焊縫應力
關注創建者：王靖雯 創建時間：2023-05-26
焊縫應力的視頻教程
ANSYS-WorkBench基礎教程 T型截面梁焊接處的子模型分析
本課程以T型截面梁為例，通過構建子模型（Solid-Solid）的方式，解決直角焊縫處存在的奇異性問題，研究直角焊縫處倒圓/倒角對焊縫處應力應變的影響。
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ABAQUS焊后熱處理消除焊接殘余應力的數值模擬（蠕變應力松弛）
以管道環焊縫焊接殘余應力為初始條件，考慮焊后熱處理的蠕變應力松弛機制，使用abaqus計算了PWHT后的殘余應力分布狀態。詳細講解了殘余應力導入過程及后處理。QQ1224294049 參考： https://www.yqgqt.org.cn/content/post/422113 https://www.yqgqt.org.cn/college/video/c12175
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ANSYS\WORKBENCH的工程應用
另外視頻不定期增添，敬請期待 WB簡介及工程數據 第一講、WORKBENCH簡介和材料工程數據 第二講、DesignModeler 第三講、圖形界面 第四講、草圖模式（1） 第五講、草圖模式（2） 第六講 熱膨脹下焊縫裝配體應力分析（一個完整的計算例子） 第七講 ANSYS專家培訓之第7講 3D幾何體
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焊縫應力的實例教程
圖7.1 最大應力
圖7.2 整體應力云圖
③方式2仿真結果：采用方式2直接法模擬焊縫的應力分析結果如圖所示，最大應力877MPa，發生在焊縫本體上面，如圖8.1所示。這是因為自動生成的焊縫特征邊緣具有幾何尖銳特征，同時焊縫為線彈性材料屬性，導致此處的應力顯式偏高。鋼管應力分布如圖8.2所示，最大應力在200~223 MPa之間，均小于屈服強度，與方式1的結果基本一致。
圖8.1 最大應力
圖8.2 整體應力云圖
④焊縫分析結果：上述兩種方法均能準確的計算管體母材的受力問題，而對于焊縫本身的強度分析， SimSolid 提供了專門的后處理工具，結合第二種焊縫建模方法，可以準確的評估焊縫的強度風險。如下圖9所示，可以查看焊縫的受力和應力結果，同時可以定義焊縫的單位長度受力失效準則和應力失效準則。
圖9 焊縫結果查看方法
本案例中，焊縫的受力結果如下表1所示，焊縫1的總接觸力251kN，焊縫2的總接觸力276kN，分別與節點支管施加的外載荷相等，說明軟件內部計算達到平衡，結果可靠。
表1 焊縫受力結果統計
本案例中，焊縫的應力結果如下表所示，焊縫1的最大等效應力94MPa,焊縫2的最大等效應力151MPa，均小于焊縫的許用強度，滿足設計要求。
表2 焊縫應力結果統計
除此之外，焊縫工具還可以進一步查看各應力分量沿焊縫長度的分布情況，通過曲線和云圖兩種方式，方便工程師更直觀的理解焊縫受力情況，識別潛在失效問題，并正對性的提出改進方案，如下表3所示。
展開 結論
通過對車后橋殼的改進，可以達到不增加橋殼應力響應的條件下，有效的壓低焊縫應力響應，如前期實驗的疲勞源的確發生在焊縫上，屬于平衡桿支架焊接方面的問題，改進方向是盡可能弱化平衡桿支座剛度，降低對橋殼的附加約束并減小焊縫應力響應。
再根據結構對外載荷的響應，對應力較大區域的焊縫進行關注。
通常情況下，只會有那么幾處應力值較大，需要關注。再根據應力值較大區域的周邊應力情況，進一步排除一些區域，那需要仔細思考的也只有很少的幾處了。
以一個T字型的連續角焊縫為例
如上圖的這個模型，兩個厚度5mm的板（Q235），豎板高度100mm,T字型，連續角焊縫，焊縫高度3mm。對于真實結構來說，不會這么簡單，但是可采取的方法是一樣的。
如結果如上圖所示，等效應力最大值113Mpa，這個結果肯定是不準確的，參考值。但上方點取的位置處102Mpa，這個是精度有保障的。當然它所校核是豎板的強度。
如果是這樣結果的區域，從分析上來說，通常情況下就可以不用管了。畢竟焊縫強度是高于母材的。
如結果如上圖所示，等效應力最大值170Mpa，參考值。但上方點取的位置處157Mpa。其實，很容易看出來，應力值主要是彎矩引起，豎直方向的正應力，即彎曲應力構成了等效應力。如果根據現有的點取的157Mpa位置，向下插值，下方的應力值預期能超200Mpa了。
這種情況下，若超過根據工況類型和基于屈服強度相應安全系統下的許用應力值，需要考慮下焊縫強度校核。
從有限元的分析結果可以看出，焊縫的外載僅需考慮彎矩作用（可以通過截面獲取焊縫處的力和力矩，當然也可以在該處采取接觸）。
根據機械手冊 焊縫高度3mm,即 ：
角焊縫計算厚度,
焊縫應力
焊縫許用應力 取值98Mpa 根據焊條選擇，詳見機械手冊 焊縫強度滿足要求。
展開 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
展開 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。
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應力場：由于溫度變化引起的熱膨脹與收縮，產生了焊接熱應力。外側焊縫的應力集中較為顯著，內側焊縫施焊時的應力分布受外側熱應力的影響，形成了更復雜的應力場。
圖1-3 溫度場
圖1-4 應力場
1.4.
