焊接結構抗疲勞設計的案例
焊接結構抗疲勞設計過程中的認識誤區
焊接結構抗疲勞設計過程中的認識誤區
從結構制造特點的角度看，由于焊接結構具有連接性好、重量輕、易于加工、便于采用自動化生產等優點，在長期承受靜態或動態載荷的復雜裝備領域得到廣泛應用，特別是焊接工藝技術的不斷推陳出新，更是顯著地提升了焊接結構在這些產品中的應用地位。但是焊接結構還有不足的一面，即：承受動載荷的焊接接頭，由于其幾何不連續性而導致應力集中，因而焊接結構成了產品結構可靠性的薄弱環節之一。
面對焊接結構疲勞失效的問題，多少年來包括軌道車輛在內的各個制造行業一直在努力治理，并取得了一定進展，確保了焊接結構的服役安全，但目前依然存在一些認識上的誤區，如果我們能夠從這些這些認識誤區中盡快地走出來，效果將可能更加顯著。
誤區一：將金屬材料抗疲勞強度設計的理論與方法不加區分地用于焊接結構
該認識誤區是理論層面的。以原鐵道部1996年頒布的《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》(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”一節中，首先指出：“本方法是鐵道車輛主要承載零部件或構件的疲勞分析指南，適用于各型鐵道車輛主要承載零部件的疲勞評估”，可見該標準的內容并不區分被評估的對象是否為焊接結構。在該書的后面也將提到，焊接結構抗疲勞設計的理論與方法與金屬材料疲勞強度設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“構件疲勞裂紋萌生壽命與裂紋擴展壽命之和”，然而在焊接結構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。
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深圳大學周學昌課題組JMCA：可回收、可焊接、抗疲勞液態金屬彈性體
因此，從材料設計角度出發，探索可降解、可回收的環保型高分子復合材料較為迫切。近年來，深圳大學周學昌課題組在液態金屬液滴制備、復合材料與應用、可回收循環利用等方面進行了一些探索性研究工作，主要包括：采用聚乙烯醇作為瞬態封裝材料構建了一種基于室溫液態金屬的瞬態可回收的環境友好型柔性電子（Adv. Funct. Mater., 2019, 1808739）；使用石墨烯包覆液態金屬液滴，制得一種具有高導電性的液態金屬液滴，并成功應用于可活動、可回收、可變形的軟接觸電極及運動方向監控器件（Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1706277）。這些前期探索工作主要解決了宏觀尺度的液態金屬圖案和毫米級以上液態金屬液滴的回收利用問題。然而，對于填充了微納尺度液態金屬液滴的復合材料，它的回收利用仍是一個挑戰性的問題。
近日，深圳大學周學昌課題組通過采用Diels–Alder(DA)動態共價鍵交聯的聚氨酯彈性體作為聚合物基底，以微納米液態金屬液滴作為功能性填料，制備了一種可回收的多功能柔性液態金屬彈性體復合材料（圖1）。
圖1. 液態金屬液滴聚氨酯彈性體復合材料的制備。
由于微納米液滴是分散在高分子材料中，液滴之間是不連通的，因此該復合材料起初是電絕緣性的。文章提出了通過“機械訓練”的方法，讓液滴間形成穩定的連接通道，使材料獲得導電性，從而實現了從絕緣體到導體的轉變。經過“機械訓練”后的導體可經受10000次的抗疲勞拉伸測試，且表現出優異的電學穩定性以及抗機械疲勞性。通過該方法還可以調控材料的區域導電能力，從而設計出出各項異性導電材料。此外，DA鍵的動態性質以及液態金屬液滴的光熱轉化效應賦予了該材料具有光致可焊性，可實現電路的重構與修復。
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這是Battlle結構應力法Fe-safe(Verity)焊接結構疲勞評估的一個成功案例，附件中有理論基礎資料、國內外相關論文、從ABAQUS計算動態應力導入Fe-safe的方法。更多資料可討論交流分享。
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焊接結構疲勞失效的原因
焊接結構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構形式有密切的關系。這是引起一些結構因焊接接頭的疲勞而過早失效的一個主要的因素；②早期的焊接結構設計以靜載強度設計為主，沒有考慮抗疲勞設計，或者是焊接結構疲勞設計規范并不完善，以至于出現了許多現在看來設計不合理的焊接接頭；③工程設計技術人員對焊接結構抗疲勞性能的特點了解不夠，所設計的焊接結構往往照搬其它金屬結構的疲勞設計準則與結構形式；④焊接結構日益廣泛，而在設計和制造過程中人為盲目追求結構的低成本、輕量化，導致焊接結構的設計載荷越來越大；⑤焊接結構有往高速重載方向發展的趨勢，對焊接結構承受動載能力的要求越來越高，而對焊接結構疲勞強度方面的科研水平相對滯后。
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展開 焊接結構疲勞分析案例解析
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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。
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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。
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。
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。
展開 基于SiPESC平臺焊接結構疲勞強度分析——應力篇
焊接結構疲勞強度分析方法
名義應力法
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件時，則很難選擇恰當的Ｓ-Ｎ曲線數據。
結構應力法（本文主要分析方法）
基于斷裂力學理論和大量焊接試驗數據。通過對上千個焊接接頭疲勞試驗數據進行統計分析發現：如果以等效結構應力變化范圍與疲勞壽命來繪制Ｓ-Ｎ曲線，所有疲勞試驗數據將落在一個窄帶中，近似于一條主Ｓ-Ｎ曲線，從而實現以一條主Ｓ-Ｎ曲線來評估焊接結構的疲勞壽命。 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。
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VirtualLab：抗反射蛾眼結構的嚴格分析與設計
控制表面反射的一個非常有趣的方法是使用抗反射的納米和微結構，這是由自然（蛾眼）啟發的。這些在亞波長域具有特征尺寸的結構在波長和角度依賴性方面表現出獨特的特性。本文介紹了VirtualLab Fusion中確定性抗反射結構的分析與設計。
VirtualLab：抗反射蛾眼結構的嚴格分析與設計
控制表面反射的一個非常有趣的方法是使用抗反射的納米和微結構，這是由自然（蛾眼）啟發的。這些在亞波長域具有特征尺寸的結構在波長和角度依賴性方面表現出獨特的特性。本文介紹了VirtualLab Fusion中確定性抗反射結構的分析與設計。
抗反射蛾眼結構的嚴格分析與設計
控制表面反射的一個非常有趣的方法是使用抗反射的納米和微結構，這是由自然（蛾眼）啟發的。這些在亞波長域具有特征尺寸的結構在波長和角度依賴性方面表現出獨特的特性。本文介紹了VirtualLab Fusion中確定性抗反射結構的分析與設計。
嚴格分析和設計抗反射蛾眼結構
設計任務
對于許多光學應用來說，抑制元件表面的反射是一個引人關注的問題。一種非常有趣的控制表面反射的方法是使用抗反射納米和微米結構，這些結構受到自然界（如蛾眼）的啟發。這些結構的特征尺寸處于亞波長領域，具有獨特的波長和角度依賴性質。本文介紹了在VirtualLab Fusion中分析和設計確定性抗反射結構的方法。
