基于子模型技術(shù)的焊接接頭疲勞強度評估

王嚴 郭城臣 樊浩

關(guān)鍵詞：疲勞強度;焊接接頭;缺口應力;子模型技術(shù)

0引言

焊接接頭可以不受尺寸限制地聯(lián)結(jié)各個部件，具有設計簡單、制作周期短、經(jīng)濟效益好等優(yōu)點，在工程實際中被廣泛采用。然而由于焊接結(jié)構(gòu)處的應力分布復雜，對其進行疲勞強度評估十分困難。多年來國內(nèi)外學者在焊接接頭的疲勞強度評估方面做出了努力，取得了一定研究成果，目前從整體評估到局部評估先后發(fā)展出了名義應力法、熱點應力法、缺口應力法。典型焊接接頭焊趾處應力分布的名義應力、熱點應力、缺口應力如圖1所示。

缺口應力法克服了名義應力法中名義應力難以明確和熱點應力法需要分類建立S-N疲勞曲線的問題，該方法通過建立焊趾處虛擬過度圓弧和焊根缺陷來模擬焊接缺口，以虛擬過度圓弧處的最大缺口應力作為疲勞強度評估應力，且由于缺口模型要求十分精細，較大地提高了焊縫疲勞分析的準確性。然而精細的模型帶來了極大的計算量，且由于早期階段計算機并不發(fā)達，該方法未能得到較多應用，為解決缺口應力法建模復雜、計算量大的問題，本文擬提供一種結(jié)合子模型技術(shù)的缺口應力評估方法。

1缺口應力法

Radai在1990年提出了缺口應力法，該方法考慮了焊縫缺口效應，以接頭處的最大缺口應力作為疲勞評估參量。缺口應力法針對有限元計算的潛在危險疲勞位置，即以焊趾和焊根處的真實應力來建立一條S-N曲線。然而實際焊接結(jié)構(gòu)中焊趾和焊根處的幾何形狀是不規(guī)則的，于是在采用缺口應力對焊接結(jié)構(gòu)進行疲勞強度評估時，需要假設焊趾和焊根處存在一個虛擬過渡圓弧，在確定虛擬過度圓弧半徑的大小后，缺口應力值可以計算出來。

缺口應力將構(gòu)件及接頭整體幾何不連續(xù)導致的幾何應力集中考慮在應力分析之中，避免了名義應力法中需要將待測評焊接接頭與規(guī)范中各標準結(jié)構(gòu)細節(jié)進行比較來選取疲勞強度S-N曲線，理論上可以使用一條通用的缺口應力S-N曲線來評估各種不同接頭焊縫類別的疲勞強度。由于計算機的計算能力得到提高，近年來缺口應力法得到了進一步的發(fā)展和應用。國際焊接協(xié)會將缺口應力法加入到規(guī)范中，并給出了推薦的缺口應力S-N曲線。西南交通大學的劉旭建立了典型焊接接頭的缺口應力模型，對焊趾處缺口應力集中系數(shù)進行了計算并擬合出缺口應力S-N曲線。武漢理工大學的嚴仁軍等采用缺口應力法對T形接頭、對接接頭等幾種常見焊接接頭進行疲勞強度評估，結(jié)果表明采用國際焊接協(xié)會推薦的缺口應力S-N曲線使得對接接頭的疲勞評估較為危險。

2子模型技術(shù)

子模型技術(shù)是得到模型部分區(qū)域中更加精確解的有限單元技術(shù)，為得到有限元模型區(qū)域部分的更精確解，可以采取兩種方法，一是采用較精細的網(wǎng)格重新劃分整體模型，二是只對關(guān)心的區(qū)域進行細化模型，該方法即子模型技術(shù)。方法一需要極大的計算量，對于大型結(jié)構(gòu)處理十分費時費力，因此，基于圣維南原理的子模型技術(shù)發(fā)展而來，該方法在整體模型上截取部分模型，以整體模型切割邊界的計算位移值作為子模型的邊界條件，從而高效地獲取關(guān)心區(qū)域的計算分析結(jié)果。

3算例

本文以一個典型標準對接焊接接頭為例，說明子模型技術(shù)在缺口應力法中的應用，該方法可為其他復雜結(jié)構(gòu)的疲勞強度評估提供參考。本算例選取的標準對接焊接接頭與文獻[8]中一致，其幾何形狀與尺寸參數(shù)如圖2所示。

