ansys 焊縫分析的案例
ANSYS Mechanical聯合ANSYS nCode DesignLife 在實體焊縫疲勞分析
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。
展開 ANSYS Mechanical聯合ANSYS nCode DesignLife 在實體焊縫疲勞分析
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。
展開 4/28 Ansys nCode DesignLife焊縫疲勞分析詳解
內容簡介
首先，介紹焊縫疲勞行為特點；進而，說明焊縫疲勞分析的名義應力法（如：BS7608）和結構應力法（如：Volvo (Shell單元)& ASME (Solid單元)基本原理，在Ansys系列軟件中的實現流程及案例；最后，介紹Ansys Mechanical 近年在處理焊縫建模的功能改進以及在Mechanical UI下調用nCode DesignLife開展焊縫疲勞分析的方法、流程及案例。
面向受眾
重型機械、風電、汽車（零部件）、航空航天、造船、橋梁、電子信息、海洋鉆探及高層建筑等行業需要對焊縫結構進行強度及疲勞分析的仿真工程師，相關科研人員及高校師生。
展開 基于ANSYS的某焊接件兩焊縫在順序焊接過程中的分析（生死單元應用案例）
網格單元
本實例中順序焊接分為如下步驟：
第一步0-1秒：右側焊接穩態分析（殺死左焊縫，施加右焊縫溫度和焊接件參考溫度）
第二步1-100秒：相變分析（刪除溫度載荷，施加對流熱傳導）
第三步100-1000秒：右側焊縫凝固分析
第四步1000-1001秒：激活左側焊縫單元進行穩態分析（施加左焊縫溫度）
第五步1001-1100秒：左焊縫相變分析
第六步1100-2000秒：左側焊縫凝固分析
第七步：結果后處理
ANSYS命令流：
FINISH
/FILNAME,Exercise ! 定義隱式熱分析文件名
/PREP7 ! 進入前處理器
ET,1,SOLID70 ! 選擇8節點實體熱分析單元
MP,KXX,1,.5e-3
MP,C,1,.2
MP,DENS,1,.2833
MPTEMP,1,0,2643,2750,2875,3000
MPDATA,ENTH,1,1,0,128.1,163.8,174.2,184.6 ! 定義右焊縫材料熱物理性能
MP,KXX,2,.5e-3
MP,C,2,.2
MP,DENS,2,.2833
MP,KXX,3,0.5e-3 ! 定義兩塊鋼板的熱物理性能
MP,C,3,.2
MP,DENS,3,.2833
MPTEMP,1,0,2643,2750,2875,3000
MPDATA,ENTH,3,1,0,128.1,163.8,174.2,184.6 !
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干貨 | ANSYS Ncode焊縫疲勞壽命評估方法簡介
ANSYS Ncode Designlife求解器中的焊縫疲勞壽命分析方法起源于沃爾沃汽車公司和查爾姆斯理工大學，該算法采用的是非常通用的應力基疲勞壽命評估方法，特別適合于汽車零部件中1-3 mm厚度的薄鋼板件，對于更厚的實體結構建模部件，也支持基于ASME鍋爐與壓力容器的規范的疲勞壽命計算。
這種方法基本上與標準的S-N方法相似，只是需要進行一些特殊的考慮去處理焊縫，詳細特點如下：
1. ANSYS Ncode Designlife起源于薄板焊縫結構；
2. 算法根據有限元求解數據的網格點力去計算焊趾的結構應力，相對標準的應力推倒方式，該算法對網格剖分狀況不那么敏感。結構應力推導過程在SAE 982311中有詳細描述。為在Ncode中使用網格力方式，網格力數據必須被包含在有限元結構仿真結果數據中，并且設置Ncode軟件ANSYS Group properties中Entity Data Type為Force Moment選項。
