CN109684772A - 一种采用有限单元法计算焊缝结构疲劳的处理方法 - Google Patents

Abstract

在有限单元法中由于其结构被离散化，并由单元和节点相互连接。因此有限元结构中的焊缝连接成为了一种较为棘手的问题，尤其是在处理焊缝结构的疲劳损伤问题。本发明提出了以有限单元法为基础，在处理焊缝结构的疲劳损伤的处理方法，本发明中包含的焊缝结构处理方法包括圆角焊，叠焊，激光叠焊，激光边缘叠焊，固态焊接，通用焊接等焊接方法的处理。同时还提出了焊接位置的格点力和力矩的计算方式。通过本发明所介绍的方法，能够非常简便的处理和计算各种焊接点的有限元分析方法，这使得焊接问题的精度和准确度能够在数值计算中得以提高和应用。

Description

一种采用有限单元法计算焊缝结构疲劳的处理方法

技术领域

本发明属于数值计算的应用领域，具体是基于有限单元法计算的应用领域。本发明提出了采用有限单元算法来处理结构焊接点（焊缝）处疲劳问题的具体方法。

背景技术

本发明提出的缝焊疲劳分析处理方法，最初是由沃尔沃汽车公司、瑞典查尔姆斯理工大学的合作萌生出来的。这个方法尤其是随着薄钢板（1-3mm）的汽车零部件焊接，以及这种结构类型的基于此方法的工业应用所发展起来的。通过工程实践发现，基于本法计算出的结构应力基本的方法具有非常普遍的适用性，采用板壳结构单元，甚至更厚的单元算法，来处理结构疲劳问题，并采用实体单元也很适用。

发明内容

本发明设计是用于薄钢板结构，它是基于有限元算法建模和分析的，主要采用CQUAD4单元。

本发明主要采用有限元求解出的格点力来计算焊点的结构应力。这个方法我们认为是相对于标准应力恢复方法提供了一个更好的划分敏感度水平，它依赖于高斯点的外推法计算。随后，我们认为一个好的划分敏感度水平也可以采用有限元中的CUBIC应力恢复选项来实现。（CUBIC方法中每个单元中的每个节点的应力来源于节点的位移和转动。）虽然使用的应力可以来自于其他有限元代码，但是由于不同软件的应力恢复方法的不同，会导致计算结果产生很大的差异。是否有必要采用其它有限元的代码（例如ABAQUS），采用二次单元可能会获取到更好的结果。

本发明提出了选择性的格点力可以用于确定用于疲劳分析的应力。要使用格点力，首先它们必须保存在有限元结果文件中。选择性的节点位移和转动可以用于确定沿着焊点周围单元的应力。要采用这个方法，节点力和位移必须在有限元结果文件中可调用。

提出了划分焊点具有一些特定的指导方法，在这里简要地提及一下，但是实质上，结构必须主要以CQUAD4单元（或等效）来划分，来代替金属板的中面，并且焊缝由一个单一的或者双列的壳来代替。焊接点周边的划分必须是规整的，如果可能的话，单元大小大约为5mm（实际上，单元的尺寸更倾向于受焊点的尺寸以及好的形状单元的需求所限制）。焊点附近的三角形单元应该尽可能的避免。

本发明如果应力或位移被使用，在焊趾和焊根的非平均节点的单元应力被恢复，基于临近焊点的单元，并且用于疲劳计算。这里将会进行焊缝厚度计算，焊缝厚度单元的几何中心应力将被使用。

如果采用格点力，焊趾和焊缝单元边沿的中点的平均膜和弯曲应力将来源于格点力，并且这就允许应力垂直于顶面和底面的焊趾并采用焊趾和焊根单元来计算。这些应力随后采用普通方法用于疲劳计算。这里焊缝厚度将被计算，应力计算来自于焊接单元的两个焊接的边，并且以几何中心被平均化。格点力的方法需要采用线性单元。

