焊缝疲劳分析：OptiStruct结合S-N方法的完整教程

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S-N 方法，即应力-寿命方法，是一种用于评估材料在循环载荷作用下疲劳寿命的技术。它通过实验获得材料的S-N曲线，该曲线描述了不同应力水平与达到疲劳破坏所需循环次数之间的关系。在焊缝疲劳分析中，S-N方法被广泛用于预测焊缝的疲劳寿命。

热点应力法是S-N方法的一个变种，它特别适用于焊接结构的疲劳分析。这种方法的核心思想是识别并分析结构中应力集中的区域，即“热点”。热点通常位于焊缝的焊趾处，这里是疲劳裂纹最有可能起始的地方。热点应力法通过在这些热点区域评估应力，而不是在整个焊缝或结构上，来简化分析过程。之前问卷调查的时候，有一位小伙伴填了热点应力法的后处理二次开发，能够做，但是工作量太大了，拿来写文章投入的时间太大，故未考虑这个需求。

热点应力法的步骤通常包括以下几个阶段：

1. 定义热点区域：确定结构中应力集中的区域，这些区域通常是焊缝的焊趾处。

2. 热点应力的提取：使用有限元分析（FEA）或其他数值方法来计算热点区域的应力。这可能涉及到在热点附近划分精细的网格以捕捉应力梯度。

3. 热点应力的外推：由于热点区域的应力分布可能是非线性的，因此需要通过外推方法来获得线性化的热点应力。这通常涉及到在距离焊趾一定距离的点上测量或计算应力，然后通过线性或非线性外推方法来估计热点处的应力。

4. 选择S-N曲线：根据热点应力和相应的S-N曲线来评估结构的疲劳寿命。S-N曲线描述了材料在不同应力水平下的疲劳寿命，这些曲线通常基于实验数据获得。

5. 疲劳寿命评估：使用热点应力和S-N曲线来计算结构的预期疲劳寿命，或者确定结构在给定的循环载荷下是否能够满足设计寿命要求。

热点应力法的优点在于它能够更准确地预测焊接结构的疲劳寿命，因为它考虑了结构几何形状和加载条件对应力分布的影响。这种方法尤其适用于复杂焊接结构，其中传统的S-N方法可能无法提供足够的精度。然而，热点应力法的挑战在于准确确定热点应力，这可能需要复杂的有限元分析和实验验证。

在开始之前，请将本教程中使用的文件复制到您的工作目录。

http://majorv.help.altair.com/minorv/simulation/tutorials/hwsolvers/optistruct/OS-T-6030/SeamWeld_frame.zip

http://majorv.help.altair.com/minorv/simulation/tutorials/hwsolvers/optistruct/OS-T-6030/load1.csv

http://majorv.help.altair.com/minorv/simulation/tutorials/hwsolvers/optistruct/OS-T-6030/load2.csv

热点应力法是一种适用于薄金属板的热点应力方法。热点应力是根据熔接线处的网格点力计算的。该方法在1.0 mm至3.0 mm厚度的板材的实验室测试结果具有良好的一致性。该方法通常需要两条SN曲线。一种是以弯曲应力为主的弯曲SN曲线，另一种是以膜应力为主的膜SN曲线。

在本教程中，除了垂直弯曲外，框架还承受正面和背面扭转载荷。缝焊在形成框架的截面之间建模。执行此练习是为了计算在接缝（圆角）焊缝位置发生的损坏。

图1.汽车框架

一、启动HyperMesh并设置OptiStruct用户配置文件

本练习使用的模型是汽车框架的模型（OS-T：使用S-N方法的6030 缝焊疲劳）。输入文件由框架所承受的3 个static Load Step组成- 正面扭转、背面扭转和垂直弯曲。

