焊接疲劳分析建模方法

焊接因连接性能好、焊接结构刚度大、整体性好、焊接方法多、焊接工艺适应性广等特点，在现代工业中广泛应用于车辆、航空、航天、船舶、海洋结构、压力锅炉、化工容器、机械制造等方面的建造。但是在焊接结合处，由于存在异材结合、几何突变而导致了局部应力集中，这也使得焊接处往往成为结构疲劳破坏的薄弱环节。

焊接位置的应力集中也使得一般的SN、EN 分析不再适用于焊接疲劳评估，需要有专门针对焊点、焊缝的疲劳评估方法。本章介绍基于结构应力法的焊点疲劳及焊缝疲劳评估方法。

24.1焊点疲劳分析

24.1.1 焊点疲劳建模方法

在OptiStruct焊点疲劳分析中，支持采用CBAR、CBEAMH十所工、立焊点模型。在焊点疲劳分析中，需要用到焊点单元内部的弯矩、力及焊点直径，对于CBARCBEAM、CWELD一维单元，这些值很容易获得，而对于CHEXA+RBE3建模，内部需要对节点力进行转换，同时需要得到一个等效的焊点直径。

当采用CWELD单元建模时，PWELD卡片上的TYPE需要设置为SPOT。当CWELD卡片上TYPE=PARTPAT/ELPAT/ELEMID时，CWEID单元的几何长度将被忽略，实际计算的有效长度为1=1/2(1+4)，其中、“为被连接的两块板的板厚。当CWELD卡片上的TYPE为其他类型，且CWELD单元的几何长度与其直径比率满足0.2≤L/D≤5.0时，CWELD单元将采用实际几何长度进行计算：当L/D≤0.2时，0piStnuct内部采用0.2D计算;当L/D≥5.0时，OptiStruct内部采用5.0D计算。

当采用CHEXA单元建模时，可以通过HyperMesh建立ACM焊点，通过该方法建立的CHEXA单元如图24-1所示，单元的1、2、3、4号节点定义的面与其中一个被连接的壳面通过多个RBE3连接，5、6、7、8号节点定义的面与另一个被连接的壳面通过多个RBE3连接。1、2、3、4号节点的节点力及弯矩会等效到这个面的中心点位置，4、5、6、7号节点采用同样的方法将力及弯矩等效到这个面的中心位置。焊点直径为上、下面的最小内切圆直径。

图24-1 CHEXA焊点单元建模示意图

24.1.2 焊点疲劳评估方法

焊点疲劳评估需要评估三个位置的损伤，即焊点与母板连接处的损伤及焊核本身的损伤，如图 24-2 所示。

图24-2点劳评估位置

在焊点疲劳分析中，需要对三个位置分别赋予SN曲线，故有必要对上、下两个位置进行区分以CBEAM为例，两块板通过CBEAM相连，与CBEAM单元GA点相连的壳为母板1，与GB点相连的壳为母板 2，如图 24-3 所示。

图 24-3CBEAM卡片

（1）焊点与母板连接处的损伤评估如图24-4所示，焊点与母板连接处的损伤评估采用径向应力法，沿焊点一周取n个临界平面(临界平面的个数可通过FAT-PARM卡片上的NANGLE设置，默认为20个)，在每个平面上计算径向应力，由径向应力采用 SN疲劳评估方法计算每个临界平面上的损伤，所有临界面上的最大损伤代表该位置的损伤。

表该位置的损伤。径向应力可通过一维单元的轴力人、广和弯矩m,、m,得到，如图24-4所示，对于CHEXA 单元可通过等效方法转换得到相应的轴力及弯矩，不同临界面上的径向应力与临界面的角度0有关。

式中，D为焊点的直径;T为被连接板的厚度。

（2）焊核位置损伤评估

焊核位置损伤评估首先计算临界平面上的正应力及剪应力，然后通过正应力及剪应力计算该平面上的最大主应力。其中临界面上的正应力和剪应力是一维单元的轴力、弯矩及临界平面角度的函数，其表达式为

在得到临界面上的剪应力和正应力后，可通过下面的表达式得到临界面上的最大主应力。

取g、0,中绝对值较大的应力作为评估应力，采用SN应力评估方法评估该临界面上的损伤所有临界面上的最大损伤代表该点的损伤。

24.1.3 焊点疲劳平均应力修正

焊点疲劳评估的实质是采用SN方法进行疲劳损伤评估，平均应力对疲劳寿命的影响同一般的SN 疲劳分析。OptiStruct焊点疲劳平均应力修正支持 FKM 方法，详见第 22 章高周疲劳分析。

24.1.4 焊点疲劳厚度修正

焊点疲劳SN曲线是通过指定厚度的试验件得到的，在实际应用中，被连接件的厚度并不总是等于试验件厚度，在应用标准的SN曲线时，需要对厚度进行修正。OptiStruct采用的修正方法为

式中，σ为修正前应力；σ为修正后应力;7为实际板厚；7为参考板厚，可通过PFATSPW 卡片上的 TREF字段设置；"为厚度修正指数，可通过PFATSPW卡片上的TREF_N字段设置。

本篇内容取自HyperWorks进阶教程系列的《OptiStruct结构分析与工程应用》，版权归原作者所有，如有侵犯您的权益，请及时联系我们，我们将立即删除。