焊趾和焊根单元边沿的中点的应力计算选项被扩展到了有限元应力和源于位移的应力中。这些方法要么是恢复的或者是源于非平均（单元中的节点）应力。如果中间单元边应力被使用，那么每个单元边的应力将在通用坐标系下被平均，并且随后转译到一个基于单元边的局部坐标系中。

本发明确定了屈服于总应力的贡献，并且通过这个方法确定了焊接点是否有必要为“刚性”或者是“柔性”的。一个不同的SN曲线在这类例子中将被需要采用，并且曲线之间的插值将基于弯曲度来执行。

附图说明

图1角焊缝截面显示可能的失效位置；

图2重叠焊缝截面显示可能的失效位置；

图3激光重叠截面显示可能的失效模式(片材分离间隙放大)；

图4激光边缘重叠焊缝截面和可能的失效位置；

图5固态焊接焊缝模型；

图6通用失效位置。所有位置都被视为焊接脚趾；

图7焊接端简化建模。方法(a)不合适(b)是适当的；

图8用单斜单元模拟角焊缝截面；

图9用两行单元建模的角焊缝截面；

图10重叠焊缝模型双单元法；

图11激光边缘重叠焊缝的简化建模方法；

图12重叠焊和激光边缘重叠焊的替代方法；

图13激光焊缝重叠；

图14焊接头元件的局部坐标系；

图15基于位移的焊缝疲劳计算的局部坐标系；

图16角焊缝焊缝头和焊缝根部单元分析(单一元法)；

图17角焊缝-单元法焊缝趾、根计算点及焊缝表面(焊缝顶)；

图18焊缝两元法焊缝趾、根计算点及焊缝表面(焊缝顶)；

图19重叠焊缝分析用焊缝头和焊缝根部元件(单元素法)；

图20双单元搭接焊缝法焊缝趾、根部计算要点及焊缝表面(焊缝顶)；

图21单斜单元搭接焊缝法的焊缝趾、根部计算要点及焊缝表面(焊缝顶)；

图22单垂直单元搭接焊的焊缝趾、根计算点和焊缝表面(焊缝顶)；

图23用于激光重叠焊接分析的焊缝根部和焊缝元件；

图24激光叠焊-单垂直单元法焊缝根部和焊缝喉部的计算要点及表面；

图25激光边缘搭接-单垂直单元法焊缝趾、根、喉计算要点及曲面；

图26一般方法计算点和曲面的实例；

图27焊接案例；

图28焊趾单元的局部坐标系。

具体实施方式

不同类型的焊接必须区分分析，这取决于它们的几何体类型，几何创建的过程，以及所需考虑的失效模型。在本发明中，焊接必须根据它们归属的分析对策，收集归纳到不同的组中进行分析。事实上，这就意味着焊接必须被分组成分离的有限单元输入分析组中，它们当中的每一个都具有一个属性分配，都需分配一个合适的值。本发明所提出的焊接类型有如下几项：

圆角焊

圆角焊是采用金属惰性气体（MIG）或者金属活性气体（MAG）焊接两个呈一定角度的金属板。图1所示的焊接是一个单边焊例子。最可能的失效位置（疲劳裂纹）位于标记的焊趾或者焊根部。这些位置都是疲劳损伤所需评估的位置。注意，焊缝厚度失效不太可能出现，除非焊点具有很差的质量或者焊珠尺寸过小。

叠焊

叠焊类似于填充焊（图2），唯一的不同在于连接的块体是平行的。注意标记的可能失效的位置-这些位置是分析引擎会预测失效损伤的可能位置。

激光叠焊

在激光叠焊（图3）的案例中，通过金属板的失效的萌生和传播被归为焊根失效。其它可能的失效模式是穿越焊点自身的失效。它被归为焊缝厚度（焊喉）失效。可能的失效位置如图3所示。注意，为了更清晰的显示，金属板的分离间隙被放大了。

激光边缘叠焊

激光边缘叠焊（图4）的处理方法非常类似于叠焊，除了由于它的焊珠的尺寸小，失效有可能会穿越焊缝厚度（焊喉）。

固态焊接

固态焊接（图5）方法提供的案例不适合于薄壳单元，由于结构的相对厚度的添加和实体单元的使用。下图是一个采用实体单元的焊缝模型，可是必须指明，焊缝厚度的实际建模对于评估焊趾位置的全局结构应力是必不可少的。

