議程

HyperLife疲勞分析功能介紹

HyperLife薄板焊縫（VOLVO）疲勞方法及案例

HyperLifeWCD模塊基于規(guī)范/標準的厚板焊縫疲勞

HyperLife焊點疲勞方法及案例

Hyperlife疲勞分析

求解器中立

支持OptiStruct,Nastran, Abaqus,Ansys，LSdyna...

易學易用

工業(yè)驗證

同行業(yè)專家合作開發(fā)，經(jīng)過行業(yè)驗證

行業(yè)規(guī)范

(Including:FKM,Eurocode,DVS)

HYPERLIFE疲勞分析

高周疲勞

低周疲勞

無限壽命疲勞

焊點疲勞

焊縫疲勞

振動疲勞

基于規(guī)范的焊縫疲勞分析模塊HYPERLIFE WELD CERTIFICATION

焊縫疲勞誤區(qū)

焊縫疲勞的主要問題：

母材的SN曲線不適用于焊縫，焊縫具有獨立SN曲線，母材屈服強度不影響焊縫SN曲線

焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力對焊縫疲勞的影響很小

焊縫局部區(qū)域不連續(xù)導致的應(yīng)力集中

焊縫疲勞分析方法

焊縫結(jié)合處由于異材結(jié)合、幾何突變，存在應(yīng)力集中，焊接熱導致了焊縫附近材料性能變化，想要準確的模擬焊縫位置處的應(yīng)力非常困難?？紤]到這些因素，HyperLife焊縫疲勞的評估方法分為兩種：

1）HyperLife WCD模塊名義應(yīng)力法。焊縫位置附近存在應(yīng)力集中，但是該應(yīng)力集中會存在于很小區(qū)域內(nèi)，通過設(shè)定一個臨界尺寸，避開應(yīng)力集中區(qū)域，選取不敏感區(qū)域應(yīng)力評估焊縫疲勞。代表方法有Eurocode 3, BS 7608, DVS1612等。

2）HyperLife VOLVO結(jié)構(gòu)應(yīng)力法。在有限元分析中，焊縫位置的應(yīng)力會隨網(wǎng)格尺寸發(fā)生大的變化，通常不直接采用有限元分析的焊縫位置應(yīng)力進行疲勞評估。力相對于單元網(wǎng)格尺寸不太敏感，通過單元力考慮板的厚度得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力，采用結(jié)構(gòu)應(yīng)力來評估焊縫疲勞，結(jié)果會更穩(wěn)定。該方法主要適用于薄板結(jié)構(gòu)。

薄板焊縫疲勞分析

Volvo法焊縫疲勞

基于M Fermer, M Andreasson和B Frodin在論文《Fatigue Life Prediction of MAG-Welded Thin-Sheet Structures 》中的研究

焊縫疲勞采用熱點應(yīng)力法，適用于薄板焊接(1mm –3mm).

根據(jù)焊接線上網(wǎng)格點的平均力計算熱點應(yīng)力

該方法一般需要兩條SN曲線，一條為純彎SN曲線，一條為薄膜應(yīng)力狀態(tài)下SN曲線

采用CQUAD4單元模擬焊縫

-焊縫的焊根為離焊縫CQUAD4內(nèi)法線方向的最遠的節(jié)點或點。

-焊縫的焊趾為焊縫CQUAD4與其相鄰單元之間的節(jié)點。

Volvo法焊縫疲勞評估方法

單元1、2、3為壽命評估位置，以評估單元2的損傷為例

單元1、2、3為焊趾單元，QLR為焊線。對于焊趾單元2，在焊線QR的中點位置L創(chuàng)建局部坐標，其中x在單元2平面內(nèi)垂直于QR，z向沿單元法向，由z向及x向采用右手準則創(chuàng)建y向。

1.提取單元1、2、3焊線上節(jié)點力及力矩（焊趾單元對節(jié)點的）

2.將節(jié)點力和彎矩通過長度權(quán)重分配到相鄰單元

3.由節(jié)點力計算R點、Q點線載荷值（根據(jù)力和力矩的平衡公式建立）

4.由R、Q點線載荷值計算中點位置線載荷值

5.將2、2沿步驟1中的局部坐標系分解，得到2、2，通過分解的力計算殼單元上下表面的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、

6.計算彎曲率

7.計算內(nèi)插因子IF

8.根據(jù)內(nèi)插因子IF修正SN曲線

9.根據(jù)應(yīng)力幅查SN曲線，得每個循環(huán)的疲勞壽命，累計所有疲勞損傷得整個載荷歷史的疲勞壽命

Volvo法焊縫疲勞影響因素

厚度修正

實際應(yīng)用中被連接板件厚度不同于S-N實驗中的板件厚度，需要對厚度進行修正

增加應(yīng)力導致疲勞壽命降低，產(chǎn)生保守設(shè)計

平均應(yīng)力修正(FKM)

