ANSYS nCode DesigenLife焊縫疲勞分析最初用于汽車行業薄板結構(1-3 mm) 的焊接分析模擬，采用薄殼搭建有限元模型，相關工業應用也都針對于此類結構進行。ANSYS nCode DesigenLife焊縫疲勞分析采用結構應力法進行計算，具有好的網格不敏感性，目前該方法也適用于以實體建模的焊縫疲勞分析。

限于篇幅本文僅針對角焊縫（殼體）焊縫單元創建和計算的準則基于ANSYS nCode Theory手冊進行編寫，關于搭接焊縫、激光焊等請參考相關文獻資料。

兩名筆者水平極為有限，錯誤必然較多，另原稿成稿較早且截取原稿部分并非完整，某種程度未能緊跟相關技術發展，因此嚴禁直接應用于企業項目的產品分析以免造成重大事故和傷害。另外本文建立的焊縫有限元模型不能作為評估焊縫極限強度的方法進行使用。

一、殼體焊縫有限元建模通用原則

不同類型的焊縫形式具有不同的分析方式，需要根據焊縫種類進行分組，每一個有限元輸入分組應對應疲勞引擎中對應的有限元焊縫類型，并設置一個合理的參數數值。

對于以薄殼單元建立焊縫有限元建模具有一定的通用準則：

① 網格應以4節點四邊形單元為主，表達金屬薄板的中面。

② 以單排或雙排殼單元進行焊縫建模表達。

③ 焊縫網格規整，尺寸以5mm為最好，規避三角形網格出現。

④ 疲勞分析焊縫單元需設置特殊焊接屬性。

⑤ 焊縫單元法向保證設置法向朝外。

⑥ 毗鄰焊縫的單元的非平均化節點應力被提取作為焊趾和焊根疲勞計算評估使用，該應力也可以是平均化的或在單元邊長的中點處進行計算，通過在“ANSYS Group Properties”中設置“WeldLocation = MidElementEdge”進行考慮。

⑦ 當考慮焊喉進行計算，采用焊縫單元中心位置應力進行，焊喉部分疲勞壽命計算，基于焊縫單元“兩條焊線”計算，后平均到中心位置。節點力方法需要采用線性單元。

二、角焊縫有限元單元構建 

圖1 

角焊縫以給定角度連接薄板結構，如圖1中A圖所示焊接結構失效位置在焊趾或者焊根，這是疲勞損傷將要評估的區域（nCode軟件對于焊喉區域評估是一個測試功能，并不推薦計算）。

角焊縫的單元創建可以采用單與雙單元兩種形式：

1、角焊縫的截面采用單傾斜單元創建

① 焊縫單元的法向應指向施焊人員，如圖1中B圖所示。

② 焊縫單元節點，在表達焊趾的直線上。

③ Lw長度應由實際焊趾尺寸確定，推薦值為：

Lw=t1+t2

④ 焊縫單元厚度應能表達焊喉厚度，推薦值為：

2、角焊縫的截面采用兩組單元創建

如圖1中C圖所示，確定焊接單元法相定義。

焊縫單元厚度推薦為：

亦或定義為：

三、角焊縫計算要點和應力提取

在ANSYS nCode DesignLife中通過高級編輯“Advanced edit”進行焊縫求解中的“EntityDataType”、“WeldResultLocation”、“ WeldEndElements”的配置。

