FKM规范针对焊接构件的静强度及疲劳强度评估方法（中）
本文摘要（由AI生成）：
本文介绍了基于FKM规范的FKM inside ANSYS软件在焊接构件焊缝评估方面的功能和应用。软件支持壳模型和实体模型两种建模方式，并分别采用名义应力法和热点应力法进行评估计算。软件能够灵活处理焊缝模型，提高计算效率，并生成全面系统的计算报告。与手动计算相比，软件具有更高的智能性和可靠性，能够减少计算错误和提高计算效率。本文作者王庆艳是安世中德工程师，具有多年的CAE行业技术服务和工程技术经验，负责FKM规范和VDI2230规范相关的工具开发工作。
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。
FKM inside ANSYS软件是在FKM 规范的基础上，在ANSYS Workbench内开发的进行母材及焊缝静强度和疲劳强度评估的工具包。基于ANSYS计算模型的信息，在图形用户界面定义相关设置，利用有限元分析计算结果，自动嵌入FKM规范要求的静强度计算和疲劳强度计算流程和方法，自动将应力结果和相关物理量传递给工具包，无须手动预先选择评估的热点区域，可以自动计算模型表面每个节点的利用率。
本文主要针对焊接件（主要评估焊缝）进行介绍，分上、中、下三篇，FKM规范针对焊接构件的静强度及疲劳强度评估方法（上）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。本篇为中篇，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、操作系统及ANSYS版本
1、支持的操作系统
Microsoft Windows 10（64 Bit）
2、对应的ANSYS 版本
ANSYS18.0及以上版本，目前支持最新版2020R1
二、基础数据准备
1、材料数据库
FKM inside ANSYS中将FKM中构件材料的相关参数都进行了梳理和开发，包含四个材料数据组，分别是铸钢（DIN EN 10293）、细晶粒结构钢（DIN EN 10025）、非合金结构钢（DIN EN 10025）及锻铝合金，同时支持新材料数据的创建，保存。其中针对母材和焊缝的材料库参数稍有不同，焊缝的材料库信息如下所示：
相关属性说明如下：
材料的抗拉强度极限（table 5.1.24/5.1.25）
材料的屈服强度极限（table 5.1.24/5.1.25）
材料的延展率
针对��铁的特殊的非线性因子（大多数情况下=1.0）（table 2.3.9）
疲劳计算时最小Miner累积损伤的下限（0.3<D<1.0）（table 2.4.4）
受拉情况下的压缩强度因子（大多数情况下=1.0）（table 1.2.5）
受压情况下的压缩强度因子（大多数情况下=1.0）（1.0<f<2.5）（table 1.2.5）
铝的软化因子（table 5.1.25）
对称循环剪应力作用下的疲劳强度因子
满焊或对焊，压缩状态下的焊接因子（table 1.3.4/5.1.26）
满焊或对焊，拉伸状态、焊缝质量经验证情况下的焊接因子（table 1.3.4/5.1.26）
满焊或对焊，拉伸状态、焊缝质量未经验证情况下的焊接因子（table 1.3.4/5.1.26）
满焊或对焊，受剪状态、焊缝质量经验证情况下的焊接因子（table 1.3.4/5.1.26）
满焊或对焊，受剪状态、焊缝质量未经验证情况下的焊接因子（table 1.3.4/5.1.26）
部分焊或角焊情况下的焊接因子（table 1.3.4/5.1.26）
2、载荷谱数据库
针对需要定义载荷谱进行评估分析的情况，需要提前完成应力谱数据的定义。基于FKM规范，第一段定义为幅值最高的循环，第一段的幅值为σ_a(有限元模型中计算的幅值),第一段的平均应力为σ_m(有限元模型中计算的平均应力)，在每段谱中n_i代表第i段的循环次数，σ_(a,i)为第i段的幅值，σ_(m,i)为第i段的均值。每段根据幅值大小降序排列。
