FKM规范针对焊接构件的静强度及疲劳强度评估方法（上）
本文摘要（由AI生成）：
本文主要介绍了FKM规范针对焊接件的静强度评估流程，包括基于名义应力法和局部应力法的评估方法，以及评估过程中需要考虑的因素和修正。同时，文章还介绍了FKM规范中针对焊接构件的疲劳强度评估流程，包括特征工作应力、材料属性修正、设计参数、计算构件疲劳强度极限、安全因子以及疲劳强度评估等步骤。最后，文章还介绍了基于FKM规范开发的FKM inside ANSYS软件针对焊缝的评估功能，以及结合FKM规范针对焊接构件的手动计算实例及软件计算实例。
FKM（《Analytical Strength Assessment of Components in Mechanical Engineering》）规范是德国机械工程研究委员会根据机械产品在实际工程中的应用情况，统计出的针对由钢、铸铁及铝材料制成构件的静强度及疲劳强度的评估规则，考虑了大多数对构件强度（静态和动态）产生影响的因素（表面状况、残余应力、结构细节等），可以基于名义应力法或局部应力法使用利用率对焊接和非焊接构件的静强度及疲劳强度问题进行评估，在欧洲各领域得到了大范围的应用。
本文主要针对焊接件（主要评估焊缝）进行介绍，分上、中、下两篇，上篇主要结合规范，简要介绍基于FKM规范对焊接构件采用名义应力法及局部应力法进行静强度评估的流程，希望大家能够对采用FKM规范对焊缝进行静强度和疲劳评估的过程有概念上的了解。中篇将介绍基于FKM规范开发的FKM inside ANSYS软件针对焊缝的评估功能。下篇将结合FKM规范介绍针对焊接构件的手动计算实例及软件计算实例。
一、FKM规范针对焊接件静强度评估流程介绍
基于FKM规范进行静强度评估过程如下图所示，适用于非焊接件及焊接件。基本过程都是通过应用有限元分析方法、工程计算方法或实验检测得到评估部位的最大使用应力，根据材料特性和结构设计参数得到构件局部强度极限，然后根据安全因子J_ges计算得到焊接件的静强度及疲劳强度利用率。若利用率小于1，则构件在外部载荷或外载荷循环作用下被评估部位满足静强度要求，否则不满足要求。
静强度评估流程
下面将根据上述步骤介绍基于名义应力法及局部应力法进行焊缝静强度评估的过程。
1、特征应力
基于FKM 规范2012 6th版本，针对焊接构件，区分母材（BM）、热影响区（HAZ）以及焊缝区（W），针对静强度评估，最不利的工况为各应力类型或应力分量的叠加。
2、材料属性修正
焊缝的材料强度与母材相同
区别于母材，焊缝不需考虑几何尺寸因子K_d及各向异性因子K_A
针对母材材料为Milled steel及cast steel的构件，强度极限与厚度相关（Table5.1.24）
针对母材材料为Aluminum的构件，强度极限与材料状态相关
压缩强度因子与非焊接构件相同
针对焊缝，不直接采用剪切强度因子，统一采用焊接因子α_(W,τ)修正
软化因子：针对由铝合金制成的焊接构件，特别是针对应变硬化或者热处理合金，由于焊接过程产生的热量会导致强度减小，引入软化铝因子（参考table5.1.25）
3、设计参数：针对焊接构件单独确定设计因子
截面因子n_pl：结构某个区域出现屈服并不会导致整体结构的破坏，通过利用截面因子以充分考虑应力敏感截面或区域的应力梯度对结构强度的影响。截面因子定义为敏感截面或区域的最大理想弹性应力与材料屈服强度的比值（只针对焊接构件受弯的情况需要考虑截面因子）
其中:
E为杨氏模量，Table3.3.3
ε_ertr为总的临界应变，Table3.3.3
R_p为屈服强度，参见Table 5.1.24,Table 5.1.25;
