Mechanical联合ANSYS nCode DesignLife 在实体焊缝疲劳分析中的应用

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引言：ANSYS nCode DesigenLife具有强大的焊缝疲劳分析能力，由于分析过程的复杂性， ANSYS Workbench工作平台预定义7类nCode DesignLife疲劳分析模块并不包括对于焊缝疲劳的相关分析，需要间接完成。

ANSYS nCode DesigenLife焊缝疲劳分析能够对薄壁结构进行，同时也能够基于非薄壁结构进行实体焊缝疲劳模拟，如图1所示。

实体焊缝疲劳分析，基于结构应力法，对于实体网格建立的焊缝分析具有相当的普适性，相对于热点应力法，无需对网格进行强制控制。

限于篇幅，本文仅对实体焊缝疲劳分析一般流程进行概述。

①　基于“DesignLife theory”对实体焊缝疲劳分析方法进行概述；

②　基于ANSYS Mechanical创建有限元求解；

③　基于nCode Weldline创建实体焊缝信息；

④　基于ANSYS nCode DesignLife进行实体焊缝疲劳求解引擎求解。

图1

一、实体焊缝模型创建准则

1、ANSYS nCode DesignLife实体焊缝分析方法

ANSYS nCode DesignLife实体焊缝分析理论中对于实体焊缝评估采用结构应力法，与热点应力法（距离焊趾表面一定距离的两点或三点，进行线性或二次插值计算来确定焊趾处的热点应力值，如图2所示）相比较，结构应力法对于网格无需特殊考虑，对网格敏感程度相对较低。

图二

结构应力法满足平衡条件并可以采用结构力学的方法进行计算，结构应力是膜应力和弯曲应力之和。结构应力法需要用户自定义“Stress Classification Lines (SCL)”应力等级线去确定膜应力和弯曲应力。

如图3所示，x轴代表SCL的路径。轴1和轴2定义的平面包含用于求解的应力分量。模型中应力首先传递给局部坐标系，应力分量而后沿着SCL进行积分。

图3

膜应力积分方程如下：

弯曲应力积分方程如下：

2、实体焊缝求解引擎特殊配置

ANSYS nCode DesignLife进行实体焊缝疲劳分析，需要对焊缝疲劳求解引擎高级编辑“Advanced edit”配置选项设置焊缝类型“SeamWeldType=SolidWeld”。

当焊缝类型配置定义为实体焊缝，“FE Import group”配置选项将额外出现3个属性选项，如图4所示。

图4

(1) WeldDefinitionFilename

XML文件格式，用于定义焊缝位置和方向，可以在ANSYS Workbench平台下通过ANSYS Mechanical环境下工具“nCode Weldline”定义获得。

(2) MaxWeldDepth

用于确定“Stress Classification Lines (SCL)”应力等级线的结束点位置，可以是零件另一侧或零件内部位置。通过ANSYS Mechanical环境下，借助“nCode Weldline”定义，定义后的信息可以在“FE Import group”中进行修改。

(3) NumWeldLayers

起始点和终点路径上，创建一系列的层，应力在每层的中心进行提取，如图5所示

图5

3、Stress Classification Lines (SCL)文件定义与应力提取

(1) SCL文件信息内容应该包括

① 起始位置；

② SCL方向矢量；

③ 垂直于SCL方向矢量；

④ 可选焊缝深度长度。

(2) SCL参照坐标系定义

①　Vn被定义为一个单位矢量，与SCL路径相反方向，如图6所示。

②　Vt被定义为垂直于Vn的一个单位矢量，垂直于焊趾。

③　Ve被定义为一个单位矢量，同时垂直于Vn和Vt。

图6

(3) SCL确定与应力提取过程

第1步：确定模型SCL起始位置

沿着矢量Vn投影焊缝的起始位置在模型的表面；表面的选择临近起始位置并具有合理面法相，面法相与Vn的角度需要小于90°。

第2步：确定SCL另一端位置

在“FE Import group”中进行“MaxWeldDepth”配置，SCL结束端位置取决于“MaxWeldDepth”，以确定落在零件外部或者内部，焊缝定义文件能够重写“FE Import group”定义的“MaxWeldDepth”。

第3步：建立开始点和终止点之间层

根据开始点和终止点，建立一系列的层，如图5所示。层的数量由“FE Import group”中“NumWeldLayers”属性进行指定。

应力提取在每层的中间进行，位置按照如下公式给出：

其中：

X_i是第i 层的中心位置；

第4步：对每一个应力提取点提取应力

① 定义提取点位置的单元。

② 通过插值单元节点应力，计算在这个点的应力张量。

③ 转换应力张量到由Vt，Ve，Vn定义的参考坐标系。

④ 求解膜应力和弯曲应力分量。

①膜应力分量

②弯曲应力分量

③膜应力和弯曲应力组合

Top面的应力：

Bottom面的应力：

二、nCodeWeldline实体焊缝定义

图7

“nCodeWeldline”基于ANSYS Mechanical求解环境，定义实体焊缝SCL文件如图7所示。

1、 “Edges for weld locations”用于指定一条或者多条边以定义焊缝位置。

2、“Surfaces to define normals”用于定义法相（选择的面和边需要相邻）。

3、 “WeldLine Name”定义焊缝表达线名称。在焊缝疲劳分析的配置文件中焊缝表达线的命名需要彼此不同，多次插入即可。

4、 “Existing Weldline file selected”有两个选项，Overwrite和Append，前者改写，后者进行附加补充。例如对第二条焊缝就需要采用Append进行补充信息录入。

