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案例教学 | 角焊缝(壳体)疲劳在ANSYS nCode DesigenLife的创建与计算原则浅述

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写在文前:

ANSYS nCode DesigenLife焊缝疲劳分析最初用于汽车行业薄板结构(1-3 mm) 的焊接分析模拟,采用薄壳搭建有限元模型,相关工业应用也都针对于此类结构进行。ANSYS nCode DesigenLife焊缝疲劳分析采用结构应力法进行计算,具有好的网格不敏感性,目前该方法也适用于以实体建模的焊缝疲劳分析。

限于篇幅本文仅针对角焊缝(壳体)焊缝单元创建和计算的准则基于ANSYS nCode Theory手册进行编写,关于搭接焊缝、激光焊等请参考相关文献资料。

两名笔者水平极为有限,错误必然较多,另原稿成稿较早且截取原稿部分并非完整,某种程度未能紧跟相关技术发展,因此严禁直接应用于企业项目的产品分析以免造成重大事故和伤害。另外本文建立的焊缝有限元模型不能作为评估焊缝极限强度的方法进行使用。

一、壳体焊缝有限元建模通用原则

不同类型的焊缝形式具有不同的分析方式,需要根据焊缝种类进行分组,每一个有限元输入分组应对应疲劳引擎中对应的有限元焊缝类型,并设置一个合理的参数数值。

对于以薄壳单元建立焊缝有限元建模具有一定的通用准则:

① 网格应以4节点四边形单元为主,表达金属薄板的中面。

② 以单排或双排壳单元进行焊缝建模表达。

③ 焊缝网格规整,尺寸以5mm为最好,规避三角形网格出现。

④ 疲劳分析焊缝单元需设置特殊焊接属性。

⑤ 焊缝单元法向保证设置法向朝外。

⑥ 毗邻焊缝的单元的非平均化节点应力被提取作为焊趾和焊根疲劳计算评估使用,该应力也可以是平均化的或在单元边长的中点处进行计算,通过在“ANSYS Group Properties”中设置“WeldLocation = MidElementEdge”进行考虑

⑦ 当考虑焊喉进行计算,采用焊缝单元中心位置应力进行,焊喉部分疲劳寿命计算,基于焊缝单元“两条焊线”计算,后平均到中心位置。节点力方法需要采用线性单元。

二、角焊缝有限元单元构建

图1

角焊缝以给定角度连接薄板结构,如图1中A图所示焊接结构失效位置在焊趾或者焊根,这是疲劳损伤将要评估的区域(nCode软件对于焊喉区域评估是一个测试功能,并不推荐计算)。

角焊缝的单元创建可以采用单与双单元两种形式:

1、角焊缝的截面采用单倾斜单元创建

① 焊缝单元的法向应指向施焊人员,如图1中B图所示。

② 焊缝单元节点,在表达焊趾的直线上。

③ Lw长度应由实际焊趾尺寸确定,推荐值为:

Lw=t1+t2

④ 焊缝单元厚度应能表达焊喉厚度,推荐值为:

2、角焊缝的截面采用两组单元创建

如图1中C图所示,确定焊接单元法相定义。

焊缝单元厚度推荐为:

亦或定义为:

三、角焊缝计算要点和应力提取

在ANSYS nCode DesignLife中通过高级编辑“Advanced edit”进行焊缝求解中的“EntityDataType”、“WeldResultLocation”、“ WeldEndElements”的配置。

求解引擎属性中“EntityDataType”控制采用的数据类型,如图2所示。

①   Stress:直接采用应力作为疲劳评估计算。

②   ForceMoment:采用节点力和力矩提取疲劳计算的应力。

③   Displacement:采用位移量提取进行疲劳计算的应力。

WeldResultLocation=NodeOnElement/MidElementEdge考虑基于单元节点或者单元边长的中间点进行评估,如图3所示。

WeldEndElements用于在分析中考虑焊线端部单元。

图2  

图3 

限于篇幅以下仅针对基于“EntityDataType=ForceMoment”进行节点力和力矩进行应力计算要点的说明,其他方法可以参阅相关技术文档。

“EntityDataType=ForceMoment”进行节点力和力矩提取要点:

