焊接结构疲劳分析经典案例剖析

1 焊接疲劳背景

焊接连接是工业领域上非常常见的结构连接形式，在结构设计中具有十分重要的地位。焊接接头通常几何特征非常复杂、含缺陷（如夹杂）、存在残余应力、存在热影响区等，这使得焊接接头处存在高度应力集中，应力在尖锐缺口处奇异，因此传统的应力疲劳分析无法应用于焊缝疲劳分析。

常用的焊缝疲劳分析主要有如下四类方法：1）名义应力法，2）热点应力法，3）峰值应力法，4）结构应力法。其中结构应力法关于有限元网格的不敏感性，在工程应用上具有独特的优势。该方法的核心是将节点力及力矩转换成沿着焊趾的线力及线力矩，继而分解出焊趾位置表面膜应力和弯曲应力，基于弯曲应力比插值焊缝S-N曲线，获得相应的疲劳结果。

2 焊接疲劳分析案例

通常焊接结构疲劳分析有两种有限元建模方式：壳建模和实体建模。其中壳建模网格数量少，计算规模小，在工程上得到了大量应用。

接下来，我们通过一个案例具体了解焊缝疲劳的仿真过程。案例采用壳单元对某箱梁圆管焊接组合件进行建模，结合Ansys Mechanical及Ansys nCode DesignLife软件，采用壳单元结构应力法，对焊缝进行疲劳评估。并且利用Ansys nCode DesignLife高级功能，同时评估母材的应力疲劳。

2.1 静力学分析

某箱梁圆管焊接组合件见图1，箱梁翼缘和腹板、箱梁和圆管焊缝连接处均采用外侧单边角焊缝。焊缝高度均为5mm。

图1 焊接组合件示意图

对于焊接组件的有限元分析，可按下面步骤进行：

1）在SpaceClaim中按实际结构中面位置进行壳体布置；

2）进入Static Structure模块，进行网格划分，建立焊缝，分别设置为单边连续型，进行网格划分后生成的焊缝壳体厚度赋为焊缝高度的√2/2倍，焊接结构网格模型如图2所示；

3）对焊缝及母材进行命名分组，以便在nCode中得以识别；

4）由于在nCode中需采用结构应力法进行分析，在Analysis setting中打开节点力开关，添加载荷和边界条件，如图3所示，提交求解计算。

图2 焊缝及母材壳网格示意

图3 载荷和边界条件施加（其中Fx=100N，Fy=100N）

2.2 疲劳分析

完成有限元分析后，建立如图4所示流程。

图4 Workbench仿真流程搭建

对于焊接组件的疲劳分析，可按下面步骤进行：

1）进入nCode，同时建立针对焊材的焊缝疲劳分析及针对母材的应力疲劳分析流程，如图5所示；

2）显示FEinput，以Element Set方式显示母材、焊材，如图6所示；

3）进入应力疲劳求解器，设置如下：

a)进入高级编辑>AnalysisGroup，通过ElementSet识别有限元模型中母材部位，并对母材单独进行应力疲劳分析，如图7所示；

b) 有限元结果取单元 (element)结果；

c) 载荷谱设置为恒幅加载，Max factor=50, Min factor=0，即有平均应力效应；

d) 母材SN疲劳曲线选取Steel_UML_UTS500。

4）在应力疲劳求解器中，设置组合方式AbsMaxPrincipal，平均应力修正方式为Gerber，多轴评估为None。

5）进入焊缝疲劳求解器，设置如下：

a) 进入高级编辑>Welds_Fillets，通过ElementSet搜索关键字weld*识别有限元模型中焊材部位，并对焊材单独进行焊缝疲劳分析，如图8所示；

b) 设置有限元结果提取方式为ForceMoment，即采用结构应力法评估；

c) 载荷谱设置为恒幅加载，Max factor=50, Min factor=0，即有平均应力效应；

d) 焊缝SN疲劳曲线选取Seam_Steel，如图9所示。

6）在焊缝疲劳求解器中，设置组合方式AbsMaxPrincipal，平均应力修正方式为FKM，多轴评估为None，打开厚度修正效应。

7）至此，完成所有设置，点击run，进行疲劳求解。

图5 焊缝疲劳及应力疲劳流程搭建示意

图6 通过ElementSet显示有限元模型分组

图7 母材分组识别

图8 焊材分组识别

图9 焊材疲劳S-N曲线

2.3 疲劳结果

通过结果后处理，得到母材及焊材的寿命云图，如图10，11所示。由结果来看，母材最短寿命为153600次，焊材最短寿命为67650次，两者疲劳热点均出现在6708号单元，即焊趾位置。因此，需采用焊材的疲劳寿命结果进行评定，即结构最小寿命为67650次。

图10 结构件母材寿命云图

图11 结构件焊缝寿命云图

3 小结

实际工程中，焊接结构既有大量焊缝疲劳问题，又有母材应力疲劳问题，因此有必要通过CAE工具快速评估具有复杂疲劳问题焊接结构的安全性。在Ansys Workbench平台上结合Ansys Mechanical及Ansys nCode DesignLife软件能够对焊接结构方便快速地进行疲劳分析。通过疲劳仿真，我们可以深刻挖掘背后的物理内涵，减少对疲劳测试的依赖，以提升研发核心竞争力。

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