ABAQUS疲劳裂纹扩展模拟

焊缝疲劳是焊接结构在循环载荷作用下，焊缝及其热影响区（HAZ）逐渐产生裂纹并扩展，最终导致结构失效的现象。它是焊接结构最常见的失效形式之一，尤其在船舶、桥梁、压力容器、航空航天等领域需要重点关注。 焊缝疲劳的关键影响因素 1. 焊接缺陷 气孔、夹渣、未熔合、裂纹等缺陷会成为疲劳裂纹的起源点，显著降低疲劳寿命。 2. 应力集中 焊缝几何形状（如焊缝余高、咬边、焊趾角度等）导致局部应力集中，加速疲劳破坏。 3. 残余应力 焊接过程中产生的残余拉应力（可达材料屈服强度的70%以上）会叠加工作应力，促进裂纹扩展。 4. 材料性能 热影响区（HAZ）因高温可能发生晶粒粗化或脆化，降低抗疲劳性能。 5. 载荷类型 循环载荷的幅值、频率、应力比直接影响疲劳寿命。 焊缝疲劳的评估方法 1. S-N曲线法（应力-寿命法） 通过实验获得不同应力幅值下的循环次数，绘制S-N曲线。常用标准如IIW（国际焊接学会）的疲劳设计规范。 3. 有限元分析（FEA） 结合弹塑性模型模拟焊缝区域的应力分布，预测疲劳薄弱点。 提高焊缝疲劳寿命的措施 1. 优化设计 减少应力集中：采用平滑过渡的焊缝形状（如打磨焊趾、TIG重熔等）。 选择合理接头形式：避免十字接头，优先选用对接焊缝。 2. 控制焊接工艺 减少缺陷：通过严格工艺控制（如预热、层间温度管理）降低气孔、未熔合等缺陷。 焊后处理：锤击、喷丸强化引入表面压应力，抵消残余拉应力。 3. 材料选择 选用高韧性焊材，避免HAZ脆化（如低氢焊条、控轧控冷钢）。 4. 监测与维护 定期无损检测（如超声波、磁粉检测）早期发现裂纹。 对关键部位进行疲劳寿命监测（如应变片、声发射技术）。 FE建模 当焊缝用于疲劳分析时，OptiStruct 中使用壳单元进行建模。对于不同的焊接形式，有不同的建模方法在 FATSEAM 卡片的 WTYPE 中可以选择用于焊缝疲劳的类型。Fillet推荐用 CQUAD4 建模，如果使用 CTRIA3 那么疲劳评估只会考虑焊趾部分。T型连接建模规则注意：焊缝单元法向朝外。焊缝单元的厚度一般等于焊喉的尺寸约等于 1.414*L（对于上图中的第二个，一般推荐设置为 0.35*L）。十字连接建模规则需要在 FATSEAM 中额外指出为十字连接形式，另外建模时，需要具有对称性。OVERLAP/LASER EDGE OVERLAP建模规则焊缝单元的厚度一般等于焊喉的尺寸。疲劳评估位置不同焊接形式，疲劳失效可能发生的位置也有所区别，对于上面介绍的几种类型，疲劳评估位置如下表中所示：失效准则OptiStruct 中计算焊缝焊点疲劳寿命的方法是基于 M. Fermér, M Andréasson, and B Frodin在Fatigue Life Prediction of MAG-Welded Thin-Sheet Structures 一文中提出的算法。该方法使用沿焊缝计算的节点力和力矩，以及焊趾处结构应力的解析表达式。 计算得到的应力与实验确定的 Wöhler 或 S-N 曲线一起使用。文中指出由膜力主导结构应力的“刚性”焊接接头具有比由弯矩控制结构应力的“柔性”接头更陡的 S-N 曲线。 观察到所有测试结果接近这两条 S-N 曲线之一。 弯曲应力与总结构应力(弯曲应力+膜应力)的比例可用于选择合适的 S-N 曲线。两条 S-N 曲线由膜力主导结构应力的“刚性”焊接接头的 S-N 曲线； 由弯矩控制结构应力的“柔性”接头更陡的 S-N 曲线。插值确定实际 S-N 曲线那么这条插值曲线是如何确定的呢？SR1_i = [SR1_m + (SR1_b - SR1_m) IF]这里引入参数 IF 实现两条曲线内的线性插值。当 IF = 0 那么用的是 membrane 的 SN 曲线，而 IF=1 则用的是 bending 的 SN 曲线。得到了这条插值的曲线后，还需要根据不同情况对其进行修正。厚度修正焊缝的SN曲线是在特定厚度下得到的，而分析对象可能是任意厚度，所以需要对SN曲线进行修正。TREF/TREF_N 是材料参数，通过 PFATSMW 给出；通过 FATPARM 开启厚度修正。平均应力修正支持 FKMMSS 平均应力修正。区分为4个区域，1、4不修正。例子下面将通过一个具体例子来介绍如何在 OptiStruct 中进行焊缝疲劳计算的过程，以及会用到的卡片。焊缝疲劳的整个卡片组成如下：① 单元类型属性指定：FATDEF-FATSEAM-PFATSMW② 控制参数：FATPARM-SMWLD③ 料sn曲线：MATFAT-SMWLD④ 荷曲线和一般情况一致这里我们用到的模型如下，考察焊缝部位的疲劳寿命：建模定义疲劳单元控制参数FATPARM（sn曲线修正等）来源：仿真老兵