5、 “File Path”配置文件存放的路径，nCode DesignLife中需要对配置文件进行指定。

6、 “Weld Definition Type”包括两种形式。

a) Number of Welds控制焊缝创建的焊缝路径上的评估点的数量。

b) Weld Pitch定义焊缝创建线评估点的空间间距。

7、 “Use Local Max Weld Depth”用于确定是否需要指定焊缝“Max Weld Depth”深度尺寸。

8、 “Reverse” 用于确定Top和Bottom面。

三、ANSYS nCode DesignLife实体焊缝疲劳分析流程

1、搭建有限元分析基本流程

根据疲劳载荷工况，搭建静力学分析项目，例如图8中搭建两个载荷工况，值得注意的是，nCode DesignLife求解计算需要网格信息的一致性。

图8

静力学分析结果如图9所示，注意这个等效应力结果不能作为焊缝静力学评价标准（仅能作为疲劳分析中应力分布趋势观测使用）。

图9

2、定义焊缝SCL文件

依据第2节说明进行焊缝文件的定义，注意在焊缝疲劳分析的配置文件中焊缝表达线的命名需要彼此不同。多条焊缝下“Existing Weldline file selected”需要选择“Append”。鼠标右键点选“Evaluate All Results”生成焊缝信息到指定存放路径，如图10所示。

图10

3、实体焊缝疲劳分析概述

图11

ANSYS Workbench平台并没有直接的nCode DesignLife焊缝疲劳预定义分析模块，但可以间接更改疲劳求解引擎进行求解，且采用ANSYS Workbench数据管理系统便于管理。

例如按照图11所示引入A6和B6单元格求解信息进入C3单元格，修改项目名称为【nCode SN Solidseam(DesignLife)】，方便识别工程分析内容。

ANSYS nCode DesignLife分析环境替换预定义求解引擎为焊缝疲劳引擎“Seam weld CAE Fatigue”，并完成输入和输出通道之间连接，如图11所示。

nCode DesignLife疲劳计算一般需要考虑如下诸多环节：

A、有限元载荷输入

注意求解引擎高级编辑“Advanced Edit”中“FEResultsImport Welds_Fillet”下的子项“WeldDefinitionFilename”要配置ANSYS Mechanical建立的“nCode Weldline”文件存储路径。

B、疲劳载荷配置

ANSYS nCode DesignLife支持的多种载荷类型，如图12所示。

图12

例如，时序载荷应力时间历程考虑材料比例因子和应力偏移在总体比例系数的公式应按如下定义：

“Hybrid”与 “Duty Cycle”较为类似，区别在于“Hybrid”对载荷子项仅考虑叠加，而“Duty Cycle Load Provider”对子项考虑事件顺序过程，能够通过“Event Processing”项处理和修正，如图13所示。

① 独立Independent：事件损伤是独立计算，总损伤是独立计算加和。

② 快速合并Combined Fast：计算速度更快，考虑事件残差循环，更精确。

③ 完全合并Combined Full：考虑全部事件和全部循环。

图13

C、疲劳材料赋予

材料配置行为需要修改“Material Type=Seam Weld”，并对各焊缝“Weld Toe Material、Weld Root Material、Weld Throat Material”进行对应材料分配，如图14所示。

图14

D、实体焊缝求解引擎设置

(1) 可以选择none或者标准SN方法。

(2) 应力组合方法考虑采用AbsMaxPrincipal, CriticalPlane或者WeldNormal（仅当WeldResultsLocation=MidElementEdge）。

(3) 能够考虑德国机械工程学会标准FKM进行平均应力修正，通过M1到M4的4个系数，定义4个区域内平均应力敏感程度，如图15所示。

4个区域：

① R>1

② –infinity <= R < 0

③ 0 <= R < 0.5

④ 0.5 <= R < 1

M1到M4参数估算方法：M1到M4参数估算方法来自于材料测试或者公式估计，采用公式估算具体如下：

图15

(4) 多轴评估提供如下3个子选项：

① None：不进行任何多轴评估。

② SimpleBiaxiality：采用简单双轴评估。

③ Standard：处理多轴和非比例局部载荷问题更加稳健。

实体焊缝求解引擎配置选项，例如存活率等不再进行说明，其他特殊配置参阅前文说明。最后求解引擎的设置类似图16所示。

图16

E、提交求解

提交求解后，“The Run Number, Analysis Number, 及 Entity Number”将会实时显示更新。

“FEDisplay1”自动更新求解结果，最大化结果显示。点选“Fatigue_Results_Display”功能图标Glyph，右键弹出快捷方式，选择“属性”一栏。修改结果类型“Result Type=Life”，点选确定观察云图修改结果同时显示热点列表和关注的热点编号，结果如图17所示。

图17

四、写在文后

本文首先对实体焊缝疲劳分析基于结构应力法进行原理说明，其次对nCodeWeldline定义SCL焊缝信息文件进行描述，给出ANSYS Mechanical进行强度分析流程，并联合ANSYS nCode DesignLife在实体焊缝疲劳分析求解部分配置进行简要说明。以期许能够对实体焊缝疲劳的应用起到一点提示作用。

限于笔者水平，错误在所难免，还请指正。

作者：付稣昇，男，安世中德结构仿真咨询专家，中国机械工程学会机械工程师（认证），仿真秀科普作者，目前主要从事大型机械结构的强度、疲劳、复合材料、动力学以及优化等有限元计算工作，编著出版《ANSYS Workbench17.0数值模拟与实例精解》一书。

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首次发布时间：2022-01-21