由于缺口應力法中對缺口處過渡圓弧建模復雜，本文借助有限元軟件Hypermesh建立標準對接接頭的有限元模型，具體為采用Solidl85單元進行網(wǎng)格劃分，對接接頭的一端固定，另一端添加拉伸載荷，值得注意的是，為直接得到應力集中系數(shù)，而無需計算，添加拉伸載荷大小為1MPa。本文分別對原模型和子模型進行了計算分析。

3.1原模型

為減小計算量，在原模型階段只進行粗略網(wǎng)格劃分，整體單元尺寸為2mm，單元數(shù)量為608320，節(jié)點數(shù)量為643671，網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

下一步從Hypermesh導出cdb文件，并導入An-sys中計算，對焊接接頭進行整體求解，圖4所示為最大主應力分布圖。結(jié)果表明應力集中區(qū)域為焊趾處，應力集中系數(shù)為2.46。

3.2子模型

子模型是在原模型求解結(jié)果的基礎(chǔ)上建立的，即對原模型中重點關(guān)注的部位進行切割以進行進一步的精細分析。在Hypermesh中對焊趾部分進行切割，此區(qū)域即為子模型。對該區(qū)域進行精細網(wǎng)格劃分，單元尺寸為0.15mm，單元數(shù)量為44000，節(jié)點數(shù)量為443150，網(wǎng)格劃分情況如圖5所示。值得注意的是，切割的位置應該避開應力集中區(qū)域。

子模型求解的關(guān)鍵在于邊界條件的處理，即將原模型中對應焊趾部分的應力結(jié)果作為邊界條件添加到與之對應的子模型上。

（1）用戶定義切割邊界的節(jié)點，Ansys程序用粗略模型結(jié)果插值方法計算這些節(jié)點上的自由度數(shù)值。提取子模型切割邊界的節(jié)點并將其寫入一個集合文件中。選擇切割邊界的節(jié)點，如圖6所示。

（2）選擇所有節(jié)點并將數(shù)據(jù)存人db文件中。

（3）要進行切割邊界插值，數(shù)據(jù)庫中必須包含粗略模型的集合特征。進入通用處理器POST1，插值只有在POSTl中進行，指向粗略模型結(jié)果文件，讀人結(jié)果文件中相應的數(shù)據(jù)。

（4）開始切割邊界插值。至此，所有的插值任務完成，退出POST1，并讀人子模型數(shù)據(jù)庫。導出cdb文件，導入Ansys中。

（5）進行子模型求解：進入求解器，定義分析類型，添加切割邊界自由度約束進行求解計算，有限元子模型計算后應力云圖如圖7所示。結(jié)果表明焊趾處存在明顯的應力集中，此處即為疲勞危險位置，且缺口應力集中系數(shù)為2.40。

3.3基于原模型和子模型的缺口應力集中系數(shù)

缺口應力與名義應力的比值即為缺口應力集中系數(shù)，以此來表征焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度。在子模型有限元分析計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過拾取節(jié)點的應力值，可以得到對接焊接接頭的以第一主應力S1為應力參數(shù)的缺口應力集中系數(shù)，以進行疲勞強度評估。為了說明子模型分析的有效性，對原模型和子模型下焊趾處沿X方向的應力缺口應力集中系數(shù)進行了對比，如圖8所示。由圖可以看出，兩種模型得到的缺口應力集中系數(shù)變化趨勢基本一致;原整體模型得到缺口應力集中系數(shù)為2.46，子模型得到的缺口應力集中系數(shù)為2.40，表明子模型技術(shù)可以有效地進行缺口應力計算，同時，縮小計算規(guī)模，提高計算效率。

4結(jié)束語

本文基于精細子模型建模技術(shù)和缺口應力法對典型對接焊接接頭進行疲勞強度評估。算例結(jié)果表明子模型技術(shù)可以有效獲得焊縫處缺口應力集中系數(shù);與整體精細網(wǎng)格模型相比，子模型方法僅對局部模型進行細化，極大地減小了計算量，為基于缺口應力的疲勞強度評估提供了一種可行的思路。