寫在文前:
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) 的焊接分析模擬棵逊，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)行恢筝。ANSYS nCode DesigenLife焊縫疲勞分析采用結(jié)構(gòu)應(yīng)力法進(jìn)行計算，具有好的網(wǎng)格不敏感性，目前該方法也適用于以實體建模的焊縫疲勞分析垢箕。
限于篇幅本文僅針對角焊縫（殼體）焊縫單元創(chuàng)建和計算的準(zhǔn)則基于ANSYS nCode Theory手冊進(jìn)行編寫站辉，關(guān)于搭接焊縫呢撞、激光焊等請參考相關(guān)文獻(xiàn)資料损姜。
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殊霞，需要根據(jù)焊縫種類進(jìn)行分組摧阅，每一個有限元輸入分組應(yīng)對應(yīng)疲勞引擎中對應(yīng)的有限元焊縫類型，并設(shè)置一個合理的參數(shù)數(shù)值绷蹲。
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)四邊形單元為主棒卷，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)祝钢。
③ 焊縫網(wǎng)格規(guī)整娇跟，尺寸以5mm為最好，規(guī)避三角形網(wǎng)格出現(xiàn)太颤。
④ 疲勞分析焊縫單元需設(shè)置特殊焊接屬性苞俘。
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算評估使用龄章，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)行計算吃谣，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)行計算做裙，采用焊縫單元中心位置應(yīng)力進(jìn)行岗憋，焊喉部分疲勞壽命計算，基于焊縫單元“兩條焊線”計算锚贱，后平均到中心位置仔戈。節(jié)點(diǎn)力方法需要采用線性單元。
二拧廊、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)监徘，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)域評估是一個測試功能吧碾，并不推薦計算）凰盔。
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)指向施焊人員倦春，如圖1中B圖所示户敬。
② 焊縫單元節(jié)點(diǎn)，在表達(dá)焊趾的直線上睁本。
③ Lw長度應(yīng)由實際焊趾尺寸確定尿庐，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呢堰、角焊縫的截面采用兩組單元創(chuàng)建
如圖1中C圖所示抄瑟，確定焊接單元法相定義。
焊縫單元厚度推薦為：
亦或定義為：
三暮胧、角焊縫計算要點(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”锐借、“WeldResultLocation”、“ WeldEndElements”的配置往衷。
求解引擎屬性中“EntityDataType”控制采用的數(shù)據(jù)類型钞翔，如圖2所示。
①?? Stress：直接采用應(yīng)力作為疲勞評估計算席舍。
②?? ForceMoment：采用節(jié)點(diǎn)力和力矩提取疲勞計算的應(yīng)力布轿。
③?? Displacement：采用位移量提取進(jìn)行疲勞計算的應(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)行評估来颤，如圖3所示汰扭。
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)力計算要點(diǎn)的說明福铅，其他方法可以參閱相關(guān)技術(shù)文檔萝毛。
“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)力被提取（Weld Top面）滑黔，平行的正應(yīng)力和剪應(yīng)力不進(jìn)行計算笆包。
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)力略荡，方向垂直于該邊庵佣。
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汛兜。?
圖4?
⑤ 如圖4所示焊線兩端端部單元作為“Optional elements”選擇單元巴粪，是否進(jìn)行選擇計算是根據(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”粥谬，在分析中將考慮焊線端部單元肛根，疲勞計算將在這些單元中進(jìn)行，除非“WeldResultLocation設(shè)置為MidElementEdge”
⑥ 如果“WeldResultLocation = MidElementEdge”漏策，同時WeldEndElements設(shè)置為“節(jié)點(diǎn)力”晶通，焊線兩端部的單元中將不進(jìn)行疲勞計算，但是這些單元的節(jié)點(diǎn)力對于應(yīng)力計算是有貢獻(xiàn)的哟玷，因此推薦排除這些單元進(jìn)行計算狮辽，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)行焊縫疲勞計算巢寡，獲得全局坐標(biāo)系每一個單元節(jié)點(diǎn)上的力 和力矩 喉脖。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)的焊趾單元抑月。焊趾單元的應(yīng)力計算考慮如下树叽，例如以圖中單元6為例，結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算之前谦絮，需要確定沿著焊趾單位長度的力和力矩题诵。定義力和力矩作為矢量洁仗，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軸法相于單元的邊性锭，z軸是單元6的7赠潦、8節(jié)點(diǎn)的平均法相，相對于焊趾面方向朝上草冈。
③ 計算線力和力矩
線力f和力矩m她奥，是沿著焊趾單位長度的力和力矩。
平均化上面計算的線力和力矩賦予給單元6焊趾邊的中間位置怎棱。
④ 在局部坐標(biāo)系進(jìn)行求解轉(zhuǎn)換
⑤ 計算垂直于焊趾的應(yīng)力
垂直于焊趾的應(yīng)力由膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力組成哩俭，其中t是焊趾單元的厚度，計算如下：
⑥ 寫結(jié)果進(jìn)入文件提交求解
圖6是兩個計算算例的計算結(jié)果拳恋，計算過程與一般的應(yīng)力凡资、應(yīng)變疲勞計算流程相同，注意材料選擇過程對于焊趾谬运、焊根讳苦、焊喉材料的添加過程，其他具體操作略吩谦。
圖6
寫在文后:
本文僅針對角焊縫（殼體）焊縫單元創(chuàng)建和計算的準(zhǔn)則基于ANSYS nCode Theory手冊進(jìn)行編寫鸳谜。水平有限，錯誤較多式廷，另外原文成稿較早咐扭，截取原文部分并非完整，請嚴(yán)禁直接應(yīng)用于企業(yè)項目的產(chǎn)品分析以免造成重大事故和傷害滑废。
另外蝗肪，本例建立的有限元模型不能作為評估焊縫極限強(qiáng)度計算的數(shù)據(jù)進(jìn)行使用。
作者：付穌昇?左平?仿真秀專欄作者
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