3. 可選的，節點位移和轉動數據也可以用于確定焊縫周圍單元的應力值，使用該方式，節點力和位移數據必須包含在有限元結構文件中，并且設置Ncode軟件ANSYS Group properties中Entity Data Type為Displacement選項。
4. 網格剖分方面，對于薄板件殼模型，焊縫周圍的區域盡可能劃分為5 mm大小的規整網格，盡可能避免使用三角形網格。
5. 若采用了以上應力或位移推導應力方式，Ncode軟件將基于焊縫周邊單元數據，推導焊趾和焊根單元非平均的節點應力值用于疲勞壽命評估。焊喉部位采用焊喉單元中心應力值評估疲勞壽命。
展開 角焊縫（殼體）疲勞在ANSYS nCode DesigenLife的創建與計算原則淺述
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。
展開 斯姆勒精品案例：基于ANSYS子模型技術的焊縫結構的精細化計算
基于ANSYS子模型技術的焊縫結構精細化計算
掌握ANSYS焊縫子模型分析技巧
●技術背景
焊縫（welded seam）利用焊接熱源的高溫，將焊條和接縫處的金屬熔化連接而成的縫。焊縫金屬冷卻后，即將兩個焊件連接成整體。根據焊縫金屬的形狀和焊件相互位置的不同，分對接焊縫、角焊縫、塞焊縫和電鉚焊等；
焊接失效就是焊接接頭由于各種因素，在一定條件下斷裂（如：應力、溫度、材質、焊接質量和實際使用工況條件等）。接頭一旦失效，就會使相互緊密聯系成一體的構件局部分離、撕裂并擴展，造成焊接結構損壞，致使設備停機，影響正常生產。；
焊接失效
（1）因設計不合理，存在局部剛性過大，應力集中的現象。
（2）材料缺陷。鑄鋼件相對于軋制板材存在著沖擊韌度差，屈服強度低的特點，還有焊接工藝制定不合理、焊接規范的運用不當、焊接方法的選擇不正確等。
（3）焊工技術水平高低與焊接位置的好壞；還有焊接檢驗水平，包括對材質的檢驗和焊縫檢驗等。另外，環境溫度對焊接質量也是一個重要的影響因素。
展開 焊縫橫向裂紋產生的原因分析
3.1在焊接過程中從坡口預制、打磨、組對、坡口角度間隙、表面處理、工件預熱、保溫、焊后緩冷除氫等等;
3.2是否嚴格按已經做好的焊接工藝操作;
3.3焊工是否持相應資格;
3.4焊接環境是否有做到防風、防雨、防雪、防露水、防潮氣并且做到透光透氣照明適當的安全可靠的;
3.5焊縫表面是否清除油污、水跡、鐵銹;
3.6是否過分使用碳弧氣刨，開坡口、清根、多次返修后沒有將其碳化物清除而進行焊接，氣刨的壓縮空氣是否除水?;
3.7焊機和焊q的保養維護不當，無法發揮應有焊接性能;
3.8焊接過程中對焊絲沒有采取應有保護和使用超過時限或者使用已經受潮受污染的焊絲;
3.9埋弧焊的藥劑使用不同品牌的焊絲，藥劑沒有充分烘干，藥劑在回收過程將鋼板氧化物(氧化皮)、其它雜質、焊渣、沙塵粉末等一并吸收，再次投入焊接時造成;
3.10工件組合的內應力過大，沒有控制焊接變形，所帶來的拘束應力過大超出焊縫所能承受的拉應力;
3.11NDT檢驗過高地要求而返修反造成更多的缺陷;
3.12厚度大焊道多的焊縫也是原因之一，焊縫中的雜質堆積會產生累積效應而產生橫向裂紋;
3.13焊縫的排列形狀和次序也會影響焊縫內的拘束力(內應力);當然還有其它焊接過程的不當事情我在此就不一一例出了。
總結
雖然橫向裂紋產生的原因是多方面的，但是我個人認為主要原因在藥芯焊絲，母材方面的問題較少，因為我們所用的海洋鋼結構都是普通低碳低合金鋼，焊接工藝也是成熟的和常用的，我們主力放在藥芯焊絲的監控方面。
展開 MSC 焊縫疲勞分析的算例
MSC提供的焊縫疲勞計算基本步驟，對入門有幫助~
seamweld_fatigue-exercise1.part2.rar
seamweld_fatigue-exercise1.part1.rar
接焊縫接觸面的疲勞分析研究
