ANSYS nCode DesigenLife焊縫疲勞分析最初用于汽車行業(yè)薄板結(jié)構(gòu)(1-3 mm) 的焊接分析模擬，采用薄殼搭建有限元模型，相關(guān)工業(yè)應(yīng)用也都針對于此類結(jié)構(gòu)進(jìn)行。ANSYS nCode DesigenLife焊縫疲勞分析采用結(jié)構(gòu)應(yīng)力法進(jìn)行計(jì)算，具有好的網(wǎng)格不敏感性，目前該方法也適用于以實(shí)體建模的焊縫疲勞分析。

限于篇幅本文僅針對角焊縫（殼體）焊縫單元創(chuàng)建和計(jì)算的準(zhǔn)則基于ANSYS nCode Theory手冊進(jìn)行編寫，關(guān)于搭接焊縫、激光焊等請參考相關(guān)文獻(xiàn)資料。

兩名筆者水平極為有限，錯誤必然較多，另原稿成稿較早且截取原稿部分并非完整，某種程度未能緊跟相關(guān)技術(shù)發(fā)展，因此嚴(yán)禁直接應(yīng)用于企業(yè)項(xiàng)目的產(chǎn)品分析以免造成重大事故和傷害。另外本文建立的焊縫有限元模型不能作為評估焊縫極限強(qiáng)度的方法進(jìn)行使用。

一、殼體焊縫有限元建模通用原則

不同類型的焊縫形式具有不同的分析方式，需要根據(jù)焊縫種類進(jìn)行分組，每一個(gè)有限元輸入分組應(yīng)對應(yīng)疲勞引擎中對應(yīng)的有限元焊縫類型，并設(shè)置一個(gè)合理的參數(shù)數(shù)值。

對于以薄殼單元建立焊縫有限元建模具有一定的通用準(zhǔn)則：

① 網(wǎng)格應(yīng)以4節(jié)點(diǎn)四邊形單元為主，表達(dá)金屬薄板的中面。

② 以單排或雙排殼單元進(jìn)行焊縫建模表達(dá)。

③ 焊縫網(wǎng)格規(guī)整，尺寸以5mm為最好，規(guī)避三角形網(wǎng)格出現(xiàn)。

④ 疲勞分析焊縫單元需設(shè)置特殊焊接屬性。

⑤ 焊縫單元法向保證設(shè)置法向朝外。

⑥ 毗鄰焊縫的單元的非平均化節(jié)點(diǎn)應(yīng)力被提取作為焊趾和焊根疲勞計(jì)算評估使用，該應(yīng)力也可以是平均化的或在單元邊長的中點(diǎn)處進(jìn)行計(jì)算，通過在“ANSYS Group Properties”中設(shè)置“WeldLocation = MidElementEdge”進(jìn)行考慮。

⑦ 當(dāng)考慮焊喉進(jìn)行計(jì)算，采用焊縫單元中心位置應(yīng)力進(jìn)行，焊喉部分疲勞壽命計(jì)算，基于焊縫單元“兩條焊線”計(jì)算，后平均到中心位置。節(jié)點(diǎn)力方法需要采用線性單元。

二、角焊縫有限元單元構(gòu)建

圖1

角焊縫以給定角度連接薄板結(jié)構(gòu)，如圖1中A圖所示焊接結(jié)構(gòu)失效位置在焊趾或者焊根，這是疲勞損傷將要評估的區(qū)域（nCode軟件對于焊喉區(qū)域評估是一個(gè)測試功能，并不推薦計(jì)算）。

角焊縫的單元創(chuàng)建可以采用單與雙單元兩種形式：

1、角焊縫的截面采用單傾斜單元創(chuàng)建

① 焊縫單元的法向應(yīng)指向施焊人員，如圖1中B圖所示。

② 焊縫單元節(jié)點(diǎn)，在表達(dá)焊趾的直線上。

③ Lw長度應(yīng)由實(shí)際焊趾尺寸確定，推薦值為：

Lw=t1+t2

④ 焊縫單元厚度應(yīng)能表達(dá)焊喉厚度，推薦值為：

2、角焊縫的截面采用兩組單元創(chuàng)建

如圖1中C圖所示，確定焊接單元法相定義。

焊縫單元厚度推薦為：

亦或定義為：

三、角焊縫計(jì)算要點(diǎn)和應(yīng)力提取

在ANSYS nCode DesignLife中通過高級編輯“Advanced edit”進(jìn)行焊縫求解中的“EntityDataType”、“WeldResultLocation”、“ WeldEndElements”的配置。