Ansys通過“穩態計算-模態分析-耦合優化”三步法實現精準管控，而技術鄰則將這套方法拆解為可復制的教學模塊：在穩態熱應力分布計算環節，Ansys可定位框架焊縫、拐角等應力集中部位，技術鄰講師會指導學員通過仿真發現床身拐角處應力比其他區域高52%，并教授將直角拐角優化為R15mm圓弧的實操技巧，使局部應力降低30%；熱應力模態分析環節，講師會結合機床主軸10000r/min的運行工況，講解如何通過Ansys
SimSolid 中更合理的焊縫應力查看方式是借助專門的焊縫工具，通過焊縫合力計算得出焊縫應力。
考慮到該零件工作狀態下要面臨的振動環境和腐蝕工況，對排氣管部件的機械性能也有特定的要求，尤其是需要注意焊縫區域應力集中情況。另外，排氣管部件往往受到整體設計迭代的影響，例如一旦深沖模具需要重新制造會帶來非常高的成本投入以及訂貨交付時間嚴重超時。然而，增材制造在應對設計變更方面的潛力是不容忽視的。設計變更不僅必須考慮部件本身還需考慮周邊組件、功能和裝配步驟等。
現方案底座焊縫焊趾拉應力較大，危險工況下承載能力偏弱，存在沖擊時易發生塑性變形的累積，有斷裂萌芽的趨勢。對其不同改進方案等參計算。因計算網格尺寸偏小，為避免劃分此結構件過多不關注區域網格，同時縮短計算時長，更方便地對比各方案優劣，擬定各方案更改底座以及局部槽鋼網格即可。保持邊界處網格不變，邊界節點彈性位移通過前述FBD子模型法映射。
焊縫長度為100 mm，耳板厚度為20 mm，耳板承受的橫橋向拉力值為120 k N，按照簡化計算方法σ=F/l/t，計算得到焊縫的抗拉應力為60 MPa，小于角焊縫強度設計值。
（4）灰斗與灰斗梁連接驗算
最大角焊縫應力56.29N/mm2，小于E43角焊縫抗拉、抗壓和抗剪設計值160N/mm2，滿足計算要求。
二、加固方案
1. 鋼支架部分加固方案
對于鋼支架部分的加固，整體思路上采用增大截面法，尤其要注意的是：
(1)鋼結構增大截面法不同于混凝土結構，存在負荷加固還是卸載加固之分，當鋼結構在負荷時進行增大截面焊接，會產生應力滯后現象。
頂部陸地圓角半徑修改結果
在每個點處，頂部焊縫半徑、應力和變形值都會增加。根圓角半徑為 2.05 毫米，與所有其他齒輪和現有齒輪相比，應力和變形值更小。該齒輪比所有其他齒輪具有更好的控制能力。
在焊縫凝固過程期間，這些低熔點物質容易在焊縫中央聚集偏析，當焊縫邊緣結晶凝固時，焊縫中心晶粒間雜質仍處于液態膜狀態，在焊縫收縮產生的應力作用下產生裂紋。
2、焊縫橫截面形狀
當焊縫深度比寬度大時，會使凝固顆粒增長垂直于焊接中心，容易產生熱裂紋，特別是高熔深的埋弧焊和藥芯焊絲氣保焊用于厚板窄間隙焊接時更容易發生。
防止措施：
所選焊絲的成分與母材要匹配；
加入引弧板或采用電流衰減裝置填滿弧坑；
正確設計焊接結構，合理布置焊縫，使焊縫盡量避開應力集中處，選擇合適的焊接順序；
減小焊接電流或適當增加焊接速度。
3）未焊透產生原因。