当固态焊接时，本发明提出3个附加属性将在有限元输入分析组（FE import analysisgroup）中被激活：

1WeldDefinitionFilename-XML格式文件，它定义了焊点位置和方向。

2 MaxWeldDepth –距离恢复应力的最大距离，在焊点位置穿越结构。这个距离也可以在基于焊接定义文件的每个位置被重写。

3NumWeldLayers –穿越结构到恢复应力的点的数目。

通用焊接

本发明也提供了通用焊接（图6），以便一些用户可以复制一个之前在有限元-疲劳中可用的保守选项。在这个选项中，损伤计算会在所有与焊缝单元相接的壳的面的顶部和底部展开。所有这些位置被当成焊趾。例如：

为了获取合理准确的疲劳分析结果，有必要坚持特定的有限元建模方法。因此，它具有一些通用的方法以及一些当使用薄壳单元时的特定于不同焊接类型的建模方法。

通用焊接需要分析的结构主要采用4节点四边形单元（CQUAD4 or equivalent）来代表金属板的中平面。焊珠则应采用一个单一的或者双层壳来表示。沿着焊珠的网格划分必须规整，单元尺寸在5mm上下，同时焊点周边的三角形单元必须被避免使用。

用于替代焊珠的单元是用于区分焊点的，并且这些单元在每一个焊点或者焊接类型上都必须设置一个独特的属性。另外，焊接单元的法相方向必须对齐，以便正位点朝外，也即朝着焊接工的方向（激光叠焊除外）。而壳单元法相的方向不重要，除了当研究一个单独的板结构时，当它需要采用良好的方式排列时才用到。

焊趾和焊根的非均布节点在单元应力上被恢复，基于临近焊点的单元被用来运行疲劳运算。作为选择性地，这些应力可能平均计算或者只计算单元边沿的中点，并与焊珠进行应力分配。这里的焊喉应力计算也会进行，焊珠单元的图心应力被采用（它是通过节点或者单元边被平均而来的）。

注意：所有缝熔焊焊根部，焊趾以及焊喉结果的位置，必须具有非零厚度，否则转换到FEI文件时将会失败。位移和格点力的方法都是采用厚度来计算应力或应变，这些结果将被写入FEI文件。这些方法仅仅适用于已被识别的结果位置的厚度。所有作为结果位置的一部分被识别的单元，必须直接与焊接单元相连接，这些焊接单元是用户在有限元输入分析组选项中被定义的。如果你要确保所有的焊接单元和所有的壳单元都直接的连接到了具有非零厚度的单元，那么将不会暴出“零厚度”错误提示信息。它适用于格点力，位移和应力方法。

在过去，非常推荐采用“关闭”焊接点的终端，如图7（a）所示。可是，当采用FE应力时，可以采用如图7（b）所示的更为简便的方法，它可以给出一个相当好的结果，同时模型也是非常容易建立的。当采用格点力时，它将有益于闭合焊接终端。

角焊

角焊的建模要么可以采用一排倾斜的壳单元（图8），或者采用两行单元（图9）来建立。

请注意以下几点：

1 焊接单元具有不同属性的设置

2 焊接单元的正位点“朝向焊接工”

3 焊接单元的节点与焊趾成一条直线

4 Lw的长度必须通过焊趾的实际尺寸来确定。一种推荐采用的计算方法为：Lw= t1 +t2

5 焊接单元的厚度必须表示焊喉厚度，通常为：Lw/√2

请注意以下几点：

确保焊接单元的法相与显示的一致。这个方向对正确识别焊趾和焊根来说很重要。

焊接单元的厚度为Lw/(2√2)或者换言之，推荐采用大约0.35(t1+t2)，虽然这种连接构想的刚度对焊接单元厚度并不敏感。

重叠焊和激光边缘重叠焊

重叠焊（图10）和激光边缘重叠焊（图11）以相同的方式建模，除了对于激光边缘冲叠焊中的焊珠尺寸更小的情况。它的原理与角焊建模方式一样；沿着焊趾线必须创建一排节点，并且采用一排或者两排单元来模拟焊缝，焊缝单元的厚度来表示焊喉。

