Fe-safe Verity焊縫疲勞分析

2017-07-05  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

一. Verity焊縫疲勞分析的必要性

焊接連接是工業(yè)領(lǐng)域上非常常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)連接方式,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有非常重要的地位,因此焊接的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度都非常重要。一般情況下,平板焊接鋼結(jié)構(gòu)焊縫的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都不低于其母材,但是焊縫的疲勞強(qiáng)度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于母材的疲勞強(qiáng)度,焊縫失效的主要形式為疲勞,所以焊縫疲勞強(qiáng)度分析十分必要。焊縫的抗疲勞性能很大程度上取決于焊縫的宏觀和微觀幾何形狀,影響焊縫疲勞強(qiáng)度得因素很多,比如動(dòng)態(tài)應(yīng)力,平均應(yīng)力,焊接殘余應(yīng)力等。

傳統(tǒng)的焊接疲勞分析方法是通過(guò)有限元分析軟件來(lái)計(jì)算焊縫處的應(yīng)力,然后根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)的不同類型定義應(yīng)力壽命S-N曲線來(lái)計(jì)算焊縫的疲勞壽命。一般來(lái)說(shuō),有限元網(wǎng)格的大小直接影響仿真分析的結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果,特別在應(yīng)力集中位置(焊接位置通常有應(yīng)力集中),其影響更大,因此傳統(tǒng)焊接疲勞分析方法無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)焊縫處的疲勞壽命。

2006年最新版本的Fe-safe引入了一個(gè)全新的“Verity”模塊,可以很好地解決上述問(wèn)題。該模塊的核心技術(shù)來(lái)源于美國(guó)著名的科技研發(fā)公司Battelle的JIP(Joint Industry Project)項(xiàng)目研究成果,該研究成果“Mesh-insensitive Structural Stress Method”是在通用有限元分析程序計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上,針對(duì)板殼、實(shí)體等結(jié)構(gòu)連接形式,專門開(kāi)發(fā)計(jì)算等效Structural Stress的程序,使得最后的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果不具有網(wǎng)格敏感性,即在不同網(wǎng)格尺寸下都能獲得精確一致的疲勞仿真結(jié)果。

二. Verity焊縫分析介紹

Verity的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法是一種新型焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)技術(shù), 可廣泛應(yīng)用于不同工業(yè)領(lǐng)域的各類形式焊接承載部件的焊趾疲勞分析, 如壓力容器、管道、海上平臺(tái)、船舶、地面車輛等結(jié)構(gòu)的管件及平板焊接接頭。該方法主要基于以下2項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù):

1. 考慮焊趾部位的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中效應(yīng), 應(yīng)用改進(jìn)線性化法或節(jié)點(diǎn)力法分析其結(jié)構(gòu)應(yīng)力(即熱點(diǎn)應(yīng)力) , 確保計(jì)算結(jié)果對(duì)有限單元類型、網(wǎng)格形狀及尺寸均不敏感, 從而有效區(qū)分不同接頭類型的焊趾結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中情形。

2. 以結(jié)構(gòu)應(yīng)力為控制參數(shù)計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子, 在主要考慮焊趾缺口、結(jié)構(gòu)板厚、載荷模式等因素影響的基礎(chǔ)上, 基于斷裂力學(xué)分析確定與疲勞壽命直接相關(guān)的應(yīng)力參數(shù), 導(dǎo)出等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力轉(zhuǎn)化方程。

3. 將其應(yīng)用于處理疲勞試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù), 構(gòu)建出單一通用的疲勞設(shè)計(jì)主S —N曲線, 從而基于等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力并結(jié)合該主S —N 曲線進(jìn)行焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度評(píng)定及壽命預(yù)測(cè)。
2.1 等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力定義

在焊趾缺口附近沿板厚方向的應(yīng)力分布通常是非線性的, 焊趾部位垂直于豎向假設(shè)裂紋面的實(shí)際正應(yīng)力分布如圖1 所示。按平衡等效條件, 該實(shí)際缺口的正應(yīng)力可分解為沿板厚 t 分布的膜正應(yīng)力σm 、彎曲正應(yīng)力σb 和非線性正應(yīng)力峰值σp , 結(jié)構(gòu)應(yīng)力即定義為焊趾表面膜正應(yīng)力和彎曲正應(yīng)力之和。若已知板厚t 方向的正應(yīng)力分布函數(shù)σ(x) , 則結(jié)構(gòu)應(yīng)力σs 可通過(guò)常規(guī)的線性化法按下式確定:

圖1 焊趾非線性正應(yīng)力分布及分解
2.2 基于節(jié)點(diǎn)力法的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算

