焊接結(jié)構(gòu)疲勞評估的案例
基于Battlle結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的Fe-safe(Verity)焊接結(jié)構(gòu)疲勞評估案例 ￥350
這是Battlle結(jié)構(gòu)應(yīng)力法Fe-safe(Verity)焊接結(jié)構(gòu)疲勞評估的一個成功案例，附件中有理論基礎(chǔ)資料、國內(nèi)外相關(guān)論文、從ABAQUS計算動態(tài)應(yīng)力導入Fe-safe的方法。更多資料可討論交流分享。
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改進結(jié)構(gòu)焊縫疲勞壽命計算結(jié)果.jpg
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焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計過程中的認識誤區(qū)
焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計過程中的認識誤區(qū)
從結(jié)構(gòu)制造特點的角度看，由于焊接結(jié)構(gòu)具有連接性好、重量輕、易于加工、便于采用自動化生產(chǎn)等優(yōu)點，在長期承受靜態(tài)或動態(tài)載荷的復雜裝備領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，特別是焊接工藝技術(shù)的不斷推陳出新，更是顯著地提升了焊接結(jié)構(gòu)在這些產(chǎn)品中的應(yīng)用地位。但是焊接結(jié)構(gòu)還有不足的一面，即：承受動載荷的焊接接頭，由于其幾何不連續(xù)性而導致應(yīng)力集中，因而焊接結(jié)構(gòu)成了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)之一。
面對焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的問題，多少年來包括軌道車輛在內(nèi)的各個制造行業(yè)一直在努力治理，并取得了一定進展，確保了焊接結(jié)構(gòu)的服役安全，但目前依然存在一些認識上的誤區(qū)，如果我們能夠從這些這些認識誤區(qū)中盡快地走出來，效果將可能更加顯著。
誤區(qū)一：將金屬材料抗疲勞強度設(shè)計的理論與方法不加區(qū)分地用于焊接結(jié)構(gòu)
該認識誤區(qū)是理論層面的。以原鐵道部1996年頒布的《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》(TB/T 1335—1996)標準為例，在這個標準的“車輛主要零部件疲勞強度評估方法”一節(jié)中，首先指出：“本方法是鐵道車輛主要承載零部件或構(gòu)件的疲勞分析指南，適用于各型鐵道車輛主要承載零部件的疲勞評估”，可見該標準的內(nèi)容并不區(qū)分被評估的對象是否為焊接結(jié)構(gòu)。在該書的后面也將提到，焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計的理論與方法與金屬材料疲勞強度設(shè)計的理論與方法的不同，其原因是它們的疲勞破壞機理是有明顯區(qū)別的，因此二者不可互相替代。在定義疲勞壽命時，該標準認為疲勞壽命是“構(gòu)件疲勞裂紋萌生壽命與裂紋擴展壽命之和”，然而在焊接結(jié)構(gòu)的疲勞開裂過程中裂紋萌生對疲勞壽命的貢獻是可以忽略的。
展開 焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度理論
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焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度理論
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焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的原因
焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的原因主要有以下幾個方面：①客觀上講，焊接接頭的靜載承受能力一般并不低于母材；而承受交變動載荷時，其承受能力卻遠低于母材，而且與焊接接頭類型和焊接結(jié)構(gòu)形式有密切的關(guān)系。這是引起一些結(jié)構(gòu)因焊接接頭的疲勞而過早失效的一個主要的因素；②早期的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計以靜載強度設(shè)計為主，沒有考慮抗疲勞設(shè)計，或者是焊接結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計規(guī)范并不完善，以至于出現(xiàn)了許多現(xiàn)在看來設(shè)計不合理的焊接接頭；③工程設(shè)計技術(shù)人員對焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的特點了解不夠，所設(shè)計的焊接結(jié)構(gòu)往往照搬其它金屬結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計準則與結(jié)構(gòu)形式；④焊接結(jié)構(gòu)日益廣泛，而在設(shè)計和制造過程中人為盲目追求結(jié)構(gòu)的低成本、輕量化，導致焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計載荷越來越大；⑤焊接結(jié)構(gòu)有往高速重載方向發(fā)展的趨勢，對焊接結(jié)構(gòu)承受動載能力的要求越來越高，而對焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度方面的科研水平相對滯后。
展開 焊接結(jié)構(gòu)疲勞分析案例解析
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1 焊接疲勞背景
焊接連接是工業(yè)領(lǐng)域上非常常見的結(jié)構(gòu)連接形式，在結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)力、存在熱影響區(qū)等，這使得焊接接頭處存在高度應(yīng)力集中，應(yīng)力在尖銳缺口處奇異，因此傳統(tǒng)的應(yīng)力疲勞分析無法應(yīng)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(yīng)力法，2）熱點應(yīng)力法，3）峰值應(yīng)力法，4）結(jié)構(gòu)應(yīng)力法。其中結(jié)構(gòu)應(yīng)力法關(guān)于有限元網(wǎng)格的不敏感性，在工程應(yīng)用上具有獨特的優(yōu)勢。該方法的核心是將節(jié)點力及力矩轉(zhuǎn)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(yīng)力和彎曲應(yīng)力，基于彎曲應(yīng)力比插值焊縫S-N曲線，獲得相應(yīng)的疲勞結(jié)果。
2 焊接疲勞分析案例
通常焊接結(jié)構(gòu)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(wǎng)格數(shù)量少，計算規(guī)模小，在工程上得到了大量應(yīng)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(jié)合Ansys Mechanical及Ansys nCode DesignLife軟件，采用殼單元結(jié)構(gòu)應(yīng)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(yīng)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(cè)單邊角焊縫。焊縫高度均為5mm。
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焊接連接是工業(yè)領(lǐng)域上非常常見的結(jié)構(gòu)連接形式，在結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)力、存在熱影響區(qū)等，這使得焊接接頭處存在高度應(yīng)力集中，應(yīng)力在尖銳缺口處奇異，因此傳統(tǒng)的應(yīng)力疲勞分析無法應(yīng)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(yīng)力法，2）熱點應(yīng)力法，3）峰值應(yīng)力法，4）結(jié)構(gòu)應(yīng)力法。其中結(jié)構(gòu)應(yīng)力法關(guān)于有限元網(wǎng)格的不敏感性，在工程應(yīng)用上具有獨特的優(yōu)勢。該方法的核心是將節(jié)點力及力矩轉(zhuǎn)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(yīng)力和彎曲應(yīng)力，基于彎曲應(yīng)力比插值焊縫S-N曲線，獲得相應(yīng)的疲勞結(jié)果。