ρ_WEZ为软化因子，Table 5.1.25;
K_p为塑性缺口因子，公式（3.3.8）
焊接因子α_w：考虑焊缝与焊缝周边材料（母材及热影响区）强度的缩减因子
有效软化因子ρ_W：针对软化铝合金，case a）横截面是HAZ的一部分
其中：
ρ_WEZ为软化铝因子，参见Table5.1.25;
A_WEZ为HAZ的横截面积，可以基于Table1.3.5热影响区的宽度进行计算;
A为完整的横截面积；
I_(b,y)为抵抗弯曲的惯性矩
z,y为HAZ与中性轴之间的距离
4、计算构件强度极限
5、安全因子
其中：
j_S为载荷因子;
j_(m,……)为单独的安全因子
K_(T，m)为温度因子，1.2.1.7章节或3.2.1.7章节
j_z：附加部分安全因子
其中及的值参见规范公式1.5.2及1.5.3。
6、静强度评估
二、FKM规范针对焊接件疲劳强度评估流程介绍
基于FKM规范进行疲劳强度评估过程如下图所示，适用于非焊接件及焊接件。基本过程都是通过应用有限元分析方法、工程计算方法和实验检测得到评估部位的交变应力幅值或应力谱，根据材料特性和结构设计参数以及对平均应力、幅值等的修正得到构件局部疲劳强度极限，然后根据安全因子J_ges计算得到焊接件的疲劳强度利用率。若利用率小于1，则构件在外载荷循环作用下被评估部位满足疲劳强度要求，否则不满足要求。
疲劳强度评估流程
下面将根据上述步骤介绍基于名义应力法及局部应力法进行焊缝疲劳强度评估的过程。
1、特征工作应力
针对无限寿命和有限寿命计算，直接采用S-N曲线进行计算，应力幅及平均应力表示如下：
针对变幅疲劳寿命计算，需要根据应力谱对S-N曲线进行修正，FKM中关于应力谱的定义参见FKM规范（2012 6th版）2.13或者4.1.3章节。
对于无限寿命评估、有限寿命评估以及变幅疲劳强度评估，应力随时间的关系区分比例应力，同步应力及非比例应力。
2、材料属性修正
对于焊接构件疲劳强度的决定性因素是具体的设计，取决于结构细节、连接类型以及焊缝的设计。因此针对焊接构件材料属性部分没有特定的参数。
3、设计参数
针对焊接构件的相关设计参数如下：
4、计算构件疲劳强度极限
说明：限于篇幅关系，相关因子的计算公式参见规范内详细说明。
5、安全因子
用于疲劳评估的总的安全因子计算公式如下：
针对焊接构件注意区分材料安全因子，参见表格Table 2.5.3或Table 4.5.3：
6、疲劳强度评估
三、本篇小结
本篇内容对FKM规范中焊接构件静强度及疲劳强度评估过程进行了阐述，简单小结如下几点：
1、FKM规范中区分非焊接构件和焊接构件，其中在FKM2012版针对焊接构件区分母材及热影响区以及焊缝区，各个区域分别进行评估。
2、FKM2012版针对焊接构件考虑了软化铝的影响（参考了DIN4113）,针对焊接构件采用单独的材料表格。
3、FKM2012版针对焊接构件的疲劳强度进行了完整的修正，包括FAT等级、与目前IIW标准对应的安全因子、厚度因子以及残余应力等。
4、焊接构件焊缝采用名义应力法进行静强度评估时，需先对焊缝各应力分量（包括垂直于焊缝的应力，平行于焊缝的应力及剪应力）进行利用率计算，最后计算等效利用率。
5、焊接构件局部应力法进行静强度评估几及疲劳强度评估时可以基于热点应力或缺口应力，本文重点介绍了热点应力。
作者：王庆艳，安世中德工程师，车辆工程专业硕士学位，10多年的CAE行业技术服务、工程技术经验，参与了航空航天、电子、石油石化等多个行业的多个仿真咨询及开发项目，积累了大量工程仿真应用经验。目前同时负责基于FKM规范开发的静强度及疲劳强度评估工具、基于VDI2230规范开发的螺栓强度校核工具的相关技术工作。
