【多学科仿真】工艺-结构-疲劳耦合仿真方案介绍

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了一种工艺-结构-疲劳耦合仿真方案，该方案可以解决焊接残余应力对疲劳寿命的影响问题。该方案使用同一套网格模型，分别进行工艺仿真、结构仿真和疲劳仿真，最后将结果导入疲劳仿真软件进行疲劳寿命分析。该方案经过验证，可以准确考虑焊接残余应力对疲劳寿命的影响。

1 背景介绍

通常在仿真领域，疲劳问题大都作为二级学科来考虑。先做结构有限元仿真得到应力或应变，然后做疲劳仿真得到损伤和寿命。这种先结构后疲劳的仿真方案比较成熟，但随着工艺仿真的普及使疲劳仿真考虑工艺影响成为可能，结构工程师们大都迫切需要“更成熟”的疲劳仿真方案。

2 解决方案

工艺-结构-疲劳耦合问题，本质上就是带预应力的结构疲劳问题。动载荷作用过程中，工艺仿真结果是始终不变的预应力，有限元结果是随动载荷变化的结构应力，也就是应力历程=预应力 K*结构应力，K为载荷历程。那么在疲劳仿真之前，工艺和结构的应力结果需要独立存在两个工况里，不能提前合并到一起。

MSC公司在工艺、结构和疲劳三个方面都有成熟的仿真软件，因此解决这类耦合仿真问题更得心应手，完全不需要借助第三方软件进行结果转换。使用同一套网格模型，用Simufact做工艺仿真，用Nastran做结构仿真，然后分别将结果导入MSC Fatigue做疲劳仿真。

3 耦合算例

3.1 焊接仿真过程

以焊接结构为例，先用Simufact.Welding做焊接仿真，设置输出t16格式的结果文件，如图1所示。

图1 焊接仿真输出t16格式的结果文件

在Simufact.Welding中预览焊接过程中应力云图的变化情况，如图2所示。

图2 焊接过程中应力云图

3.2 结构仿真过程

使用Patran&Nastran做结构仿真，做四边固支约束和顶部向上的1000N机械载荷，如图3所示。

图3 结构仿真边界条件

采用SOL 101和线性接触算法，仿真后应力云图如图4所示。

图4 结构仿真的应力云图

3.3 疲劳仿真过程

新建一个Patran（MSC Fatigue集成在Patran里）模型文件，分别导入焊接的t16格式结果和结构的xdb结果。做疲劳分析的载荷设置时需要先定义一个结构载荷历程，如图5所示。

图5 结构载荷变化历程

将这个动载荷与结构应力关联，焊接应力设置成静载荷关联，如图6所示。

图6 完整的载荷设置

设置好其它选项，提交计算并显示带预应力的疲劳寿命结果如图7所示。

图7 带预应力的疲劳寿命云图

作为对比，再提交计算一次不带预应力的疲劳寿命，结果如图8所示。

图8 不带预应力的疲劳寿命云图

从两张寿命云图中不难看出二者的差异，这可以说明该仿真方案可以考虑焊接残余应力对疲劳寿命的影响。

4 总结

预应力疲劳仿真问题在疲劳软件的官方案例里都有涉及，是经过验证的仿真方法。带残余应力的结构刚度会有一定程度的变化，因此直接结构仿真的应力结果会存在一定偏差。根据实际工程经验判断，大多数结构焊接热影响区刚度变化很小，因此结构应力计算不是必须使用更新后的刚度。

Patran是一款通用前后处理程序，工艺-结构-疲劳耦合仿真方案中结构应力的来源几乎不受限制，因此实际使用时非常灵活。Patran支持的求解器如图9所示。

图9 Patran支持的求解器