焊接位置应力难题：疲劳寿命计算新策略

焊接结合处存在异材结合 、几何突变 而导致局部应力集中 ，因此焊接处成为结构疲劳破坏的薄弱环节；

焊接位置材料参数无法准确获得，焊接位置存在大量微裂纹，导致有限元方法 难以准确计算焊接位置应力应变；

基于以上原因，焊接位置疲劳寿命评估不适合普通的SN、EN疲劳仿真方法，需要专门针对焊点焊缝的疲劳评估方法。

1、焊接疲劳基本思路

既然无法准确计算焊接位置的应力，nCode、Femfat等主流疲劳仿真软件主要使用以下两种方法来计算焊接位置的疲劳寿命。

• 名义应力法 ：使用远离焊接位置的应力计算疲劳寿命
• 结构应力法 ：提取焊接位置节点力和力矩，根据理论模型或经验公式，以节点力和力矩为输入计算焊接位置的真实应力

以上两种方法是基于SN、EN疲劳仿真方法的改进方法，与普通SN、EN方法相比，只是应力应变的计算方法不一样。

2、焊点疲劳计算原理及特点

目前主要有以下两类焊点疲劳仿真通用方法：

• 基于断裂力学的方法：Swellam方法 ——结果分散性较大
• 基于应力的方法，又称结构应力法，通过有限元计算焊点和焊点边缘节点上的力和力矩
• Rupp-Storzel-Grubisic方法 (nCode采用)
• Kang-Dong-Hong方法
• Sheppard方法
• Kang方法

其中Rupp-Storzel-Grubisic方法使用最多，具体细节可参考弗劳恩霍夫结构耐久性研究所 (LBF)于1995年发表的论文“Computer Aided Dimensioning of Spot-Welded Automotive Structures”。

目前多用1D单元模拟焊点，部分企业也使用六面体网格模拟焊点，有限元分析中可轻易获取焊点与母材连接处三个方向准确的力Fx、Fy、Fz以及三个方向的力矩Mx、My、Mz，然后根据理论公式计算等效结构应力 $\sigma_{euqal}$\sigma_{euqal} ；

$\sigma_{euqal}$\sigma_{euqal} 结合试验获得的S-N曲线，即可计算焊点疲劳寿命。

焊点疲劳破坏主要发生在焊点本身以及母材上的热影响区，因此疲劳仿真分析中主要计算如下图所示三个点的损

伤。

• 焊点本身断裂——厚板小直径的焊点，焊点的破坏可能发生在焊点核横向断裂，主要由轴向拉应力导致破坏
• 热影响区开裂——薄板大直径的焊点，焊点破坏多发生在焊点周边的钣金件上（热影响区力学性能显著降低）

2006年，美国福特、通用、克莱斯勒、美国钢铁、安赛乐米塔尔钢铁、密歇根大学伯恩迪尔分校联合研究结果表明，汽车行业金属材料点焊焊接疲劳有如下特性：

• 焊点的疲劳特性与母材的强度关联不大（焊点本身有裂纹缺陷）
• 焊点的疲劳特征主要受几何因素影响（母材厚度、焊点大小、样件的大小）——母材厚则焊点断，母材薄则母材热影响区断
• 焊点的平均应力对焊点的疲劳寿命影响不大

3、焊缝疲劳计算原理及特点

按照疲劳分析中所使用应力的不同，焊缝疲劳主要分析方法如下：

• 名义应力法——使用远离焊缝区域的母材应力，需要大量实验测试SN曲线
• 热点应力法——结构应力区域计算两个点的应力进行线性外插得到焊缝根部的应力值，下图中虚线与纵轴交点，使用较少
• 结构应力法——接近焊缝根部应力急剧增长以前，和应力从名义应力开始缓慢增加的斜线段应力
• 缺口应力法——详细建模获取焊缝根部的实际应力，建模复杂计算量大，使用较少

名义应力法直接使用有限元分析得到的远离焊缝位置的应力作为疲劳寿命评价指标，优点是不需要考虑应力集中，缺点是需要根据不同类型不同载荷的焊缝单独做实验，费时费力；飞机和船舶等行业，疲劳分析开始较早，积累了大量的数据、经验和规范，目前多使用名义应力法；

结构应力法使用有限元分析得到的焊缝位置的节点力和力矩来计算应力，比名义应力更接近焊缝处的应力，而且对网格尺寸不太敏感，相比名义应力法优势明显；目前主要有VOLVO法 （又叫Fermer方法，沃尔沃公司的工程师提出来的）和董平沙法 两种结构应力法广泛使用。

结构应力法参考如下论文：Fermér, M., Andréasson, M., and Frodin, B., "Fatigue Life Prediction of MAG-Welded Thin-Sheet Structures," SAE Technical Paper 982311, 1998,https://doi.org/10.4271/982311.

名义应力法参考如下论文：Niemi E , Fricke W , Maddox S J .The Structural Hot Spot Stress Approach to Fatigue Analysis - ScienceDirect[J].Fatigue Analysis of Welded Components, 2006:4-11.DOI:10.1007/978-981-10-5568-3_2.

焊缝疲劳裂纹主要有两种形式：

• 从焊缝根部沿母材厚度方向扩展
• 两个被焊接的金属构件之间的平面上穿透焊缝

焊缝疲劳主要特性：

• 残余应力会导致热影响区强度下降，从而导致热影响区寿命变短
• 母材本身的屈服强度对于焊接接头的疲劳特性影响不明显（焊缝位置存在较多微裂纹，且热影响区强度显著低于母材本身）
• 平均应力对焊接的疲劳没有显著影响，只有应力变化范围影响显著

焊点焊缝疲劳与普通SN、EN疲劳方法最大的区别在于应力的计算，由于有限元分析很难准确获取焊接位置的应力，因此需要使用各种理论公式或经验公式来提取相对准确的应力。

总体来说焊接疲劳仿真也无法得到准确的疲劳寿命，无法做定量分析，但做定性分析完全足够，能较为准确地找出整个结构中疲劳寿命薄弱的位置。

希望大家看完本文能大概明焊接疲劳仿真的基本思路。

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