议程
HyperLife疲劳分析功能介绍
HyperLife薄板焊缝（VOLVO）疲劳方法及案例
HyperLifeWCD模块基于规范/标准的厚板焊缝疲劳
HyperLife焊点疲劳方法及案例
Hyperlife疲劳分析
● 求解器中立
支持OptiStruct,Nastran, Abaqus,Ansys，LSdyna...
● 易学易用
● 工业验证
同行业专家合作开发，经过行业验证
● 行业规范
(Including:FKM,Eurocode,DVS)
HYPERLIFE疲劳分析
● 高周疲劳
● 低周疲劳
● 无限寿命疲劳
● 焊点疲劳
● 焊缝疲劳
● 振动疲劳
基于规范的焊缝疲劳分析模块
HYPERLIFE WELD CERTIFICATION
焊缝疲劳误区
焊缝疲劳的主要问题：
● 母材的SN曲线不适用于焊缝，焊缝具有独立SN曲线，母材屈服强度不影响焊缝SN曲线
● 焊接结构残余应力对焊缝疲劳的影响很小
● 焊缝局部区域不连续导致的应力集中
焊缝疲劳分析方法
焊缝结合处由于异材结合、几何突变，存在应力集中，焊接热导致了焊缝附近材料性能变化，想要准确的模拟焊缝位置处的应力非常困难。考虑到这些因素，HyperLife焊缝疲劳的评估方法分为两种：
1）HyperLife WCD模块名义应力法。焊缝位置附近存在应力集中，但是该应力集中会存在于很小区域内，通过设定一个临界尺寸，避开应力集中区域，选取不敏感区域应力评估焊缝疲劳。代表方法有Eurocode 3, BS 7608, DVS1612等。
2）HyperLife VOLVO结构应力法。在有限元分析中，焊缝位置的应力会随网格尺寸发生大的变化，通常不直接采用有限元分析的焊缝位置应力进行疲劳评估。力相对于单元网格尺寸不太敏感，通过单元力考虑板的厚度得到结构应力，采用结构应力来评估焊缝疲劳，结果会更稳定。该方法主要适用于薄板结构。
薄板焊缝疲劳分析
Volvo法焊缝疲劳
● 基于M Fermer, M Andreasson和B Frodin在论文《Fatigue Life Prediction of MAG-Welded Thin-Sheet Structures 》中的研究
● 焊缝疲劳采用热点应力法，适用于薄板焊接(1mm –3mm).
● 根据焊接线上网格点的平均力计算热点应力
● 该方法一般需要两条SN曲线，一条为纯弯SN曲线，一条为薄膜应力状态下SN曲线
● 采用CQUAD4单元模拟焊缝
-焊缝的焊根为离焊缝CQUAD4内法线方向的最远的节点或点。
-焊缝的焊趾为焊缝CQUAD4与其相邻单元之间的节点。
Volvo法焊缝疲劳评估方法
单元1、2、3为寿命评估位置，以评估单元2的损伤为例
单元1、2、3为焊趾单元，QLR为焊线。对于焊趾单元2，在焊线QR的中点位置L创建局部坐标，其中x在单元2平面内垂直于QR，z向沿单元法向，由z向及x向采用右手准则创建y向。
1.提取单元1、2、3焊线上节点力及力矩（焊趾单元对节点的）
2.将节点力和弯矩通过长度权重分配到相邻单元
3.由节点力计算R点、Q点线载荷值（根据力和力矩的平衡公式建立）
4.由R、Q点线载荷值计算中点位置线载荷值
5.将𝑓2、𝑚2沿步骤1中的局部坐标系分解，得到𝑓2𝑋、𝑚2𝑌，通过分解的力计算壳单元上下表面的结构应力𝜎𝑇𝑂𝑃、𝜎𝐵𝑂𝑇𝑇𝑂𝑀
6.计算弯曲率
7.计算内插因子IF
8.根据内插因子IF修正SN曲线
9.根据应力幅查SN曲线，得每个循环的疲劳寿命，累计所有疲劳损伤得整个载荷历史的疲劳寿命
Volvo法焊缝疲劳影响因素
厚度修正
● 实际应用中被连接板件厚度不同于S-N实验中的板件厚度，需要对厚度进行修正