焊接疲勞分析案例
通常焊接結(jié)構(gòu)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(wǎng)格數(shù)量少，計算規(guī)模小，在工程上得到了大量應(yīng)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(jié)合Ansys Mechanical及Ansys nCode DesignLife軟件，采用殼單元結(jié)構(gòu)應(yīng)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(yīng)力疲勞。
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(cè)單邊角焊縫。焊縫高度均為5mm。
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焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度分析方法
名義應(yīng)力法
對焊接接頭進行分級歸類，嚴格限定加載模式。但是，當遇到焊縫形狀復雜或受力復雜的焊接構(gòu)件時，則很難選擇恰當?shù)模?Ｎ曲線數(shù)據(jù)。
結(jié)構(gòu)應(yīng)力法（本文主要分析方法）
基于斷裂力學理論和大量焊接試驗數(shù)據(jù)。通過對上千個焊接接頭疲勞試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)：如果以等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍與疲勞壽命來繪制Ｓ-Ｎ曲線，所有疲勞試驗數(shù)據(jù)將落在一個窄帶中，近似于一條主Ｓ-Ｎ曲線，從而實現(xiàn)以一條主Ｓ-Ｎ曲線來評估焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。 這種方法可以較為精確地計算出空間任意走向的焊縫疲勞壽命，而且對網(wǎng)格不敏感，因此，該方法在大批專家嚴格論證后在2007年被納入ASME BPVC VIII-2的標準里。
展開 基于FKM規(guī)范對焊接構(gòu)件進行靜強度評估的流程
基本過程都是通過應(yīng)用有限元分析方法、工程計算方法和實驗檢測得到評估部位的交變應(yīng)力幅值或應(yīng)力譜，根據(jù)材料特性和結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)以及對平均應(yīng)力、幅值等的修正得到構(gòu)件局部疲勞強度極限，然后根據(jù)安全因子J_ges計算得到焊接件的疲勞強度利用率。若利用率小于1，則構(gòu)件在外載荷循環(huán)作用下被評估部位滿足疲勞強度要求，否則不滿足要求。
疲勞強度評估流程
下面將根據(jù)上述步驟介紹基于名義應(yīng)力法及局部應(yīng)力法進行焊縫疲勞強度評估的過程。
特征工作應(yīng)力
針對無限壽命和有限壽命計算，直接采用S-N曲線進行計算，應(yīng)力幅及平均應(yīng)力表示如下：
針對變幅疲勞壽命計算，需要根據(jù)應(yīng)力譜對S-N曲線進行修正，F(xiàn)KM中關(guān)于應(yīng)力譜的定義參見FKM規(guī)范（2012 6th版）2.13或者4.1.3章節(jié)。
對于無限壽命評估、有限壽命評估以及變幅疲勞強度評估，應(yīng)力隨時間的關(guān)系區(qū)分比例應(yīng)力，同步應(yīng)力及非比例應(yīng)力。
材料屬性修正
對于焊接構(gòu)件疲勞強度的決定性因素是具體的設(shè)計，取決于結(jié)構(gòu)細節(jié)、連接類型以及焊縫的設(shè)計。因此針對焊接構(gòu)件材料屬性部分沒有特定的參數(shù)。
展開 汽車高壓線束的加速試驗設(shè)計與疲勞壽命評估
