有限元分析 (FEA) 焊缝到底该怎么建模
您是否经常面临对焊接部件执行有限元分析 (FEA) 的任务？您是否想知道如何在该分析中正确建模焊缝？本文旨在解释我们在阿波罗工程设计集团使用的热点方法来建模和预测焊缝应力的方法。然后，我们将探索几种不同的选项，人们可以选择这些选项来模拟焊缝，并与使用热点法获得的结果进行比较。
角焊缝术语
术语：
趾部 – 母材和焊缝材料相交处的焊缝外边缘。
根部——与焊接面相对的点，焊接材料和母材相交处。
腿 - 从母材的一个面到相对的脚趾的距离
材料厚度——热点法的一个重要参数（稍后讨论）。
预测焊接应力几乎是不可能的
在深入研究角焊缝的有限元分析之前，了解有关焊接应力的一些知识非常重要。首先，焊缝中的应力几乎不可能高精度预测。图纸、有限元模型和其他分析中指定的理论焊缝尺寸很少会成为现实。 焊接主要是手动过程，在很多层面上都会出现错误，包括母材的化学成分、焊缝尺寸和形状，以及每个焊工的独特方法和设置。没有两个焊缝是完全相同的，而且物理焊缝很少与工程师或设计师的理论模型完全匹配。因此，符合常见行业标准（例如 AWS 和 AISC）的焊接接头通常在疲劳情况下具有较低的许用应力。
与理论模型的偏差：
基材——这包括化学成分的变化、表面缺陷、局部腐蚀等。
热影响区——焊缝和母材以不同的水平和速率加热和冷却，导致沿接头长度的硬度和强度发生变化。
微裂纹——焊接过程中可能会形成小裂纹。
翘曲——通过焊接接头附近的受影响区域加热然后冷却会导致基材变形。
残余应力——由于冷却速度的原因，热引起的应力可能会残留在接头内部和周围。
奇点问题
除了认识到使用 FEA 模型预测焊接应力相关的陷阱之外，了解解释相同应力的复杂性也同样重要。一般来说，FEA 模型中的焊接表示会产生尖角，从而导致不连续和/或不收敛的几何形状。这些不连续性通常会导致附近节点出现奇点。
奇点是网格中应力未收敛到特定值的点。随着网格的细化，该点的应力增加，没有明显的限制。理论上，奇点处的应力是无穷大。FEA 分析师必须识别模型中的这些奇点并正确解释它们。
下面的等值线图展示了焊接 T 形接头模型中的奇点：
板厚度 – 1/4 英寸
焊缝表示 - 倒角
边界条件 – 固定在基板边缘
加载 – [50,50,50] lbf 施加到顶部边缘
初始模拟：
初始模拟显示最大应力为 4474.6 psi。
第一次细化：
细化网格并重新运行模拟显示最大应力为 5515 psi。
第二次细化：
第二次改进将最大应力增加到 7313.7 psi。
第三次细化：
最终细化显示最大应力再次增加至 8783.1 psi。
收敛图显示每次模拟如何将应力增加大约 20%。 这是有限元模型中奇点的典型示例。 焊缝边缘的高应力不能被认为是准确的。
热点法
如前所述，由于 FEA 焊接模型中存在奇点，因此使用称为热点法的方法作为预测建模焊缝趾部应力的可靠方法。热点方法的理论已得到充分记录和测试。请参阅使用有限元分析进行电镀结构的疲劳设计：Lotsberg。
简而言之，热点法产生的应力是焊趾处应力的线性插值。 通常，焊缝作为倒角包含在 FEA 模型中。 在以下示例中，我们将使用倒角圆角来表示焊缝并识别焊趾。
进行两次应力测量，每次均偏离焊趾（如图所示）。 Lotsberg 建议在距最近焊趾 T/2 和 3T/2 的距离处进行两次测量（T = 板厚度）。
根据上述 FEA 模型的两个测量值，我们使用以下计算来求解插值热点应力。如下所示，计算出的热点应力 4881.7 psi 将用作“基线应力”，以下 FEA 模型结果将与该基线应力进行比较。
模拟焊缝的其他方法
我们使用 5 个不同的 FEA 模型进行了测试，每个模型都使用相同的网格尺寸和类型（六角元素为 0.05）进行细化，并且每个模型都在上述 Hotspot FEA 模型中执行的相同负载条件下进行。 我们在建模时焊趾所在的位置对每个模型进行了应力测量，然后将结果与使用热点方法建立的基线进行比较（如上所示）。
模拟1
(单个部件，无焊缝.)
模拟2
(两个部件，无焊缝，绑定解除.)
模拟3
(单个部件，焊缝建模为倒角.)
模拟4
（单体。焊缝建模为圆角。）
模拟5
（多体。焊缝建模为三角形挤压。焊缝和板之间的粘合接触。板之间的无摩擦接触。）
结论
比较此理想化测试的结果，我们发现最准确的结果来自模拟 5，应力读数偏差为 3.7%。下一个最接近的读数是模拟 4，然后是模拟 3。模拟 1 和 2 的偏差最高，顺便说一句，它们是唯一不代表实体焊缝的模型。很难说哪种方法能产生最佳结果以及如何将上述结果应用于更复杂的有限元分析模型。 网格类型、单元大小和奇点的存在都会影响最终结果。然而，在上述研究中，模拟 5 产生了最好的结果。
有一件事确实很突出：如果分析师决定不使用热点法来分析 FEA 焊接应力结果，那么包含模型焊缝比完全不包含焊缝会更准确。在复杂的焊件中，这通常被证明是不切实际的。因此，了解简化 FEA 模型的潜在误差是关键。