对于重叠焊，典型的腿长Lw = t1 + t2,并且焊接单元厚度必须大约在0.27(t1+t2)左右。

这个方法可以简化，可以采用一列单元来代替两列，如图11所示。这个方法更适合于激光边缘叠焊，因为它允许采用焊喉疲劳计算方法，合理的焊喉应力结果获取需要采用单排单元。

在这个案例中（图12），对于叠焊，焊接单元厚度必须设置为两个板间的最薄处厚度的两倍，但是任何情况下都不低于3MM。对于激光边缘叠焊，焊接单元的厚度必须对应于焊喉厚度，它大约为0.7倍的板的最大厚度。

激光叠焊

对于激光叠焊（图13）来说，焊缝单元的厚度必须表示焊缝的宽度。焊缝宽度必须为板最薄处的90%，但是任何情况下都不能低于1MM。

这一部分描述在每一种焊接类型中，如何区分修正计算点和应力。

通常来说，整个过程如下，基于焊接单元和焊接单元法向：

识别焊趾和焊根单元。

识别这些与焊缝单元共享单元上的节点。

识别每一个单元上的哪一个表面(Z1[bottom] or Z2[top])为“焊顶”面，例如，在这些表面上，将被预测出裂纹的扩展。这依赖于焊趾或者焊根单元法向方向的正确识别。

随后要做的取决于应力是否直接采用还是采用格点力以及力矩，或者是采用位移来衍生出疲劳计算的应力。这个通过定义分析组特性中的属性“实体数据类型”来控制。它也依赖于是否采用节点来计算，还是采用单元边的中点来计算

是否应力被直接采用：

在单元坐标系中恢复应力，对于每个单元的两个面，都首先采用“weld top”面。

对于焊趾和焊根单元，如果焊接结果位置为中部单元，那么焊缝临近的两个节点被转换成一个通用的局部坐标系，基于单元边长被平均化。这个局部坐标系具有它自己的Z轴作为向上的表面并垂直于焊趾，同时它自己的Y轴沿着边长方向，而X轴垂直于并且指向焊趾的外方向，如图14所示。

对于焊喉单元，应力将基于局部坐标系（单元坐标系）下，在图心被均匀分配。

对于焊接类型为实体焊接时，焊接结果的位置将被忽略，并且应力恢复通过焊接定义文件被定义。

如果采用格点力和力矩时：

垂直于焊缝边缘的直接应力将被恢复，对于每个单元的两个表面，首先采用“焊顶”面。注意直接应力和剪切应力平行于焊缝的应力分量将不被计算。

对于焊趾和焊根单元，应力代表了临近与焊缝单元边沿的中点的平均应力值。这个方法用于计算的这些应力将会在后续详细说明。

对于焊喉单元，应力通过单元的两边被平均化，这两条边平行于焊缝。

如果位移（或者转动位移）被使用：

在每一个焊趾或者焊根单元节点的应变张量将被计算出来，它基于每个单元节点的相对位移和转角。一个局部的坐标系将在每个节点上被定义，并具有自己的Z轴，朝着表面方向并垂直于焊趾，同时它的Y方向沿着边缘方向，X轴垂直并指向焊趾的外部方向，如下图15所示：

对于焊趾和焊根单元，如果焊接结果位置为中部单元边界时，那么临近焊缝的两个节点的应变将被平均化。如果单元不是极度的弯曲，那么这两个坐标系将采用同一个，并且与图14中相同。