為了量化估計汽車線束的疲勞壽命，則需設(shè)計量化的加速試驗方案，如前所述，重點考慮汽車線束的接插件和電線的失效，其對應(yīng)的失效機理分別為腐蝕磨損、材料疲勞和材料老化，根據(jù)各失效機理分別建立對應(yīng)的失效物理模型。
1）腐蝕磨損：采用粘著磨損模型
[
（1）式中：Q—接觸表面的黏著磨損量，cm3；
W—接觸面法向載荷，N；
σy—兩磨損面中較軟材料的屈服極限，Pa；
K—黏著磨損系數(shù)，cm/（N·m）；
L—磨損滑動的距離（m）、與移動速度v（m/s）和時間t（s）有關(guān)，L=vt。
2）材料疲勞：S-N曲線[4]lg（S）=A+Blg（N） （2）
式中：A、B—材料參數(shù)；S—應(yīng)力；
N—疲勞壽命（循環(huán)次數(shù)）。
3）材料老化：Arrhenius公式
[5] （3）式中：k—速率常數(shù)；R—摩爾氣體常量8.31 J/（mol·K）；T—熱力學溫度（K）；Ea—表觀活化能（J/mol）；A—指前因子（也稱頻率因子）。
主要針對電線的材料疲勞和材料老化失效機理量化設(shè)計加速方案。加速試驗方案主要通過失效物理模型得出如下四個方面信息：
①加速（失效）模型
②加速模型中的應(yīng)力載荷因素
③可施加應(yīng)力載荷的參考條件
④加速試驗量化參數(shù)的估計
關(guān)于加速模型即選取上述的失效物理模型，分別為材料疲勞的S-N曲線和材料老化的Arrhenius公式。加速模型中的應(yīng)力載荷因素是造成產(chǎn)品失效的根本原因，線束疲勞主要考慮線束長期進行彎折耐久運動產(chǎn)生的疲勞累計損傷，因此，線束疲勞的應(yīng)力因素應(yīng)為對線束造成疲勞累計的各影響因素之和。線束老化主要考慮溫度對線束的老化影響，因此，線束老化的應(yīng)力因素應(yīng)為溫度
關(guān)于應(yīng)力載荷的參考條件，即加速試驗的一個參照點，所謂的參照點是指產(chǎn)品在正常工作環(huán)境條件下的應(yīng)力載荷水平。
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汽車高壓線束的加速試驗設(shè)計與疲勞壽命評估
為了量化估計汽車線束的疲勞壽命，則需設(shè)計量化的加速試驗方案，如前所述，重點考慮汽車線束的接插件和電線的失效，其對應(yīng)的失效機理分別為腐蝕磨損、材料疲勞和材料老化，根據(jù)各失效機理分別建立對應(yīng)的失效物理模型。
1）腐蝕磨損：采用粘著磨損模型
[
（1）式中：Q—接觸表面的黏著磨損量，cm3；
W—接觸面法向載荷，N；
σy—兩磨損面中較軟材料的屈服極限，Pa；
K—黏著磨損系數(shù)，cm/（N·m）；
L—磨損滑動的距離（m）、與移動速度v（m/s）和時間t（s）有關(guān)，L=vt。
2）材料疲勞：S-N曲線[4]lg（S）=A+Blg（N） （2）
式中：A、B—材料參數(shù)；S—應(yīng)力；
N—疲勞壽命（循環(huán)次數(shù)）。
3）材料老化：Arrhenius公式
[5] （3）式中：k—速率常數(shù)；R—摩爾氣體常量8.31 J/（mol·K）；T—熱力學溫度（K）；Ea—表觀活化能（J/mol）；A—指前因子（也稱頻率因子）。
主要針對電線的材料疲勞和材料老化失效機理量化設(shè)計加速方案。加速試驗方案主要通過失效物理模型得出如下四個方面信息：
①加速（失效）模型
②加速模型中的應(yīng)力載荷因素
③可施加應(yīng)力載荷的參考條件
④加速試驗量化參數(shù)的估計
關(guān)于加速模型即選取上述的失效物理模型，分別為材料疲勞的S-N曲線和材料老化的Arrhenius公式。加速模型中的應(yīng)力載荷因素是造成產(chǎn)品失效的根本原因，線束疲勞主要考慮線束長期進行彎折耐久運動產(chǎn)生的疲勞累計損傷，因此，線束疲勞的應(yīng)力因素應(yīng)為對線束造成疲勞累計的各影響因素之和。
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為了量化估計汽車線束的疲勞壽命，則需設(shè)計量化的加速試驗方案，如前所述，重點考慮汽車線束的接插件和電線的失效，其對應(yīng)的失效機理分別為腐蝕磨損、材料疲勞和材料老化，根據(jù)各失效機理分別建立對應(yīng)的失效物理模型。
1）腐蝕磨損：采用粘著磨損模型
[
（1）式中：Q—接觸表面的黏著磨損量，cm3；
W—接觸面法向載荷，N；
σy—兩磨損面中較軟材料的屈服極限，Pa；
K—黏著磨損系數(shù)，cm/（N·m）；
L—磨損滑動的距離（m）、與移動速度v（m/s）和時間t（s）有關(guān)，L=vt。