應(yīng)力敏感性系數(shù)可在Fatigue Module 對話框的FKMMSS字段設(shè)置

Volvo法焊縫建模要求(For HyperLife)

焊縫盡量用CQUAD4模擬，轉(zhuǎn)角處可以用CTRIA3模擬

焊縫可以用1排或2排單元模擬，對于兩邊焊的焊縫，也可用3排單元模擬

焊縫單元的厚度為焊喉的有效厚度

焊縫單元的尺寸盡量規(guī)則，雖然該方法對網(wǎng)格不是很敏感

焊縫單元可通過SET/PART引用，HyperLife也可方便的創(chuàng)建SET

焊縫單元的法向應(yīng)朝外，即指向焊趾的方向，而不是指向焊根的方向。焊縫單元的法向非常重要，法向常用來判斷焊趾。

Volvo法角焊縫建模方式

HyperLife支持兩種形式的焊縫分析，一種為角焊縫(FILLET)，一種為搭接焊縫(OVERLAP)。

單邊單排網(wǎng)格

單邊焊當焊深不超過母板厚度的一半時，采用單邊單排網(wǎng)格，焊腳尺寸L=T1+T2。焊縫單元的厚度為焊喉的有效厚度，一般取為0.7L。

單邊雙排網(wǎng)格

單邊焊當熔深超過母板厚度的一半時，采用單邊雙排網(wǎng)格建立焊縫單元，焊腳尺寸L=T1+T2，焊縫單元厚度取0.35L。

雙邊雙排網(wǎng)格

角焊縫為雙邊焊，且左右兩邊沒有完全焊透時，采用雙邊雙排網(wǎng)格，焊腳尺寸L=T1+T2，焊縫單元厚度取0.7L。

雙邊三排網(wǎng)格

角焊縫為雙邊焊，且左右兩邊完全焊透時，采用雙邊三排網(wǎng)格。

Volvo法搭接焊建模

搭接焊按熔深可分為以下三種建模形式:

1）雙排網(wǎng)格，如圖a。當熔深較深時，采用雙排單元建模，焊縫單元法向指向焊趾，焊腳尺寸L=T1+T2，焊縫單元厚度為0.27L。

2）單排網(wǎng)格，如圖b、c。當熔深較淺時，采用單排單元建模，可垂直于母板的單元建模，也可用斜搭單元。焊接單元厚度為較小板厚的兩倍，但不小于3mm。如果是激光焊，則焊接單元的厚度為上板厚度的0.7倍。

3）板中激光搭接焊，采用垂直于母板的單排單元，如圖d。該類焊接適用于厚度大于1mm的薄板結(jié)構(gòu)，焊縫單元的厚度為被連接母板的最小厚度的90%，且其厚度不小于1mm。

Volvo法焊縫疲勞評估位置

角焊的焊縫評估位置為焊趾及焊根，不同建模方式評估位置：

搭接焊的評估位置為焊趾及焊根，不同建模方式的評估位置：

激光板中搭接焊的評估位置為焊根及焊喉，評估位置：

激光邊緣搭接焊評估位置為焊趾、焊根及焊喉，評估位置：

基于規(guī)范的厚板焊縫疲勞分析模塊

HYPERLIFE WELD CERTIFICATION

HyperLife焊縫疲勞:WCD

集成了DVS1612、DVS1608、FKM、Eurocode3

自動識別焊縫

根據(jù)焊縫幾何拓撲結(jié)構(gòu)識別焊縫類型

廣泛應(yīng)用于機械、重工

WCD焊縫評價標準

Eurocode 3

歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范Eurocode 3 主要規(guī)定是依賴于一套S/N曲線束，它們是同等間距的，并依賴于一套被分類的結(jié)構(gòu)詳圖。可以進行焊縫和母材區(qū)域的校核。SN曲線中已經(jīng)包含殘余應(yīng)力的影響。

DVS 1612 、DVS 1608規(guī)范

DVS1612規(guī)程是《鐵路車輛結(jié)構(gòu)焊接接頭設(shè)計和疲勞強度評估》，DVS1608則對應(yīng)鋁合金材料。DVS 1612 中給出了可允許的最大主應(yīng)力和剪切應(yīng)力相對于應(yīng)力比率R的表。準則中給出了S355 和S235 兩種材料的MKJ 圖。MKJ圖允許的疲勞強度值包括安全因數(shù)1.5，因此大約對應(yīng)于存活概率99.5%，2×106次循環(huán)的疲勞強度值。

