5

④   0.5 <= R < 1

M1到M4參數估算方法：M1到M4參數估算方法來自于材料測試或者公式估計，采用公式估算具體如下：

圖15 

(4)  多軸評估提供如下3個子選項：

① None：不進行任何多軸評估。

② SimpleBiaxiality：采用簡單雙軸評估。

③ Standard：處理多軸和非比例局部載荷問題更加穩健。

實體焊縫求解引擎配置選項，例如存活率等不再進行說明，其他特殊配置參閱前文說明。最后求解引擎的設置類似圖16所示。

圖16 

E、提交求解

提交求解后，“The Run Number, Analysis Number, 及 Entity Number”將會實時顯示更新。

“FEDisplay1”自動更新求解結果，最大化結果顯示。點選“Fatigue_Results_Display”功能圖標Glyph，右鍵彈出快捷方式，選擇“屬性”一欄。修改結果類型“Result Type=Life”，點選確定觀察云圖修改結果同時顯示熱點列表和關注的熱點編號，結果如圖17所示。

圖17 

四、寫在文后

本文首先對實體焊縫疲勞分析基于結構應力法進行原理說明，其次對nCodeWeldline定義SCL焊縫信息文件進行描述，給出ANSYS Mechanical進行強度分析流程，并聯合ANSYS nCode DesignLife在實體焊縫疲勞分析求解部分配置進行簡要說明。以期許能夠對實體焊縫疲勞的應用起到一點提示作用。限于筆者水平，錯誤在所難免，還請指正。

作者：付穌昇，男，安世中德結構仿真咨詢專家，中國機械工程學會機械工程師（認證），仿真秀科普作者，目前主要從事大型機械結構的強度、疲勞、復合材料、動力學以及優化等有限元計算工作，編著出版《ANSYS Workbench17.0數值模擬與實例精解》一書。