求解引擎屬性中“EntityDataType”控制采用的數(shù)據(jù)類型，如圖2所示。

① Stress：直接采用應(yīng)力作為疲勞評估計(jì)算。

② ForceMoment：采用節(jié)點(diǎn)力和力矩提取疲勞計(jì)算的應(yīng)力。

③ Displacement：采用位移量提取進(jìn)行疲勞計(jì)算的應(yīng)力。

WeldResultLocation=NodeOnElement/MidElementEdge考慮基于單元節(jié)點(diǎn)或者單元邊長的中間點(diǎn)進(jìn)行評估，如圖3所示。

WeldEndElements用于在分析中考慮焊線端部單元。

圖2

圖3

限于篇幅以下僅針對基于“EntityDataType=ForceMoment”進(jìn)行節(jié)點(diǎn)力和力矩進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算要點(diǎn)的說明，其他方法可以參閱相關(guān)技術(shù)文檔。

“EntityDataType=ForceMoment”進(jìn)行節(jié)點(diǎn)力和力矩提取要點(diǎn)：

① 垂直于焊接邊的正應(yīng)力被提?。╓eld Top面），平行的正應(yīng)力和剪應(yīng)力不進(jìn)行計(jì)算。

② 對于焊趾和焊根單元的應(yīng)力提取，是毗鄰焊縫單元的邊的中間點(diǎn)的均值應(yīng)力，方向垂直于該邊。

③ 焊喉單元應(yīng)力提取的是焊喉單元兩條邊的均值。

④ 參與計(jì)算的焊趾單元是與焊喉單元共享節(jié)點(diǎn)的且位于焊線前部的那些殼體單元。

圖4

⑤ 如圖4所示焊線兩端端部單元作為“Optional elements”選擇單元，是否進(jìn)行選擇計(jì)算是根據(jù)配置文件中“FE Import Analysis Group→WeldEndElements”進(jìn)行定義的。如果WeldEndElements設(shè)置為“應(yīng)力或采用位移形式”，在分析中將考慮焊線端部單元，疲勞計(jì)算將在這些單元中進(jìn)行，除非“WeldResultLocation設(shè)置為MidElementEdge”

⑥ 如果“WeldResultLocation = MidElementEdge”，同時(shí)WeldEndElements設(shè)置為“節(jié)點(diǎn)力”，焊線兩端部的單元中將不進(jìn)行疲勞計(jì)算，但是這些單元的節(jié)點(diǎn)力對于應(yīng)力計(jì)算是有貢獻(xiàn)的，因此推薦排除這些單元進(jìn)行計(jì)算，在分析組屬性中設(shè)置“WeldEndElements=Exclude”。

圖5

ANSYS nCode DesignLife利用節(jié)點(diǎn)力和力矩提取應(yīng)力進(jìn)行焊縫疲勞計(jì)算，獲得全局坐標(biāo)系每一個(gè)單元節(jié)點(diǎn)上的力 和力矩 。如圖5所示藍(lán)色單元表達(dá)的是焊接單元，綠色單元表達(dá)的焊趾單元。焊趾單元的應(yīng)力計(jì)算考慮如下，例如以圖中單元6為例，結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算之前，需要確定沿著焊趾單位長度的力和力矩。定義力和力矩作為矢量，單元6上節(jié)點(diǎn)7的節(jié)點(diǎn)力和力矩按照如下進(jìn)行表達(dá)：

結(jié)構(gòu)應(yīng)力求解過程按照如下進(jìn)行：

① 定義焊趾單元和面

② 定義局部坐標(biāo)系，局部坐標(biāo)系的x軸法相于單元的邊，z軸是單元6的7、8節(jié)點(diǎn)的平均法相，相對于焊趾面方向朝上。

③ 計(jì)算線力和力矩

線力f和力矩m，是沿著焊趾單位長度的力和力矩。

平均化上面計(jì)算的線力和力矩賦予給單元6焊趾邊的中間位置。

④ 在局部坐標(biāo)系進(jìn)行求解轉(zhuǎn)換

⑤ 計(jì)算垂直于焊趾的應(yīng)力

垂直于焊趾的應(yīng)力由膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力組成，其中t是焊趾單元的厚度，計(jì)算如下：

⑥ 寫結(jié)果進(jìn)入文件提交求解

圖6是兩個(gè)計(jì)算算例的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算過程與一般的應(yīng)力、應(yīng)變疲勞計(jì)算流程相同，注意材料選擇過程對于焊趾、焊根、焊喉材料的添加過程，其他具體操作略。

圖6

寫在文后:

本文僅針對角焊縫（殼體）焊縫單元創(chuàng)建和計(jì)算的準(zhǔn)則基于ANSYS nCode Theory手冊進(jìn)行編寫。水平有限，錯誤較多，另外原文成稿較早，截取原文部分并非完整，請嚴(yán)禁直接應(yīng)用于企業(yè)項(xiàng)目的產(chǎn)品分析以免造成重大事故和傷害。

另外，本例建立的有限元模型不能作為評估焊縫極限強(qiáng)度計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行使用。