3、正确计算的应力结果数据
无论是采���壳还是采用实体建立的母材模型，都需要根据实际载荷工况完成各工况结构分析计算。
三、焊接构件模型及定义
针对焊接构件本身，可以支持壳模型及实体模型。当母材采用壳模型建立时，无需建立焊缝。焊缝采用名义应力法进行评估，针对实体模型焊缝采用热点应力法进行评估。
1、母材采用壳模型建立，无需单独焊缝模型
1)针对采用壳模型建模的焊接构件，无需建立焊缝模型，焊缝可以通过接触关系、部件间连接关系、网格连接关系自动搜索，也可以手动添加或删除焊缝。
针对采用壳模型建立的焊接构件，焊缝的定义包含以下信息：
2、母材采用实体模型建立，焊缝模型可以采用实体建立也可以不建立
1)支持如下形式的母材及焊缝模型：
焊接构件各部分作为一个body，无焊线
焊接构件各部分采用接触关系连接，无焊线
焊接构件各部分作为一个body，建立焊线
焊接构件各部分采用接触关系连接，建立焊线
2)对焊缝的定义
四、评估工况的定义
五、评估计算
1、母材采用壳模型
1) 名义应力的计算方法
针对壳结构模型采用名义应力法进行评估计算，如下图所示为局部焊缝截面的定义：
需要提取焊缝的内力（轴力和弯矩），计算焊缝截面积及截面模量，进而计算名义应力。
2)静强度及疲劳强度的评估计算
根据完成的所有设置参数，点击求解按钮即可完成静强度和疲劳强度评估计算。
2、母材采用实体模型
1)应力计算方法
针对实体结构模型采用热点应力法进行评估计算，根据热点类型包括以下插值方法：
A,A（coarse）以及A（quadratic）
B以及B（coarse）
Through-Thickness-Linearization
2)静强度及疲劳强度的评估计算
根据完成的所有设置参数，点击求解按钮即可完成静强度和疲劳强度评估计算。
六、静强度及疲劳强度评估结果
七、计算报告
可以基于关键节点或者是用户自定义的组件生成计算报告，计算报告中包括输入数据、中间过程计算数据以及结果数据。结果数据可以明确的看到计算得到静强度最大利用率的工况以及疲劳评估最大利用率的循环工况。如下图所示为计算报告的部分数据截取：
八、FKM规范及FKM inside ANSYS软件焊接构件计算对比说明
1、FKM规范2020 V6th针对焊接构件的评估进行了更加系统的说明，针对焊接构件区分母材、热影响区以及焊缝区，FKM inside ANSYS软件可针对焊缝进行针对性评估。
2、FKM inside ANSYS软件在功能上实现了对FKM规范焊缝评估内容的全面覆盖，既支持名义应力法（壳模型），也支持局部应力法（实体模型），其中局部应力法采用的是热点应力法。
3、FKM inside ANSYS软件针对焊缝模型处理方式灵活。针对壳模型，无需建立焊缝，支持根据接触、部件以及网格间连接关系快速检索焊缝。针对实体模型，采用结构树方式管理焊缝，无论焊缝是否建立都可以采用热点应力法完成评估，同时在焊趾处无需对节点位置进行特殊处理，程序可以自动进行插值，完成焊趾处热点应力的计算，大大提高计算效率。
4、FKM inside ANSYS软件计算报告内容系统全面，首先对输出关键位置利用率的工况或工况组合（针对疲劳评估）进行了说明，针对多工况评估可以快速找到关键工况或关键工况组合，其次输入输入、中间过程计算出来的参数（例如名义应力或热点应力，各修正系数以及修正后的强度极限等）都可以显示在计算报告中。
5、FKM inside ANSYS软件计算焊缝静强度和疲劳强度，智能快速，计算效率高，计算结果可靠性好，减少人为带来的繁琐公式和数字迭代引起的计算效率低下，避免人为计算导致的计算错误。
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。
