焊缝疲劳分析！名义应力法，热点应力法，全网最详尽！

    众所周知，疲劳强度评定是强度评定的难点，本号有多篇文章写过相关主题，感兴趣的读者可以翻阅前作。

    切身体会，在疲劳评定中，专业度最高，复杂度最高的要属焊缝疲劳评定。近期，本号计划开设焊缝疲劳评定系列直播。敬请关注！

    本文主要基于IIW(国际焊接学会)的官方资料，介绍焊缝疲劳评定的一些主要概念和基础知识，为后续焊缝疲劳分析打下一个坚实的基础。

    本文涉及：应力分类，名义应力法，热点应力法。

    缺口应力(总应力)可以分为薄膜应力、弯曲应力、非线性应力的组合。由计算公式可知薄膜应力沿壁厚平均分布。

    名义应力的计算，不考虑焊缝细节导致的应力集中效应，但考虑焊接接头几何形状导致的应力集中效应，比如较明显的切口。基于弹性分析。

    名义应力的公式计算简介：

    名义应力的仿真计算建议：

    1）有限元分析适用于：超静定复杂结构场景；需要考虑焊接接头的几何不连续但缺少公式计算方法的场景。

    2）如果使用有限元分析，网格划分可以粗疏。获得的局部名义应力，必须确保排除焊缝结构细节的应力集中效应。

    3）如果通过粗疏的有限元网格计算角焊缝的名义应力，则在穿过焊缝的截面中应该使用节点力而不是应力。

    4）如果使用有限元分析，更推荐结构热点应力法。

    笔者评述：

    1）名义应力不包含焊缝细节的应力集中效应，但包含焊接接头几何不连续的应力集中效应。

    2）究竟什么样的网格能忽略焊缝细节效应但能体现接头几何不连续效应？没有明确的标准，也无法确保。所以每个人做出的结果不一样。

    3）提取节点力代替应力，再结合公式计算方法，是一个不错的选择，也是同行目前常用的评定方法。

    4）如果评定全程都采用有限元方法，不涉及公式计算方法，热点应力法更适合。

    在有限元分析的基础上，使用应力参考点(有明确位置规定)，通过外推方法(有明确外推方法)，获得焊趾位置的应力，称为焊缝的热点应力。

    热点的类型：a，板面上的焊趾；b，板边上的焊趾。

    热点应力的仿真计算建议：

    1）使用壳单元：推荐使用8节点壳单元(二阶)；在简化模型中，焊缝可以不建模，除非结果受局部弯曲影响，在这种情况下，焊缝可以用具有适当刚度的垂直或倾斜壳单元来建模，或者通过引入约束方程或刚性杆来耦合节点位移实现等效。

    2）使用实体单元：推荐使用20节点六面体单元(二阶)；焊缝通常需要建模；如果板厚只有一层单元，推荐使用外推法获得焊趾应力；如果板厚有多层单元，可以直接在焊趾位置沿板厚进行线性化应力获得焊趾应力。

    外推方法。

    热点类型a的外推方法。

    第一种，线性外推方法：

    第二种，二次外推方法，该方法适用于板厚较大场景：

    第三种，线性外推方法：

    热点类型b的外推方法。

    第一种，二次外推方法：

    第二种，线性外推方法：

    笔者评述：

    1）热点应力法完全基于有限元分析。

    2）应力参考点和外推方法都有明确规定，所以每个人做出的结果基本会一样。

    3）热点应力法对网格划分尺寸有明确要求，所以可能会增加网格划分耗时，可以考虑将这块工作程序化自动化。

    4）如果使用有限元分析，确实更推荐结构热点应力法。

来源：华仿CAE