求解引擎屬性中“EntityDataType”控制采用的數據類型，如圖2所示。

①   Stress：直接采用應力作為疲勞評估計算。

②   ForceMoment：采用節點力和力矩提取疲勞計算的應力。

③   Displacement：采用位移量提取進行疲勞計算的應力。

WeldResultLocation=NodeOnElement/MidElementEdge考慮基于單元節點或者單元邊長的中間點進行評估，如圖3所示。

WeldEndElements用于在分析中考慮焊線端部單元。

圖2  

圖3  

限于篇幅以下僅針對基于“EntityDataType=ForceMoment”進行節點力和力矩進行應力計算要點的說明，其他方法可以參閱相關技術文檔。

“EntityDataType=ForceMoment”進行節點力和力矩提取要點：

① 垂直于焊接邊的正應力被提?。╓eld Top面），平行的正應力和剪應力不進行計算。

② 對于焊趾和焊根單元的應力提取，是毗鄰焊縫單元的邊的中間點的均值應力，方向垂直于該邊。

③  焊喉單元應力提取的是焊喉單元兩條邊的均值。

④ 參與計算的焊趾單元是與焊喉單元共享節點的且位于焊線前部的那些殼體單元。 

圖4 

⑤ 如圖4所示焊線兩端端部單元作為“Optional elements”選擇單元，是否進行選擇計算是根據配置文件中“FE Import Analysis Group→WeldEndElements”進行定義的。如果WeldEndElements設置為“應力或采用位移形式”，在分析中將考慮焊線端部單元，疲勞計算將在這些單元中進行，除非“WeldResultLocation設置為MidElementEdge”

⑥ 如果“WeldResultLocation = MidElementEdge”，同時WeldEndElements設置為“節點力”，焊線兩端部的單元中將不進行疲勞計算，但是這些單元的節點力對于應力計算是有貢獻的，因此推薦排除這些單元進行計算，在分析組屬性中設置“WeldEndElements=Exclude”。

圖5  

ANSYS nCode DesignLife利用節點力和力矩提取應力進行焊縫疲勞計算，獲得全局坐標系每一個單元節點上的力 和力矩 。如圖5所示藍色單元表達的是焊接單元，綠色單元表達的焊趾單元。焊趾單元的應力計算考慮如下，例如以圖中單元6為例，結構應力計算之前，需要確定沿著焊趾單位長度的力和力矩。定義力和力矩作為矢量，單元6上節點7的節點力和力矩按照如下進行表達：

結構應力求解過程按照如下進行：

① 定義焊趾單元和面

② 定義局部坐標系，局部坐標系的x軸法相于單元的邊，z軸是單元6的7、8節點的平均法相，相對于焊趾面方向朝上。

③ 計算線力和力矩

線力f和力矩m，是沿著焊趾單位長度的力和力矩。

平均化上面計算的線力和力矩賦予給單元6焊趾邊的中間位置。

④ 在局部坐標系進行求解轉換

⑤ 計算垂直于焊趾的應力

垂直于焊趾的應力由膜應力和彎曲應力組成，其中t是焊趾單元的厚度，計算如下：

⑥ 寫結果進入文件提交求解

圖6是兩個計算算例的計算結果，計算過程與一般的應力、應變疲勞計算流程相同，注意材料選擇過程對于焊趾、焊根、焊喉材料的添加過程，其他具體操作略。

圖6

寫在文后:

本文僅針對角焊縫（殼體）焊縫單元創建和計算的準則基于ANSYS nCode Theory手冊進行編寫。水平有限，錯誤較多，另外原文成稿較早，截取原文部分并非完整，請嚴禁直接應用于企業項目的產品分析以免造成重大事故和傷害。

另外，本例建立的有限元模型不能作為評估焊縫極限強度計算的數據進行使用。

最后感謝我的好友左平對我的一貫幫助和支持。

---

來源：仿真秀 

作者：付穌昇 左平 

左平 男，目前任職于RMG Steel，負責項目/技術等工作 ，擅長CAE結構強度仿真計算以及基于規范進行的結構疲勞分析評估。

付穌昇 男，目前工作于安世中德咨詢有限公司，中國機械工程學會機械工程師資格（認證），主要負責結構強度、疲勞、動力學、復合材料、高級非線性、輕量化設計、尺寸優化等相關設計與仿真工作。曾編寫出版《ANSYS Workbench17.0數值仿真教程》一本。