对于焊喉单元，每个单元角落的应变基于单元坐标系的图心被平均化。

在分析引擎中，应变张量被转换成应力，基于胡克定律。

对于每种单元类型，我们需要参考其具体规定来执行。

角焊

对于角焊，焊趾和焊根单元如图16所示。焊喉单元在分析中不被采用。

焊趾单元是在焊缝前部的单元，它与焊喉单元公用节点。这些单元在焊缝线的尾部是可选择的。是否采用它们是通过控制焊接终端单元(包含或不包含)来定义。它们可以在有限元输入分析中被设置。这个属性的作用稍有不同，它依赖于通过有限元结果文件中，是否应力，位移，或者格点力被恢复。如果采用了应力，或者位移，如果如果焊接结果位置为中单元边界:

如果应力被恢复，或者位移被采用以及焊接终端单元设置为不包含,那么这些单元将被包含在分析中，例如，疲劳计算将采用这些单元，除非如果焊接结果位置为中单元边界。

如果焊接结果位置为中单元边界，并且/或者格点力被采用，那么这些单元将不进行疲劳计算（因为它不与焊缝共享边缘），但是单元的格点力将贡献于应力计算。我们推荐计算中包含这些单元（在分析特性中设置焊接终端单元（不包含））

计算的位置和“焊顶”面在图17和图18中指出了：

重叠焊

对于重叠焊，焊趾和焊根单元如图19所示。焊喉单元将在分析中不被采用。

再次，焊缝线末尾的单元时可选的。它们是否被采用通过控制属性焊接终端单元（包含或不包含）来确定。

它可以在分析类型中被设置，我们推荐采用排除这些单元。

用于计算的位置和“焊顶”面如下图20和21所示：

激光重叠焊

对于激光重叠焊，焊根和焊喉单元如图23所示。因为裂纹可能会在焊喉的两侧任意一侧出现，所以焊喉单元的两侧都必须考虑在内。

再次，焊缝末尾的单元也是可选的。是否采用这些单元也是通过控制属性焊接终端单元（包含或不包含）来执行（图24），它可以通过一个控制程序设置。

激光边缘焊

激光边缘焊与重叠焊的方法是一样的，除了焊喉需要被计算。在这种情况下，有必要采用单排单元来表示焊缝。而双排单元将不能形成真实的焊喉应力。

激光边缘焊的计算点和表面如图25所示：

一般焊接

如果焊接类型为一般焊接，那么连接到焊缝单元上的单元中的所有面将被采用，并且被作为焊趾。参见图26所示的例子：

下面介绍本发明如何通过格点力和力矩计算应力

作为通过有限元结果中可选择的一类应力直接生成方法，本发明也包含了一种来自于节点力和力矩的疲劳分析方法。对于它的每一个单元，计算将被执行（焊趾，焊根，也可能是焊喉），我们需要了解格点力。它们的计算需要总体坐标系下的力Fx,y,z和力矩Mx,y,z,。对于单元上的每个节点，合理的输出需求必须包括在有限元分析输入舱中，来确保这些结果可用，例如， GPFORCE和NFORC。通过采用这些方法，力和力矩被用于计算用于疲劳计算的缝熔焊的应力。

考虑到图27中焊缝截面。蓝色单元代表焊缝，而绿色单元代表焊趾单元。我们将考虑焊趾单元的应力计算。

让我们考虑一下如何控制焊趾单元，拿单元6作为例子。在我们能计算结构应力之前，我们首先需要确定沿着焊趾的线力和线力矩（力/力矩每个单元长度）。

我们所需要的的基本信息是总体坐标系下的格点力和力矩。我们可以通过每个单元节点相连的外露的力来考虑这些。

我们将这些力和力矩以矢量方式表示，因此，在单元6中的节点7的格点力和力矩可以表示为：

随后的步骤如下：

1 区分焊趾单元和表面

这个工作和应力是否被直接采用的方法一致。

2定义一个局部坐标系

局部坐标系(x',y',z')将被定义，这里的x'轴垂直于单元边沿，这里的z'轴一般来说是单元6中节点7和节点8的垂直方向，朝着向上的方向（在焊趾相对于表面方向），如图28所示。

