焊缝疲劳那点事？什么名义应力，热点应力，结构应力，我都研究过！

从有限元解中恢复应力的方法是所有焊接疲劳分析方法和标准的核心问题。

一）壳单元

1）传统应力恢复方法：沃尔沃方法需要单元边缘的应力，这意味着应力将从积分点外推得到。

由于缝焊的几何特征，网格收敛实际上是不可能的，因此传统的单元节点应⼒往往不⼀致，并且对网格密度、网格质量和单元公式高度敏感。

2）基于网格节点力：这是Fermér等人在1998年提出的原始方法，在DesignLife中对此进行了改进，以便根据焊趾处的线⼒和弯矩确定每个焊趾单元边缘中点处的结构应力，如下图所示。

     

线力和力矩依次由焊趾单元中的网格点⼒计算得出。不存在对网格不敏感的有限元方法，但这种方法确实对网格尺寸、单元形状或公式化表现出显著降低的敏感性，尤其是在焊缝端部周围。

3）三次应力恢复：对于NASTRAN⽤户⽽言，还有另⼀种方法，其性能与网格节点力法非常相似。

     

NASTRAN中的三次应力恢复选项并非基于积分点的外推，而是基于节点的相对位移和旋转。该单元的使用方式类似于应变片花，通过将三次位移函数拟合到计算出的位移和旋转来确定角点处的应变，进而确定应⼒。

二）实体单元

有些结构无法⽤薄壳单元进行充分建模，需要更详细的实体模型。这实际上与结构是“厚”还是“薄”无关，而是结构的形状，特别是是否存在与板厚尺度相似的⼏何特征，是否违反了与薄壳单元相关的基本假设。

例如，在下图所示的来自TWI研究的T型管试件中，焊缝靠近水平管的拐⻆意味着该区域无法⽤薄壳单元恰当地表示。

     

由此产⽣的问题是如何通过实体模型从非线性应⼒分布中确定结构应力。

目前在DesignLife中实施的方法在原理上与Niemi在参考文献中描述的方法相似。在这种方法中，与焊缝相邻的结构厚度方向上的应⼒分布被划分为薄膜应力、线性弯曲应力和非线性峰值应力分布，如下图所示。

     

薄膜应力就是焊趾处的平均应力，而弯曲分量的选取应使得剩余部分，非线性峰值应⼒，处于平衡状态。然后，结构应⼒就是薄膜应⼒和弯曲应⼒分量之和。

美国机械⼯程师协会（ASME）压力容器规范中描述了⼀种类似的方法。在DesignLife中，薄膜应⼒和弯曲应⼒分量是通过沿从焊趾向下投影的⼀条线对厚度方向上的应力进⾏积分来确定的。

     

该方法为确定结构应力提供了⼀种可靠且相对不依赖网格的方法。下图给出了⼀个示例。此处使⽤四⾯体单元和六⾯体单元对⼀个焊接细节进⾏了建模。由于应⼒奇异性，峰值应⼒非常依赖网格（实际上因此毫无意义），十节点四⾯体网格的峰值应⼒为1612MPa，而六⾯体网格的峰值应力为695MPa。

由DesignLife确定的线性化应力的比较结果非常好。⼀般来说，只要厚度方向上至少有3层实体，结果就非常好。

     

全厚度积分方法需要沿着焊趾定义⼀系列点，以及⼀个表⾯法线和另⼀个向量来定义焊缝的方向。这些点可以使⽤ASCII文件进⾏定义和导入。

     

以下三张图是不同焊接接头的疲劳寿命，测试与仿真的的对比。结果高度一致。

每种几何形状均使⽤实体单元进行建模，然后在DesignLife中使⽤贯穿厚度积分结合沃尔沃方法进行应力恢复分析，并使用DesignLife 数据库中的通⽤焊缝S-N曲线。所有试样均由6毫⽶厚的板材制成。

     

     

     

nCode DesignLife为缝焊结构的疲劳分析提供了⼀套灵活、强⼤且经过充分验证的⼯具组。这些⼯具可进⾏疲劳计算：

1）依据诸如BS7608、ASME和欧洲规范3等现有标准，或采⽤该软件广为人知沃尔沃方法；

2）基于壳单元或实体单元模型；

3）基于常规有限元应力，或由节点力、CUBIC应力或通过厚度积分导出的结构应力；

4）考虑加载类型、板厚的影响，并在适当情况下考虑平均应⼒和小循环；

5）使用标准、通⽤或⽤户定义的S-N曲线；

6）适用于广泛的板材厚度范围；

这些方法在nCode DesignLife易于使用的、面向流程的用户界面中均可使用。

因为我对焊缝疲劳有过几年系统的研究，所有我翻译了HBM的这篇文章。

最早期，我给广大工程师推荐了国内机械设计手册的名义应力法。后来，我又给广大工程师介绍了IIW，EC3，BS7608的名义应力法和热点应力法。

写了几十篇博文，另外也录制了三套课程。因此有不少人通过我加强了对焊缝疲劳的认识，以及开展进一步的学习。这也算我对工业界的贡献吧。

2026年1月，我录制了nCode疲劳分析课程，进一步介绍了结构应力法焊缝疲劳校核。

最终，我完成了四套课程，也算是全网 关于这个主题，创作课程最多的工程师了。