1.启动HyperMesh。

此时将打开User Profile对话框。

2.选择OptiStruct，然后单击OK。

这将加载用户配置文件。它包括相应的模板、宏菜单和导入阅读器，将HyperMesh的功能缩减为与生成OptiStruct模型相关的功能。

3.单击Tools>Fatigue Process>Create New。

4.对于New Session，在工作目录文件夹中输入名称。

5.单击Create。

这将创建一个新文件来保存当前加载的疲劳流程模板的实例。

二、导入模型

1.点击File>Import>Solver Deck。

导入选项卡将添加到您的选项卡菜单中。

2.对于File type ，选择OptiStruct。

3.选择文件图标。

此时将打开Select OptiStruct文件Browser。

4.选择保存到工作目录的SeamWeld_frame.fem文件。

5.单击Open。

6.单击Import，然后单击Close以关闭Import选项卡。

在以下步骤中要实现的Fatigue Analysis设置的云图。

图2.疲劳设置- 角缝焊缝

三、设置模型

3.1定义TABFAT Load Collector

定义加载顺序的第一步是定义TABFAT曲线。这表示加载历程记录。

1.确保在View菜单中选择Utility菜单。点击View>Browsers>HyperMesh>Utility。

2.单击Browser中Model选项卡旁边的Utility菜单。在Tools部分中，单击TABLE Create。

3.将Options设置为Import table。

4.将Tables设置为TABFAT。

5.单击Next。

6.浏览加载文件。

7.在Open the XY Data File对话框中，将Files of type filter设置为CSV （*.csv）。

8.打开保存到工作目录的load1.csv文件。

9.Create名称为LH1 的新表。

10.单击Apply以保存表。

将创建带有TABFATcard image的曲线LH1。

11.浏览第二个加载文件load2.csv。

12.Create名称为LH2 的新表。

13.单击Apply以保存表。

将创建带有TABFATcard image的Load Collector table2。

14.表格LH1 和LH2 可以从Utility tab>TABLE Create>Create/Edit Table>TABFAT>Edit Existing Table进行编辑/查看。

15.退出Import TABFAT窗口。

表格显示在Model Browser中的Load Collector下。

Note：DAC格式的文件可以很容易地以HyperGraph格式导入，并转换为CSV格式，以便在HyperMesh中读取。

3.2定义FATLOAD Load Collector

为存在的Load Case分别创建一个fatload。

1.在Model Browser中，右键单击并选择Create>Load Collector。

2.对于Name ，输入Fatload_Front。

3.对于Card Image，选择FATLOAD。

4.对于TID（表ID），从曲线列表中选择LH1。

5.对于LCID（Load Case ID），从Load Step列表中选择Front Torsional Stiffness 。

6.将LDM（载荷大小）设置为0.1。

7.将Scale设置为0.6。

8.重复该过程以创建2 个名为FATLOAD卡片的附加Load Collector ：

LCID为Rear Torsional Stiffness且TID为LH2的Fatload_Rear

LCID为Vertical Bending Stiffness且TID为LH2的Fatload_Vertical

9.将LDM设置为0.1，将Scale设置为0.6。

3.3定义FATEVNT Load Collector

创建event1以分配创建的fatload。

1.在Model Browser中，右键单击并选择Create>Load Collector。

2.对于Name ，输入Event1。

3.对于Card Image，选择FATEVNT。

4.对于FATEVNT_NUM_FLOAD，输入1。

5.将FLOAD Load Collector设置为FATLOAD_Front。

图3.包含3 个Fatloads的事件卡

6.同样，通过将FATEVNT_NUM_FLOAD设置为2 以及剩余的FATLOADS、Fatload_Rear和Fatload_Vertical来创建Event2。

图4.包含3 个Fatloads的事件卡

3.4定义FATSEQ Load Collector

1.在Model Browser中，右键单击并选择Create>Load Collector。

2.对于Name ，输入FATSEQ。

3.对于Card Image，选择FATSEQ。

4.对于FATSEQ_NUM输入2，因为已创建2 个FATEVENT。

5.对于FID （疲劳事件定义），请选择Event1和Event2。

定义疲劳分析的事件序列已完成。接下来定义Fatigue参数。

3.5定义疲劳参数

1.在Model Browser中，右键单击并选择Create>Load Collector。

2.对于Name ，输入fatparam。

3.对于Card Image，选择FATPARM。

4.验证TYPE是否设置为SN。

5.将STRESS COMBINE设置为SGVON （Signed von Mises）。

6.将STRESS CORRECTION设置为GERBER。

7.将STRESSU设置为MPA （Stress Units）。

8.将RAINFLOW RTYPE设置为LOAD。

9.将GATEREL设置为0.0。

10.将CERTNTY SURVCERT设置为0.5。

11.选中SMWLD旁边的框，然后选择以下选项：

方法=VOLVO

平均应力连接=FKM

SURVCERT =1e-9

THCKCORR =YES

12.单击Apply。

这将保存当前定义，并指导您进行Fatigue Analysis树的下一个任务Elements and Materials。有关详细信息，请参阅Altair Simulation 2022.3 帮助。

