ANSYS Workbench焊缝静强度仿真分析
前言
今天梳理一下焊缝静强度校核，结合Ansys Workbench软件进行实施与结果评估。
正文
1、焊缝静强度计算目的
焊缝静强度计算有一下三个目的：
① 在已知母材和焊接材料力学性能的情况下，计算焊缝的形状尺寸和长度；
② 在一直焊缝形状尺寸和长度的情况下，选择母材或焊接材料的强度等级；
③ 在已知母材和焊接填充材料力学性能、焊缝形状尺寸和长度的情况下，校核焊缝的安全性。
作为仿真工程师，校核焊缝的安全性是我们的主要目的。
2、焊缝静强度计算方法
(1)判断标准
焊接接头的静强度计算方法从根本上说与材料力学中计算方法相同，只是其计算对象为焊缝金属。目前焊接接头静强度计算仍然以许用应力为基础，评定标准为：
σ≤[σ’]
σ为焊缝的最大工作应力，σ’为焊缝金属的许用应力，包括许用拉应力与许用切应力。
(2)焊缝许用应力
焊缝许用应力经常采用折减系数法进行确定，即按照焊缝金属与母材等强度原则，按母材许用应力乘以一个折减系数，作为焊缝的许用应力，即σ’=α[σ]。其中α为折减系数，考虑了母材的种类、尺寸、焊接方法、焊接材料、焊接工艺、无损检测以及计算简化假设条件，一般取0.5~1.0。
对于熔透的对接焊缝，经质量检查符合设计要求，系数可取1，这意味着焊缝的许用应力与母材相同，该焊缝可不单独进行强度校核。
一般焊接结构的许用应力可按照下表选择。
在《钢结构设计规范》GB50017中，根据钢材牌号、焊缝形式与质量等级给出了许用应力，如下表。
(3)焊缝静强度计算简化假设条件
假设条件如下：
① 焊址处和余高过渡区域产生的应力集中对焊接接头强度没有影响；
② 焊接接头的工作应力分布均匀，以平均应力计算；
③ 正面角焊缝与侧面角焊缝的强度和刚度没有区别；
④ 焊脚尺寸的大小对角焊缝强度没有影响；
⑤ 角焊缝都是在切应力下破坏，对于等腰直角焊缝，焊缝计算厚度a=0.7K（K为焊脚尺寸）
⑥ 忽略焊缝的余高和少量熔深，以焊缝重点最小断面a为计算面。
各种焊接接头的焊缝计算断面如下图所示。
3、对接焊缝静强度计算
计算对接接头静强度时，首先需要确定载荷，找到承受最大载荷作用的焊缝位置，其次时分析焊缝所受载荷的大小和方向，并求出合力，然后时确定焊缝界面的最小高度和有效长度，得出焊缝有效工作截面。焊接接头的计算高度a按照上图取，一般不考虑余高，焊缝的计算长度在没有引弧板时需要实际长度减去2t，包含引弧板时，采用实际长度。
对接接头的静强度计算公式见下表。
在轴力、弯矩、剪力共同作用时，应分别按照许用拉应力（包括轴力与弯矩）与许用剪应力进行校核，然后在按照这算应力进行校核，这算应力校核公式如下：
示例1（对接焊缝）
a.问题描述（参考《钢结构》例题7-1）
计算模型如下图所示，T型梁中间采用对接焊缝连接，一端固定，另外一端承受150kN载荷，刚才为Q345，焊条类型为E50型，施焊时含引弧板，焊缝质量标准为三级，校核焊缝的强度。
b.计算模型
添加静力学分析系统，弹性模量取2e5MPa，泊松比取0.3，网格采用线性单元，网格基准尺寸为2mm，网格示意图如下图。
c.边界与载荷
左端通过远程位移固定，在右端上部边线添加Remoteforce（150kN），如下图。
d.焊缝强度评估
计算完成后进行焊缝强度评估。
在焊缝的中心位置创建Surface，在结果中添加Normal Stress，进行焊缝法向应力结果提取，如下图，可以看出，在当前载荷作用下，焊缝程序后的最大拉应力为123.59MPa，小于许用应力260MPa，满足抗拉强度要求；最大压应力为211.28MPa，小于抗压许用载荷305MPa，满足抗压强度要求。
插入Maximum Shear Stress，提取焊缝界面的最大剪切应力，如下图，最大剪切应力为110.91MPa，小于许用剪切应力175MPa，满足剪切强度要求。