FKM標準

德國機械標準協(xié)會FKM標準用于評估鋼和鋁材料的焊接和非焊接構(gòu)件的疲勞問題。FKM使用的是載荷循環(huán)過程中的最大應(yīng)力幅，并考慮平均應(yīng)力及殘余應(yīng)力的影響；FKM設(shè)計方法將應(yīng)力分解為沿焊縫方向的正應(yīng)力，垂直于焊縫方向的正應(yīng)力及沿焊縫方向的剪應(yīng)力，利用三向應(yīng)力分別進行評估，最后計算接頭的綜合材料利用率。

對于復合應(yīng)力狀態(tài)，一個等價利用度(equivalent utilization degree) aV必須被使用:

WCD建模方式

支持殼單元、實體單元建模

實體單元結(jié)構(gòu)上的焊縫檢測，自動在實體單元表面進行應(yīng)力恢復

WCD主要的焊縫類型

T、B、X、L、O、M

通用工作流程架構(gòu)

HyperLife焊縫疲勞:WCD

支持準則

焊縫評估

母材評估

WCD評估間距

T、L形焊接評估位置

- EP = 0.5T + WW + ED

B、O形焊接評估位置

- EP = WW + ED

WCD評估位置及評估應(yīng)力提取

在焊縫位置所在單元的邊上選取中間位置，下圖點1

將點1沿焊縫局部坐標移動評估間距長度，下圖點2

選擇離點2最近的節(jié)點，點3

在節(jié)點3上提取應(yīng)力張量

將應(yīng)力張量沿焊縫局部坐標合成沿焊縫長度正應(yīng)力、垂直焊縫長度方向正應(yīng)力、剪應(yīng)力。

WCD許用應(yīng)力、疲勞極限

根據(jù)材料類型、焊縫類型、缺口類型、應(yīng)力類型查規(guī)范得到許用應(yīng)力、疲勞極限

比較有限元應(yīng)力分析結(jié)果及許用應(yīng)力、疲勞極限，不超過許用應(yīng)力、疲勞極限，則焊縫安全、否則不安全。

WCD焊縫疲勞評估

評估應(yīng)力

- 推薦采用角點應(yīng)力

- 如果沒有角點應(yīng)力，可采用單元應(yīng)力

DVS1612

- Notch class : 缺口類型

- Thickness influence factor (TI): 厚度影響系數(shù)，默認與焊縫類型和位置有關(guān)

- Thickness flag (TF) ：厚度位置標識

- Effective Weld Thickness(Ar)

- Intermittent Factor(z) ：中間影響系數(shù)，描述焊縫的連續(xù)性，1≥z≥ 0

- Weld Eccentricity (e)：焊縫的橫截面偏心。e> 0 應(yīng)力增加。e< 0 應(yīng)力減小。

Fatigue strength (cutoff) = Material yield / Cutoff value

DVS1612評估應(yīng)力

WCD疲勞極限–DVS1612

根據(jù)缺口類型及應(yīng)力比查找許用疲勞極限

WCD焊縫疲勞分析結(jié)果

評估應(yīng)力

- DVS為最大值，F(xiàn)KM為應(yīng)力幅值

焊點疲勞

焊點疲勞

采用Rupp 結(jié)構(gòu)應(yīng)力方法評估焊點疲勞

提供默認的Rupp方法材料曲線

考慮母材因徑向拉應(yīng)力失效

考慮焊核因彎曲和剪切應(yīng)力失效

當前只支持應(yīng)力壽命(SN)焊點疲勞分析

焊點疲勞只適用于兩層殼之間的焊點，焊點的長度為兩塊板的厚度和的一半

焊點由三個屬性定義-板件1、板件2和焊核。板件用殼單元定義，焊核可采用梁單元和六面體單元建模，例如OptiStruct中的CWELD、CBAR、CBEAM或CHEXA+RBE3.

焊核可以直接連接到殼單元，也可以使用RBE 2/RBE3單元將焊核連接到殼單元

焊點疲勞: 應(yīng)力恢復

根據(jù)每個焊點單元上的力和力矩來計算結(jié)構(gòu)應(yīng)力

采用RUPP 方法

焊點疲勞分析流程

考慮焊點疲勞的兩個應(yīng)力因素:

母材因徑向拉應(yīng)力失效

焊核因彎曲和剪切應(yīng)力失效

破壞應(yīng)力計算

板件連接處破壞

- 沿周向每隔某個角度（默認180，可自定義）計算徑向應(yīng)力

焊核處破壞

- 沿周向每隔某個角度（默認180，可自定義）計算正應(yīng)力及剪應(yīng)力

焊點疲勞影響因素

厚度修正

- 焊縫的SN曲線是在指定厚度下得到的曲線

- 疲勞分析對象是任意厚度

- 需根據(jù)分析對象厚度修正應(yīng)力

TREF_N、TREF為材料參數(shù)。

平均應(yīng)力修正

疲勞評估位置指定

焊點分析結(jié)果