① 垂直于焊接边的正应力被提取(Weld Top面),平行的正应力和剪应力不进行计算。

② 对于焊趾和焊根单元的应力提取,是毗邻焊缝单元的边的中间点的均值应力,方向垂直于该边。

③  焊喉单元应力提取的是焊喉单元两条边的均值。

④ 参与计算的焊趾单元是与焊喉单元共享节点的且位于焊线前部的那些壳体单元。 

图4 

⑤ 如图4所示焊线两端端部单元作为“Optional elements”选择单元,是否进行选择计算是根据配置文件中“FE Import Analysis Group→WeldEndElements”进行定义的。如果WeldEndElements设置为“应力或采用位移形式”,在分析中将考虑焊线端部单元,疲劳计算将在这些单元中进行,除非“WeldResultLocation设置为MidElementEdge”

⑥ 如果“WeldResultLocation = MidElementEdge”,同时WeldEndElements设置为“节点力”,焊线两端部的单元中将不进行疲劳计算,但是这些单元的节点力对于应力计算是有贡献的,因此推荐排除这些单元进行计算,在分析组属性中设置“WeldEndElements=Exclude”。

图5 

ANSYS nCode DesignLife利用节点力和力矩提取应力进行焊缝疲劳计算,获得全局坐标系每一个单元节点上的力 和力矩 。如图5所示蓝色单元表达的是焊接单元,绿色单元表达的焊趾单元。焊趾单元的应力计算考虑如下,例如以图中单元6为例,结构应力计算之前,需要确定沿着焊趾单位长度的力和力矩。定义力和力矩作为矢量,单元6上节点7的节点力和力矩按照如下进行表达:

结构应力求解过程按照如下进行:

① 定义焊趾单元和面

② 定义局部坐标系,局部坐标系的x轴法相于单元的边,z轴是单元6的7、8节点的平均法相,相对于焊趾面方向朝上。

③ 计算线力和力矩

线力f和力矩m,是沿着焊趾单位长度的力和力矩。

平均化上面计算的线力和力矩赋予给单元6焊趾边的中间位置。

④ 在局部坐标系进行求解转换

⑤ 计算垂直于焊趾的应力

垂直于焊趾的应力由膜应力和弯曲应力组成,其中t是焊趾单元的厚度,计算如下:

⑥ 写结果进入文件提交求解

图6是两个计算算例的计算结果,计算过程与一般的应力、应变疲劳计算流程相同,注意材料选择过程对于焊趾、焊根、焊喉材料的添加过程,其他具体操作略。

图6

写在���后:

本文仅针对角焊缝(壳体)焊缝单元创建和计算的准则基于ANSYS nCode Theory手册进行编写。水平有限,错误较多,另外原文成稿较早,截取原文部分并非完整,请严禁直接应用于企业项目的产品分析以免造成重大事故和伤害。

另外,本例建立的有限元模型不能作为评估焊缝极限强度计算的数据进行使用。

最后感谢我的好友左平对我的一贯帮助和支持。


作者:付稣昇 左平 仿真秀专栏作者

左平 男,目前任职于RMG Steel,负责项目/技术等工作 ,擅长CAE结构强度仿真计算以及基于规范进行的结构疲劳分析评估。

付稣昇 男,目前工作于安世中德咨询有限公司,中国机械工程学会机械工程师资格(认证),主要负责结构强度、疲劳、动力学、复合材料、高级非线性、轻量化设计、尺寸优化等相关设计与仿真工作。曾编写出版《ANSYS Workbench17.0数值仿真教程》一本。

声明:原创文章,首发仿真秀,部分图片源自网络,如有不当请联系我们,欢迎分享,禁止私自转载,转载请联系我们。

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首次发布时间:2019-03-16
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lubin
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