● 增加应力导致疲劳寿命降低，产生保守设计
平均应力修正(FKM)
应力敏感性系数可在Fatigue Module 对话框的FKMMSS字段设置
Volvo法焊缝建模要求(For HyperLife)
1、焊缝尽量用CQUAD4模拟，转角处可以用CTRIA3模拟
2、焊缝可以用1排或2排单元模拟，对于两边焊的焊缝，也可用3排单元模拟
3、焊缝单元的厚度为焊喉的有效厚度
4、焊缝单元的尺寸尽量规则，虽然该方法对网格不是很敏感
5、焊缝单元可通过SET/PART引用，HyperLife也可方便的创建SET
6、焊缝单元的法向应朝外，即指向焊趾的方向，而不是指向焊根的方向。焊缝单元的法向非常重要，法向常用来判断焊趾。
Volvo法角焊缝建模方式
HyperLife支持两种形式的焊缝分析，一种为角焊缝(FILLET)，一种为搭接焊缝(OVERLAP)。
单边单排网格
单边焊当焊深不超过母板厚度的一半时，采用单边单排网格，焊脚尺寸L=T1+T2。焊缝单元的厚度为焊喉的有效厚度，一般取为0.7L。
单边双排网格
单边焊当熔深超过母板厚度的一半时，采用单边双排网格建立焊缝单元，焊脚尺寸L=T1+T2，焊缝单元厚度取0.35L。
双边双排网格
角焊缝为双边焊，且左右两边没有完全焊透时，采用双边双排网格，焊脚尺寸L=T1+T2，焊缝单元厚度取0.7L。
双边三排网格
角焊缝为双边焊，且左右两边完全焊透时，采用双边三排网格。
Volvo法搭接焊建模
搭接焊按熔深可分为以下三种建模形式:
1）双排网格，如图a。当熔深较深时，采用双排单元建模，焊缝单元法向指向焊趾，焊脚尺寸L=T1+T2，焊缝单元厚度为0.27L。
2）单排网格，如图b、c。当熔深较浅时，采用单排单元建模，可垂直于母板的单元建模，也可用斜搭单元。焊接单元厚度为较小板厚的两倍，但不小于3mm。如果是激光焊，则焊接单元的厚度为上板厚度的0.7倍。
3）板中激光搭接焊，采用垂直于母板的单排单元，如图d。该类焊接适用于厚度大于1mm的薄板结构，焊缝单元的厚度为被连接母板的最小厚度的90%，且其厚度不小于1mm。
Volvo法焊缝疲劳评估位置
● 角焊的焊缝评估位置为焊趾及焊根，不同建模方式评估位置：
● 搭接焊的评估位置为焊趾及焊根，不同建模方式的评估位置：
● 激光板中搭接焊的评估位置为焊根及焊喉，评估位置：
● 激光边缘搭接焊评估位置为焊趾、焊根及焊喉，评估位置：
基于规范的厚板焊缝疲劳分析模块
HYPERLIFE WELD CERTIFICATION
HyperLife焊缝疲劳:WCD
● 集成了DVS1612、DVS1608、FKM、Eurocode3
● 自动识别焊缝
● 根据焊缝几何拓扑结构识别焊缝类型
● 广泛应用于机械、重工
WCD焊缝评价标准
Eurocode 3
欧洲钢结构设计规范Eurocode 3 主要规定是依赖于一套S/N曲线束，它们是同等间距的，并依赖于一套被分类的结构详图。可以进行焊缝和母材区域的校核。SN曲线中已经包含残余应力的影响。
DVS 1612 、DVS 1608规范
DVS1612规程是《铁路车辆结构焊接接头设计和疲劳强度评估》，DVS1608则对应铝合金材料。DVS 1612 中给出了可允许的最大主应力和剪切应力相对于应力比率R的表。准则中给出了S355 和S235 两种材料的MKJ 图。MKJ图允许的疲劳强度值包括安全因数1.5，因此大约对应于存活概率99.5%，2×106次循环的疲劳强度值。
FKM标准
德国机械标准协会FKM标准用于评估钢和铝材料的焊接和非焊接构件的疲劳问题。FKM使用的是载荷循环过程中的最大应力幅，并考虑平均应力及残余应力的影响；FKM设计方法将应力分解为沿焊缝方向的正应力，垂直于焊缝方向的正应力及沿焊缝方向的剪应力，利用三向应力分别进行评估，最后计算接头的综合材料利用率。