ANSYS 可以針對整個模型，也可以針對一組單元進行疲勞分析。可方便地對整個模型或者選擇的區域進行再設計和假設分析，從而觀察從非關鍵區域去掉金屬材料的效果，以及增加"熱點"位置的疲勞壽命。 ANSYS 可考慮構件表面光潔度影響、幾何外形變化與缺口敏感性影響以及材料特性變化效應和不同載荷組合歷史的影響。不同的材料數據和應力集中系數可以用于每一個單元組（允許在同一個部件上加工面和鍛造面）。 ANSYS FE-SAFE可進行疲勞失效率的統計分析。
圖3為 加載后應力幅值分布的關系圖
圖4為 Mises應力等值線的生成結果
圖5為各單元節點的應力分量的結果
4.2結論
察裂紋源可以發現，裂紋源大多處于表面的機械加工微痕和次表面的缺陷處。缺陷周圍的應力狀態不同尺寸和中心-通過數值模擬。試樣的幾何特征主要取決于工件形狀和缺陷尺寸，影響區與焊縫的不同，粗糲的硬度值對熱影響區有很大的提升，因此，融合線的兩側的強度是不同的，斷裂表面疲勞失效分析需要通過掃描電鏡標本檢查，裂紋源地方常伴有各種缺陷，
有限元來分析用來分析對接焊縫的應力分布，在焊縫金屬凝固結晶的后期，低熔點共晶體被排擠在柱狀晶體交遇的中心部位，形成一種所謂“液態薄膜”，此時由于收縮而受到了拉伸應力，這時焊縫中的液態薄膜就成了薄弱地帶。在拉伸應力的作用下就有可能在這個薄弱地帶開裂而形成結晶裂紋（見圖６）。碳鋼和低合金高強鋼中的磷、硅、鎳和不銹鋼、耐熱鋼中的硫、磷、硼、鋯等也都能形成低熔點共晶，而且不同元素所形成的低熔點共晶．它們的共晶溫度各不相同。總的來說，產生結晶裂紋的原因，就在于焊縫中存在液態薄膜和焊縫凝固過程中受到拉伸應力共同作用的結果。
1.
展開 基于ncode的seam實體焊縫疲勞分析
本案例主要是介紹如何在ncode進行seam實體焊縫疲勞仿真分析，焊點類型seam，提供疲勞載荷譜，焊點疲勞分析采用seamweldanalysis求解器。
Vonmises應力云圖
損傷云圖
壽命云圖
疲勞分析流程圖
感興趣的朋友請點個贊，并留下你的郵箱，集滿60個贊，相關模型文件將統一發到你們的郵箱。
展開 
Fe-safe Verity焊縫疲勞分析簡介
Verity焊縫疲勞分析的必要性
焊接連接是工業領域上非常常見的結構連接方式，在結構設計中具有非常重要的地位，因此焊接的結構強度和疲勞強度都非常重要。一般情況下，平板焊接鋼結構焊縫的屈服強度和抗拉強度都不低于其母材，但是焊縫的疲勞強度卻遠遠低于母材的疲勞強度，焊縫失效的主要形式為疲勞，所以焊縫疲勞強度分析十分必要。焊縫的抗疲勞性能很大程度上取決于焊縫的宏觀和微觀幾何形狀，影響焊縫疲勞強度得因素很多，比如動態應力，平均應力，焊接殘余應力等。
傳統的焊接疲勞分析方法是通過有限元分析軟件來計算焊縫處的應力，然后根據焊接結構的不同類型定義應力壽命S-N曲線來計算焊縫的疲勞壽命。一般來說，有限元網格的大小直接影響仿真分析的結構應力結果，特別在應力集中位置（焊接位置通常有應力集中），其影響更大，因此傳統焊接疲勞分析方法無法準確預測焊縫處的疲勞壽命。
2006年最新版本的Fe-safe引入了一個全新的“Verity”模塊，可以很好地解決上述問題。該模塊的核心技術來源于美國著名的科技研發公司Battelle的JIP（Joint Industry Project）項目研究成果，該研究成果“Mesh-insensitive Structural Stress Method”是在通用有限元分析程序計算結果基礎上，針對板殼、實體等結構連接形式，專門開發計算等效Structural Stress的程序，使得最后的應力計算結果不具有網格敏感性，即在不同網格尺寸下都能獲得精確一致的疲勞仿真結果。
二. Verity焊縫分析介紹
Verity的等效結構應力法是一種新型焊接結構疲勞壽命預測技術, 可廣泛應用于不同工業領域的各類形式焊接承載部件的焊趾疲勞分析, 如壓力容器、管道、海上平臺、船舶、地面車輛等結構的管件及平板焊接接頭。該方法主要基于以下2項關鍵技術:
1.
