焊接位置应力算不准，怎么算疲劳寿命？

本文摘要：（由ai生成）

本文探讨了焊接结构疲劳寿命评估的挑战，特别是焊接处易导致疲劳破坏的问题。介绍了名义应力法和结构应力法等专门评估方法，以及焊点疲劳仿真和焊缝疲劳分析的不同技术。强调结构应力法在焊接疲劳评估中的优势，并指出仿真结果虽非绝对准确，但能有效识别结构中的薄弱位置。这对于提高焊接结构的耐久性和安全性具有重要意义。

焊接结合处存在异材结合、几何突变而导致局部应力集中，因此焊接处成为结构疲劳破坏的薄弱环节；

焊接位置材料参数无法准确获得，焊接位置存在大量微裂纹，导致有限元方法难以准确计算焊接位置应力应变；

基于以上原因，焊接位置疲劳寿命评估不适合普通的SN、EN疲劳仿真方法，需要专门针对焊点焊缝的疲劳评估方法。

1、焊接疲劳基本思路

既然无法准确计算焊接位置的应力，nCode、Femfat等主流疲劳仿真软件主要使用以下两种方法来计算焊接位置的疲劳寿命。

• 名义应力法：使用远离焊接位置的应力计算疲劳寿命
• 结构应力法：提取焊接位置节点力和力矩，根据理论模型或经验公式，以节点力和力矩为输入计算焊接位置的真实应力

2、焊点疲劳计算原理及特点

• 基于断裂力学的方法：Swellam方法——结果分散性较大
• 基于应力的方法，又称结构应力法，通过有限元计算焊点和焊点边缘节点上的力和力矩
• Rupp-Storzel-Grubisic方法(nCode采用)
• Kang-Dong-Hong方法
• Sheppard方法
• Kang方法

目前多用1D单元模拟焊点，部分企业也使用六面体网格模拟焊点，有限元分析中可轻易获取焊点与母材连接处三个方向准确的力Fx、Fy、Fz以及三个方向的力矩Mx、My、Mz，然后根据理论公式计算等效结构应力 

结合试验获得的S-N曲线，即可计算焊点疲劳寿命

• 焊点本身断裂——厚板小直径的焊点，焊点的破坏可能发生在焊点核横向断裂，主要由轴向拉应力导致破坏
• 热影响区开裂——薄板大直径的焊点，焊点破坏多发生在焊点周边的钣金件上（热影响区力学性能显著降低）
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• 2006年，美国福特、通用、克莱斯勒、美国钢铁、安赛乐米塔尔钢铁、密歇根大学伯恩迪尔分校联合研究结果表明，汽车行业金属材料点焊焊接疲劳有如下特性：
• 焊点的疲劳特性与母材的强度关联不大（焊点本身有裂纹缺陷）
• 焊点的疲劳特征主要受几何因素影响（母材厚度、焊点大小、样件的大小）——母材厚则焊点断，母材薄则母材热影响区断
• 焊点的平均应力对焊点的疲劳寿命影响不大

• 3、焊缝疲劳计算原理及特点

• 按照疲劳分析中所使用应力的不同，焊缝疲劳主要分析方法如下：
• 名义应力法——使用远离焊缝区域的母材应力，需要大量实验测试SN曲线
• 热点应力法——结构应力区域计算两个点的应力进行线性外插得到焊缝根部的应力值，下图中虚线与纵轴交点，使用较少
• 结构应力法——接近焊缝根部应力急剧增长以前，和应力从名义应力开始缓慢增加的斜线段应力
• 缺口应力法——详细建模获取焊缝根部的实际应力，建模复杂计算量大，使用较少
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• 名义应力法直接使用有限元分析得到的远离焊缝位置的应力作为疲劳寿命评价指标，优点是不需要考虑应力集中，缺点是需要根据不同类型不同载荷的焊缝单独做实验，费时费力；飞机和船舶等行业，疲劳分析开始较早，积累了大量的数据、经验和规范，目前多使用名义应力法；
• 结构应力法使用有限元分析得到的焊缝位置的节点力和力矩来计算应力，比名义应力更接近焊缝处的应力，而且对网格尺寸不太敏感，相比名义应力法优势明显；目前主要有VOLVO法（又叫Fermer方法，沃尔沃公司的工程师提出来的）和董平沙法两种结构应力法广泛使用。
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• 从焊缝根部沿母材厚度方向扩展
• 两个被焊接的金属构件之间的平面上穿透焊缝

• 残余应力会导致热影响区强度下降，从而导致热影响区寿命变短
• 母材本身的屈服强度对于焊接接头的疲劳特性影响不明显（焊缝位置存在较多微裂纹，且热影响区强度显著低于母材本身）
• 平均应力对焊接的疲劳没有显著影响，只有应力变化范围影响显著