【OptiStruct要领】焊缝疲劳
本文摘要（由AI生成）：
本文主要介绍了焊接结构的疲劳分析方法，包括焊缝建模、疲劳评估位置和失效准则。在OptiStruct中，焊缝疲劳分析使用壳单元进行建模，根据不同的焊接形式，有不同的建模方法。疲劳评估位置包括焊趾、焊喉、焊根和焊脚，失效准则基于M. Fermér等人的算法，使用节点力和力矩以及焊趾处结构应力的解析表达式计算应力，与实验确定的Wöhler或S-N曲线一起使用。
上一期我们讲了单轴疲劳以及多轴疲劳如何在 OptiStruct 中设置的例子，大家是不是觉得意犹未尽呀？
绝大多数的焊接结构和焊接机械零件都是在变载荷下工作的，疲劳破坏是这种构件的主要破坏形式，这期我们就来说说焊缝疲劳~
01 FE建模
FE建模
首先介绍下焊缝建模的一些术语，即焊趾、焊喉、焊根、焊脚，如图：
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，我们会在下文详尽介绍的~
在 FATSEAM 卡片的 WTYPE 中可以选择用于焊缝疲劳的类型。
Fillet
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
OVERLAP/LASER EDGE OVERLAP
建模规则
焊缝单元的厚度一般等于焊喉的尺寸。
02
疲劳评估位置
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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：
03
失效准则
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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。
2
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。
T<TREF
T>TREF
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。
区域2：
区域4：
M为平均应力敏感系数，通过 MATFATFKMMSS_SM定义；通过 FATPARM 开启平均应力修正，默认不开。
上面的理论知识是不是让你感觉有点不知所措？那让我们来看一个例子吧~
04
例子
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-PFATSMW
② 控制参数：FATPARM-SMWLD
③ 料sn曲线：MATFAT-SMWLD
④ 荷曲线和一般情况一致
MODAL
MODAL
这里我们用到的模型如下，考察焊缝部位的疲劳寿命：
建模
2
定义疲劳单元
FATSEM，PFATSMW
（焊缝单元类型，参数）
FATDEF
MATFAT
（两条sn曲线）
3
控制参数FATPARM（sn曲线修正等）
4
载荷曲线设置
这一步与我们在上一节中介绍单轴/多轴疲劳是一样的，这里就不赘述了~