3 计算总体格点力

依然采用单元6，我们想知道这个单元在焊趾节点7和8上作用的总格点力；

在节点7上，总格点力和力矩为：

而在节点8上，我们也需要包括三角单元：

。

4 在每个格点上，划分力和力矩与边缘长度成比例

我们现在将按比例从左到右按照单元边长共享每个节点的总格点力。因此在节点7上，我们假设：

并且同时：

在节点8上我们假设:

并且，

。

5 计算线力和线力矩

线力和线力矩f, m,为沿着焊趾方向每个单元长度的力和力矩。线力和线力矩沿着单元边沿分布，并引起格点力。我们将首先计算每个单元每个节点上的线力值，并作为计算最后一步对应的格点力的一部分：

同时有，

同时，

我们然后平均化这些线力和力矩，并赋予这个值到单元6的焊趾边的中间部位。

6 分解到局部坐标系

线力随后被分解到局部坐标系中

7 计算垂直于焊趾的应力

直于焊趾的应力具有一个膜和弯曲的组分，它可以计算如下：

这里的t为焊趾单元的厚度。

8 写入结果到中间文件（FEI）中

FEI文件中的焊趾应力表达如下所示：

NodeID=31166,ElemID=27874,ElemType=Shell,ShellLoc=NotAShell,CoordSys=2D,ECIdx=-

1,Thickness=10,SeamWeldLocation=Toe,PropID=22553-3.9433088 -0.612344861.3359901 -2.3621747 0.70613515 0.73395562

它包括了“顶部”和“底部”面的3个应力分量（x, y and xy）。当源于这些应力的格点力和力矩被采用，那么结果被存入单元数据，而不是单元节点数据。并且也要注意，对于面顶部和底部上，只有单一的应力分量（法向应力-在x'方向）将被写入，例如：

NodeID=-1,ElemID=6,ElemType=Shell,ShellLoc=NotAShell,CoordSys=2D,ECIdx=-1,Thickness=10,SeamWeldLocation=Toe,PropID=whatever-3.9433088 0 0 -2.36217470 0

剩下的疲劳计算将正常运行，除了一种情况，那就是因为只有一个应力分量，此时将没有足够多的点来进行临界面分析。

这个过程对于焊根单元非常类似。

附加说明

这个方法不允许计算这些只与焊接单元分享了一个单一节点的单元，例如，焊缝尾部单元。考虑到当前的这个例子，对于图27中的单元4和单元7来说，没有应力可以计算。

如果我们计算一个单元的应力，如单元5，它是焊趾的最后一个单元，那么我们可以选择在焊趾末尾是否考虑包含或者不包含该单元的作用。如果单元（像单元4）在场，并且选择True,那么这个计算将如上所述运行，处理单元4作为一个临近焊趾的单元。

如果不包括焊接终端单元，或者没有可用的单元，例如，当焊缝终部在边缘上，例如单元8，那么累加节点力的步骤，并且将它们分配到临近单元之间将被省略。在单元8的例子中，我们可以简单的表示为：

余下的过程将如上面描述的一样。

焊喉仅仅在激光焊时才用到。

基本的计算过程与焊趾和焊根单元一样，除了需要在平行于焊缝单元的两边同时运行计算以外，此时的结果应力在写入中间文件之前，将被平均到图心上。

Claims (3)

1.一种采用有限单元法计算焊缝结构疲劳的处理方法,用于在有限单元数值分析方法中处理焊接焊缝的疲劳计算方法，以提高焊缝疲劳计算的精度和焊缝连接处的建模方式，格点力和力矩的处理方法，其特征在于，所述的方法包括：

不同焊接类型的焊缝结构处理方法，包括圆角焊、叠焊、激光叠焊、激光边缘焊、固态焊接和通用焊接这几类

提出了不同类型焊接位置的格点力和力矩的计算方法和单元使用情况。

2.根据权利要求1所述的焊缝结构包括了在有限单元法中单元及节点的组成特点，建模方式和计算方法。

3.根据权利要求1所述的建模方式包括采用有限元的单元和节点构成焊缝处的焊趾，焊根，和焊喉的方法。