3.6定义疲劳材料属性

疲劳分析的材料曲线可以在MAT1 卡上定义。

1.在Model Browser中，点击Steel Material。

Entity Editor随即打开。

2.在Entity Editor中，选中MAT旁边的框。

3.将UNIT设置为列表中的MPA。

4.将UTS（极限拉伸应力）设置为600。

5.选中SMWLD旁边的框，并将STRUCTURAL SN CURVE设置为User Defined。

6.对于基于SN的Seam Weld Fatigue属性，设置：

SRI1_SM1：1203.0

B1_SM1：-0.133

NC1_SM1：1e6

B2_SM1：-0.108

SE_SM1：1

SRI1_SM2：803.0

B1_SM2：-0.15

NC1_SM2：1e6

B2_SM2：-0.11

SE_SM2：2.0

为弯曲SN和膜SN添加2 点斜率曲线（此处1 = 弯曲，膜），也可以添加1 点斜率。

3.7定义PFATSMW属性

BRATIO有助于了解弯矩或膜力是否主导创建插值SN曲线所基于的最大应力。

同样，TREF和TREF_N有助于考虑厚度校正

1.在Model Browser中，右键单击并选择Create>Property。

2.对于Name ，输入PFATSMW_7。

3.对于Card Image，选择PFATSMW。

4.将BRATIO设置为0.6。

5.将TREF设置为1.1。

6.将TREF_N设置为0.1。

7.单击Close。

3.8定义FATSEAM Load Collector

FATSEAM有助于选择缝焊类型。

在本例中为角焊缝。

1.在Model Browser中，右键单击并选择Create>Load Collector。

2.对于Name ，输入FATSEAM。

3.对于Card Image，选择FATSEAM。

4.将WTYPE设置为FILLET。

5.将NUM_FATSEAM_PSHELL_PIDS设置为1。

6.单击PID旁边的字段，然后选择property1作为PID。

property1 是Seam Weld component的特性ID。

图5.

7.单击Close。

这将保存当前定义并指导您进行Fatigue Analysis的下一个任务Load-Time History。

3.9定义FATDEF Load Collector

1.在Model Browser中，右键单击并选择Create>Load Collector。

2.对于Name ，输入FATDEF1。

3.将Card Image设置为FATDEF。

4.在PTYPE Entity Editor中激活FATSEAM。

5.对于FATDEF_FATSEAM_NUMIDS，请输入1。

6. 为FATSEAMID选择FatSeam，为PFATSMWID选择PFATSMW_7。

7.单击Close。

3.10定义疲劳Load Step

1.在Model Browser中，右键单击并选择Create>Load Step。

2.对于Name ，输入Fatigue_3LCs_SeamWeld。

3.将Analysis type设置为fatigue。

4.对于FATDEF，请选择fatdef。

5.对于FATPARM，请选择fatparam。

6.对于FATSEQ，请选择fatseq。

四、提交作业

1.在Analysis页面中，输入OptiStruct面板。

2.单击输入文件字段后面的save as。

此时将打开Save As对话框。

3.对于File name ，输入名称Automotive-Frame-SeamWeld-fillet.fem。

4.单击Save。

5.单击OptiStruct提交分析。

五、查看结果

1.在OptiStruct面板中，单击HyperView。

HyperView将启动并加载结果。此时将显示一个消息窗口，告知模型和结果文件已成功加载到HyperView中。

2.转到Results选项卡。

3.在Results选项卡中，从subcase字段中选择Subcase 4 （Fatigue_3LCs_SeamWeld）。

4.在Results工具栏上，单击以打开Contour面板。

5.将Result type设置为Damage并单击Apply以绘制Element的云图。

6.将Result type设置为Toe/Root/Throat（s）（子结果类型）设置为Toe。

7.单击Apply。

云图Element是相应Seam Element的Toe Element。

8.同样，在Toe和Root之间切换，以突出显示相应的Element。

趾和根是角焊缝考虑的评估位置。

来源：TodayCAEer

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首次发布时间：2025-05-20

最近编辑：4小时前

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