当前焊缝同时包含拉应力、压应力与切应力，故需要校核折算应力，在结果后处理中，插入User Defined Result，在公式中输入“sqrt(SY*SY+3*SMAXSHEAR*SMAXSHEAR)”，提取结果如下图，可以看出折算应力最大值为279.53MPa，小于286MPa（1.1*260MPa），满足焊缝强度要求。
通过校核结果剋有看出，当前焊缝满足强度设计要求。注意法向应力需要根据焊缝的相对位置进行结果提取。
4、角焊缝静强度计算
常规角焊缝计算中，无论焊缝的有效截面与载荷方向，均以切应力计算，这种计算方法比较粗略，国际焊接学会IIW关于正面角焊缝在各个方向的承载能力研究结果表明：
① 角焊缝的承载能力与外载荷的作用方向有关；
② 角焊缝承受压力的能力比承受拉力的能力大很多，约1.7倍；
③ 角焊缝承受切力的能力最小，它仅能承受拉力的75%左右；
④ 角焊缝的强度计算按切力虽然比较简单也比较安全，但是不够精确。
GB50017钢结构设计规范针对角焊缝在各种力综合作用下，σf、τf按照下式进行校核：
式中：
σf为垂直与焊缝长度方向的正应力
τf沿焊缝长度方向的切应力
fwf为角焊缝的强度设计值
βf为正面角焊缝强度设计增大系数，当承受静力载荷或间接承受动力载荷的焊缝，βf=1.22；对直接承受动力载荷的结构，βf=1.0。
示例2（角焊缝）
a.问题描述（参考《钢结构》例题7-5）
如下图所示钢柱管，外径D=203mm，壁厚t=6mm，与底板采用角焊缝连接，焊脚hf=7mm。承受静载荷：轴心压力300kN，弯矩16kN*m，剪力V=10kN。钢材为Q235，手工焊，E43焊条。验算焊缝的强度。
b.模型处理
为例保证结果的合理性，需要对模型进行切割，然后进行拓扑共享，切割模型示意图如下（注意需要沿着焊缝有效厚度截面（45°方向）对焊缝进行切分）；在共享拓扑是需要特别注意圆管和底部之间没有连接关系，两者之间仅通过焊缝进行传递载荷。
c.网格划分
采用线性单元、设置网格基准尺寸为5mm，进行网格划分，得到网格如下图。
d.边界与载荷
在平板底部进行固定约束，在钢管上表面添加轴向力、弯矩与剪力、如下图。
e.计算与结果后处理
完成以上设置后，开始求解。
求解完成后提取整体的应力结果，如下图，在X正方向焊缝区域的应力结果最大，峰值应力为378.84MPa，这个应力结果包含了几何突变引起的应力集中，不能作为焊缝强度校核的依据。
类似于对接焊缝，我们需要提取焊缝有效厚度截面的正应力与切应力进行校核，由于当前的焊缝是圆周方向，且有效厚度截面与水平方向存在45°夹角，没有办法直接建立整个焊缝有效厚度截面的Surface，且每个位置的法向不尽相同。本例在校核焊缝时，根据等效应力结果，提取X正方向有效厚度截面四个单元进行强度校核。
我们提取X正方向（等效应力最大位置）焊缝有效厚度截面，选择四个单元，定义局部坐标系，提取当前单元的法向应力与最大切向应力，最大 法向应力拉应力为134.03MPa，最大 法向压应力为-173.89MPa，Q235角焊缝许用应力为160MPa，抗拉满足要求，抗压局部超过许用应力。
当前焊缝同时包含拉应力、压应力与切应力，故需要校核折算应力，在结果后处理中，插入User Defined Result，在公式中输入“sqrt((SY/1.22)*(SY/1.22)+SMAXSHEAR*SMAXSHEAR)”（承受静载荷，系数取1.22），提取结果如下图，可以看出折算应力最大值为153.65MPa，小于160MPa，满足焊缝强度要求。
参考资料
1、《钢结构-钢结构基础》西安科技大学，陈绍蕃、顾强主编
2、《钢结构设计规范》GB50017-2017
3、《焊接结构》[王文先，霍立兴 主编]
4、Ansys help2023
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