2）材料疲勞：S-N曲線[4]lg（S）=A+Blg（N） （2）
式中：A、B—材料參數(shù)；S—應(yīng)力；
N—疲勞壽命（循環(huán)次數(shù)）。
3）材料老化：Arrhenius公式
[5] （3）式中：k—速率常數(shù)；R—摩爾氣體常量8.31 J/（mol·K）；T—熱力學溫度（K）；Ea—表觀活化能（J/mol）；A—指前因子（也稱頻率因子）。
主要針對電線的材料疲勞和材料老化失效機理量化設(shè)計加速方案。加速試驗方案主要通過失效物理模型得出如下四個方面信息：
①加速（失效）模型
②加速模型中的應(yīng)力載荷因素
③可施加應(yīng)力載荷的參考條件
④加速試驗量化參數(shù)的估計
關(guān)于加速模型即選取上述的失效物理模型，分別為材料疲勞的S-N曲線和材料老化的Arrhenius公式。加速模型中的應(yīng)力載荷因素是造成產(chǎn)品失效的根本原因，線束疲勞主要考慮線束長期進行彎折耐久運動產(chǎn)生的疲勞累計損傷，因此，線束疲勞的應(yīng)力因素應(yīng)為對線束造成疲勞累計的各影響因素之和。
展開 零基礎(chǔ)如何通過仿真評估血管支架疲勞壽命 ￥19
醫(yī)療器械對產(chǎn)品的安全和穩(wěn)定性要求非常嚴格，依據(jù)《YY/T 0663.2-2016血管支架》耐久性是一項最重要的需要嚴格評估的物理性能。但是通過測試驗證的周期非常耗時燒錢，疲勞測試需要累計振動3.8億次，一般至少也要耗時數(shù)月。如果在研發(fā)初期引入有限元方法對支架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化分析，可以減少不必要的疲勞測試大大降低研發(fā)投入縮短產(chǎn)品驗證的周期。另外在疲勞測試時也不可能對所有規(guī)格全部進行疲勞測試，依據(jù)《YY/T 0808-2010血管支架體外脈動耐久性標準測試方法》5.2和5.4要求，在規(guī)格選擇上需要充分說明選擇的依據(jù)，而有限元方法是一種非常高效的理論分析依據(jù)。
假如你只是一個普通的研發(fā)工程師而公司又沒有仿真工程師，你對材料力學、彈性力學、有限元等學科不甚了解，那么該如何完成上述工作呢？下面為你介紹整個血管支架的疲勞仿真流程，以及血管支架記憶合金的材料特性。
鎳鈦合金材料模型
用于評價疲勞壽命的Goodman曲線
stent.zip
1.軟件安裝
本項目使用ansys Workbench19.2完成，具體軟件包文件和安裝方法可以添加微信號Destiny_123D尋求獲得并免費安裝指導。
展開 CAE小記丨常用的機械疲勞壽命評估分析方法
但是機械系統(tǒng)的可靠性研究還很不成熟，況且用可靠性設(shè)計的方法也不能解決疲勞剩余壽命評估的問題。
G
概率斷裂力學
斷裂力學是基于確定性參數(shù)的估算方法。概率斷裂力學是將斷裂力學中裂紋尺寸、斷裂韌性、應(yīng)力強度因子、裂紋擴展速率等參數(shù)作為隨機變量，進行可靠性分析。這樣就提高了斷裂力學工程分析方法的可靠性。但該種方法存在一定的缺陷：
一是其涉及到隨機變量和隨機數(shù)目前主要采用正態(tài)分布、三參數(shù)威布爾分布來產(chǎn)生，顯然不足以完全反映實際情況；
二是試驗數(shù)據(jù)不足。
故這種方法在實際應(yīng)用中受到了一定的限制。
目前也有人利用模糊數(shù)學和統(tǒng)計模擬的方法對金屬結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀態(tài)進行綜合評價，并在此基礎(chǔ)上推算它的剩余壽命。這些方法是否可靠，不僅取決于數(shù)學方法，還取決于人的主觀因素。
H
金屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命評估理論基礎(chǔ)
試驗上側(cè)重于研究選擇適合于工程的金屬結(jié)構(gòu)實際測量的方法，找到應(yīng)用于實際的判斷依據(jù)，從而正確地評價其壽命。利用計算機的虛擬技術(shù)，提高對實測數(shù)據(jù)的處理，建立金屬結(jié)構(gòu)件的專家系統(tǒng)，評定金屬結(jié)構(gòu)的疲勞剩余壽命和其余的技術(shù)指標，進而研究金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制造和技術(shù)改造等的人工智能系統(tǒng)。
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