对于复合应力状态，一个等价利用度(equivalent utilization degree) aV必须被使用:
WCD建模方式
支持壳单元、实体单元建模
实体单元结构上的焊缝检测，自动在实体单元表面进行应力恢复
WCD主要的焊缝类型
● T、B、X、L、O、M
通用工作流程架构
HyperLife焊缝疲劳:WCD
支持准则
焊缝评估
母材评估
WCD评估间距
● T、L形焊接评估位置
- EP = 0.5T + WW + ED
● B、O形焊接评估位置
- EP = WW + ED
WCD评估位置及评估应力提取
● 在焊缝位置所在单元的边上选取中间位置，下图点1
● 将点1沿焊缝局部坐标移动评估间距长度，下图点2
● 选择离点2最近的节点，点3
● 在节点3上提取应力张量
● 将应力张量沿焊缝局部坐标合成沿焊缝长度正应力、垂直焊缝长度方向正应力、剪应力。
WCD许用应力、疲劳极限
● 根据材料类型、焊缝类型、缺口类型、应力类型查规范得到许用应力、疲劳极限
● 比较有限元应力分析结果及许用应力、疲劳极限，不超过许用应力、疲劳极限，则焊缝安全、否则不安全。
WCD焊缝疲劳评估
● 评估应力
- 推荐采用角点应力
- 如果没有角点应力，可采用单元应力
● DVS1612
- Notch class : 缺口类型
- Thickness influence factor (TI): 厚度影响系数，默认与焊缝类型和位置有关
- Thickness flag (TF) ：厚度位置标识
- Effective Weld Thickness(Ar)
- Intermittent Factor(z) ：中间影响系数，描述焊缝的连续性，1≥z≥ 0
- Weld Eccentricity (e)：焊缝的横截面偏心。e> 0 应力增加。e< 0 应力减小。
Fatigue strength (cutoff) = Material yield / Cutoff value
● DVS1612评估应力
WCD疲劳极限–DVS1612
● 根据缺口类型及应力比查找许用疲劳极限
WCD焊缝疲劳分析结果
● 评估应力
- DVS为最大值，FKM为应力幅值
焊点疲劳
焊点疲劳
● 采用Rupp 结构应力方法评估焊点疲劳
● 提供默认的Rupp方法材料曲线
● 考虑母材因径向拉应力失效
● 考虑焊核因弯曲和剪切应力失效
● 当前只支持应力寿命(SN)焊点疲劳分析
● 焊点疲劳只适用于两层壳之间的焊点，焊点的长度为两块板的厚度和的一半
● 焊点由三个属性定义-板件1、板件2和焊核。板件用壳单元定义，焊核可采用梁单元和六面体单元建模，例如OptiStruct中的CWELD、CBAR、CBEAM或CHEXA+RBE3.
● 焊核可以直接连接到壳单元，也可以使用RBE 2/RBE3单元将焊核连接到壳单元
焊点疲劳: 应力恢复
● 根据每个焊点单元上的力和力矩来计算结构应力
● 采用RUPP 方法
焊点疲劳分析流程
考虑焊点疲劳的两个应力因素:
● 母材因径向拉应力失效
● 焊核因弯曲和剪切应力失效
破坏应力计算
● 板件连接处破坏
- 沿周向每隔某个角度（默认180，可自定义）计算径向应力
● 焊核处破坏
- 沿周向每隔某个角度（默认180，可自定义）计算正应力及剪应力
焊点疲劳影响因素
● 厚度修正
- 焊缝的SN曲线是在指定厚度下得到的曲线
- 疲劳分析对象是任意厚度
- 需根据分析对象厚度修正应力
TREF_N、TREF为材料参数。
● 平均应力修正
疲劳评估位置指定
焊点分析结果
