ANSYS nCode DesigenLife焊缝疲劳仿真分析技术

焊接连接是工业领域上非常常见的结构连接方式，在结构设计中具有非常重要的地位，因此焊接的结构强度和疲劳强度都非常重要。ANSYS nCode DesignLife凭借其在疲劳耐久性设计领域的完备功能和易用性，成为现代企业在产品设计过程中考虑疲劳耐久性设计的首选工具。她不仅具有常规的应力疲劳（高周疲劳）、应变疲劳（低周疲劳）功能，同时还可以进行高温热-机疲劳、复合材料疲劳、振动疲劳、焊缝疲劳、点焊疲劳等功能。本文着重介绍nCode DesignLife的焊缝疲劳分析技术。

   nCode DesigenLife焊缝疲劳仿真分析流程
 

nCode DesigenLife焊缝疲劳分析最初用于汽车行业薄板结构(1-3 mm) 的焊接分析模拟，采用薄壳搭建有限元模型，相关工业应用也都针对于此类结构进行；目前该方法也适用于以实体建模的焊缝疲劳分析。

nCode DesigenLife焊缝疲劳分析流程与标准的S-N疲劳分析流程相似，只是需要进行一些特殊的设置去处理焊缝。nCode DesigenLife焊缝疲劳分析可以采用三种结构应力法进行计算，其中Force Moment(采用节点力和力矩提取疲劳计算的应力)具有较好的网格不敏感性。

① Stress：直接采用分析的应力作为疲劳评估计算。

② ForceMoment：采用节点力和力矩提取疲劳计算的应力。

③ Displacement：采用节点位移和转动量提取疲劳计算的应力。

   nCode DesigenLife焊缝疲劳分析设置不同的结构应力法
 

nCode DesigenLife主要分析的焊缝类型有: 角焊缝、搭接焊缝、激光搭接焊等；不同类型的焊缝形式具有不同的分析方式，需要根据焊缝种类进行分组，每一个分组对应疲劳引擎中对应的有限元焊缝类型。

对于以薄壳单元建立焊缝有限元模型具有一定的通用准则：

焊接薄板采用中面表达，网格应以4节点四边形单元为主

与焊缝相邻连接的薄板网格单元以5mm左右为好，避免三角形单元

焊缝采用一组或两组壳单元来表达，放在单独属性组（property set）中

焊缝单元的法向朝外，指向焊接者

毗邻焊缝的单元的非平均化节点应力被提取作为焊趾(weld toe)和焊根(weld root)疲劳计算评估使用，该应力也可以是平均化的或在单元边长的中点处进行计算，通过在“ANSYS Group Properties”中设置“WeldLocation = MIdElementedge”进行考虑。

焊喉(weld throat)疲劳寿命计算则采用焊缝单元中心位置应力进行（基于焊缝单元“两条焊线”计算，后平均到中心位置）。

   焊缝连接有限元模型示意图
 

下面详细介绍一下角焊缝、搭接焊缝、激光搭接焊缝的建模细节：

1、 角焊缝：以给定角度连接薄板结构，如下图所示焊接结构失效位置在焊趾或者焊根，这是疲劳损伤将要评估的区域（对于焊喉区域也可以计算，但并不推荐）。角焊缝可采用一组或两组壳单元来建模表达：

   角焊缝示意图
 

a) 角焊缝的截面采用一组倾斜壳单元表达

焊缝单元的法向应指向施焊人员，如图下所示。

焊缝单元节点，在表达焊趾的直线上。

焊趾尺寸Lw长度应由实际确定，推荐值为：Lw=t1+t2

焊缝单元厚度应能表达焊喉厚度，推荐值为：

   采用一组壳单元创建角焊缝
 

b) 角焊缝的截面采用两组壳单元表达

焊缝单元厚度推荐为：

亦或定义为：

   采用二组壳单元创建角焊缝
 

2、 搭接焊缝，也可采用一组或两组壳单元来建模表达：

a) 搭接焊缝的截面采用一组壳单元表达（有两种连接形式）

焊缝单元的法向应指向施焊人员。

Lw=t1+t2

焊缝单元厚度推荐为：较薄焊板件厚度的2倍，但不小于3mm。

   采用一组壳单元创建搭接焊缝的两种方式
 

b) 搭接焊缝的截面采用两组壳单元表达

焊缝单元的法向应指向施焊人员。

Lw=t1+t2

焊缝单元厚度推荐为：0.27*(t1+t2)

   采用二组壳单元创建搭接焊缝
 

3、 激光搭接焊缝：

激光搭接焊缝建模形式如下图所示

焊缝单元厚度推荐为：较厚焊板件厚度的2倍

   激光搭接焊缝建模
 

nCode DesigenLife焊缝疲劳分析时需要进行一些特殊的设置去处理焊缝分析，通过鼠标右击“SeamWeldAnalysis Glyphs” 弹出快捷菜单——选择高级编辑“Advanced edit”进行焊缝求解设置：

   高级编辑“Advanced edit”中进行焊缝求解设置
 

——SelectionGroupType控制焊缝组的选择；

——SolutionLocation控制求解位置

——EntityDataType控制焊缝疲劳用的应力提取方式:Stress/ForceMoment/Displacement；

——SeamWeldType设置焊缝类型

——WeldEndElemnts控制分析中是否考虑焊线端部单元

——WeldResultLocation=NodeOnElement/MidElementEdge考虑基于单元节点或者单元边长的中间点进行评估。

当EntityDataType= ForceMoment时，即采用节点力和力矩提取疲劳计算的应力，该算法对网格剖分状况不怎么敏感，也是焊缝疲劳经常使用的方法，故在这里也重点阐述一下内在的算法流程。

在介绍算法流程之前，先说明一下下面两个图的相关内容，图中所示蓝色单元表达的是焊接单元，绿色单元表达的焊趾单元。以图中单元6为例，采用节点力和力矩提取焊趾单元的应力计算之前，需要确定线力和力矩(即沿着焊趾单位长度的力和力矩)；单元6上节点7的节点力和力矩按照如下进行表达：

   焊接单元和焊趾单元示例
 

   焊趾单元的局部坐标系
 

应力计算提取过程按照如下进行：

① 确定焊趾单元和面

② 定义局部坐标系，局部坐标系的x轴法相于单元的边，z轴是单元6的7、8节点的平均法相，相对于焊趾面方向朝上。

③ 计算各个节点总力和总力矩

节点7（由单元5和6共享）其总力和总力矩；

节点8（由单元6和7共享）其总力和总力矩；

④ 在节点处，按照边长度分配力和力矩

单元6的节点7处

单元6的节点8处

⑤ 单元6线力f和力矩m，是沿着焊趾单位长度的力和力矩。

其中：

⑥ 转换到局部坐标系进行求解

⑦ 计算垂直于焊趾的应力

⑧ 将结果写入中间（FEI）文件，用于焊缝疲劳计算。

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