展開 Optistruct做靜力分析，應力集中在焊縫處
Optistruct做靜力分析，查看應力云圖時，應力較大位置集中在焊縫處，零部件上應力則較小，不能得到理想的靜力分析結果。同樣用rigids連接，應力則集中在零部件相連位置。請問在施加較大拉力（100000N）時，零部件關鍵部位用什么連接方式好？得到結果能合理反映零部件應力應變情況。
薄板單面密集焊縫焊后彎曲變形分析
理想情況下，兩端最高，ΔHl應均為負值，ΔHl的最小值應位于鋼板中部.
2 數值模擬分析
2.1 模型的建立
網格的劃分直接關系到計算的精度和效率，為了提高計算精度，針對薄板密集焊縫結構，在四條焊縫及其附近區域用較細的網格，遠離焊縫區域用較稀疏的網格[3-5]，網格劃分采用六面體單元，網格總數為27 644個，網格劃分結果如圖3所示.
圖3 有限元網格
2.2 熱源的選取
薄板焊接，熱輸入不大，焊接熔深淺，文中選擇高斯面熱源作為熱源模型，模型的表達式為q(r)=q(0)exp(-cr2)式中:q(r)為半徑r處的表面熱流;q(0)為熱源中心處熱流量最大值;c為熱源集中系數;r為距熱源中心的距離.
2.3 模擬結果與分析
對薄板密集焊縫單面焊接進行了有限元分析，獲得了兩種焊接方案的焊后變形云圖. 圖4a,b所示分別為焊接方案一和焊接方案二的焊后變形云圖. 為了直觀地觀察焊接變形情況，分別對變形結果進行了10倍、20倍和30倍放大.
薄板單面密集焊縫焊接后，受熱面的縱向收縮引起薄板向受熱面方向的翹曲變形[6]. 模擬結果顯示，焊接方案一與焊接方案二變形趨勢一致，在鋼板中心，負向位移值最大，在薄板的兩端部，正向位移值最大，薄板單面密集焊縫的焊后變形呈船形，與理論分析相似. 薄板單面焊后的彎曲變形包含焊縫的長度方向彎曲變形及寬度方向的彎曲變形，長度方向彎曲變形和寬度方向彎曲的中心均位于鋼板中心. 因此在薄板四角位置，正向位移值最大.
展開 基于FE-SAFE的等效結構應力法分析焊縫疲勞
一般在焊接結構疲勞分析中存在兩個關鍵問題：一是焊接接頭的分類如何把握；二是焊接部位往往是應力比較集中的區域，很難準確計算出應力的分布。等效結構應力法是由美國新奧爾良大學焊接實驗室的Pingsha Dong博士等人基于斷裂力學及大量焊接試驗數據，研究出來的一種相對能準確預測焊縫疲勞壽命的方法。該方法采用網格不敏感結構應力計算方法及一條主S-N曲線預測焊接結構疲勞壽命，可以很好地解決結構應力對有限元網格大小的敏感性及焊接接頭S-N曲線選擇困難的兩個難題，從而減小了分析誤差，提高了預測精度。
在FE-SAFE軟件中，Verity模塊為一個焊縫疲勞分析專用模塊，其采用的即是等效結構應力方法。等效結構應力不僅考慮了焊趾缺口、焊接接頭板的厚度的影響、載荷模式的影響，還考慮了應力集中的影響。等效結構應力是基于結構應力計算得到的，結構應力由膜應力與彎曲應力組成，Verity模塊可以通過定義一些焊縫的信息參數及導入的通用有限元軟件（如ABAQUS軟件）節點力輸出結果來計算求得結構應力。
因此，在使用通用有限元軟件計算求解計算焊縫節點力時，需要對焊縫進行建模，如下圖所示：
將通用有限元軟件的分析結果導入FE-SAFE中之后，在Verity模塊中定義焊縫信息，如下圖所示：
定義完成需要計算壽命的所有焊縫信息后，點擊Analyse，即可求解得到結構應力，再定義載荷曲線、材料參數、選擇主S-N曲線標準差等完成焊縫疲勞分析。
基于FE-SAFE的等效結構應力法分析焊縫疲勞.pdf
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