節(jié)點(diǎn)力法結(jié)構(gòu)應(yīng)力的計(jì)算原理: 組成結(jié)構(gòu)應(yīng)力的膜正應(yīng)力分量和彎曲正應(yīng)力分量分別由作用在其板厚截面上的軸向線力F和線力矩M導(dǎo)致,而軸向線力和線力矩是由有限元方法計(jì)算得到的節(jié)點(diǎn)力計(jì)算得到,如圖2所示;其中軸向線力與節(jié)點(diǎn)力的平衡方程如下:

圖2 線力和線力矩與節(jié)點(diǎn)力的關(guān)系

由如上公式計(jì)算出焊縫處的線力和線力矩后,通過(guò)材料力學(xué)的簡(jiǎn)單梁公式計(jì)算膜正應(yīng)力和彎曲正應(yīng)力:

1 厚度方向法向結(jié)構(gòu)應(yīng)力:

2 厚度方向切向結(jié)構(gòu)應(yīng)力:

2.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力的網(wǎng)格不敏感性

為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果對(duì)有限單元類型、網(wǎng)格形狀及尺寸均不敏感,本文將從如下幾個(gè)不同的方面進(jìn)行對(duì)比

1. 比較不同的單元尺寸:

對(duì)于如圖3所示的焊接結(jié)構(gòu)模型,不同單元尺寸(分別為0.5t*0.5t,1.0t*1.0t,2.0t*2.0t)的有限元結(jié)果轉(zhuǎn)化的結(jié)構(gòu)應(yīng)力(Structural Stress)結(jié)果沿焊縫線基本一致,這說(shuō)明結(jié)構(gòu)應(yīng)力(Structural Stress)對(duì)于有限元模型的單元尺寸不敏感。

圖3 三種不同網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)應(yīng)力

對(duì)于如圖4所示的焊接結(jié)構(gòu)模型,不同單元尺寸的有限元模型計(jì)算得到的應(yīng)力及轉(zhuǎn)化的結(jié)構(gòu)應(yīng)力(Structural Stress)結(jié)果如下圖所示,這說(shuō)明焊趾處的應(yīng)力隨網(wǎng)格尺寸變化很敏感,而結(jié)構(gòu)應(yīng)力(Structural Stress)對(duì)于有限元模型的單元尺寸不敏感。

圖4不同網(wǎng)格的有限元應(yīng)力及結(jié)構(gòu)應(yīng)力

2. 比較不同的單元類型和單元尺寸:

對(duì)于如圖5所示的焊接結(jié)構(gòu)模型,不同單元尺寸和不同單元類型的有限元模型應(yīng)力轉(zhuǎn)化的結(jié)構(gòu)應(yīng)力(Structural Stress)結(jié)果如下圖所示,這說(shuō)明結(jié)構(gòu)應(yīng)力(Structural Stress)對(duì)于有限元模型的單元尺寸和單元類型不敏感。

圖5 不同單元尺寸和單元類型的結(jié)構(gòu)應(yīng)力

對(duì)于如圖6所示的焊接結(jié)構(gòu)模型,不同單元尺寸的實(shí)體單元和殼單元的有限元模型應(yīng)力轉(zhuǎn)化的結(jié)構(gòu)應(yīng)力(Structural Stress)結(jié)果如下圖所示,這說(shuō)明結(jié)構(gòu)應(yīng)力(Structural Stress)對(duì)于有限元模型的單元尺寸和單元類型不敏感。

圖6 不同單元尺寸和單元類型的結(jié)構(gòu)應(yīng)力
2.4基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力的△K計(jì)算

將焊趾初始裂紋考慮為板邊緣或板面半橢圓表面Ⅰ型擴(kuò)展裂紋, 定義疲勞失效準(zhǔn)則為出現(xiàn)穿透板厚的裂紋, 視結(jié)構(gòu)應(yīng)力為裂紋擴(kuò)展遠(yuǎn)端驅(qū)動(dòng)力, 則根據(jù)疊加原理, 板邊緣裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍Δ K 為

其中

分別為膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力單獨(dú)作用時(shí)確定的應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍的無(wú)量綱權(quán)函數(shù),a和t分別裂紋擴(kuò)展深度和板厚。

2.5裂紋擴(kuò)展分析

通過(guò)大量試驗(yàn)結(jié)果分析, 可將整個(gè)裂紋擴(kuò)展劃分為2個(gè)階段: 短裂紋擴(kuò)展階段( a/t ≤0.1) 和長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展階段( a/t > 0.1) 。預(yù)測(cè)疲勞壽命應(yīng)用的裂紋擴(kuò)展方程為:

其中N為預(yù)測(cè)疲勞壽命值,

進(jìn)行修正;n為短裂紋擴(kuò)展階段的裂紋擴(kuò)展指數(shù),按經(jīng)驗(yàn)值為2;m為常規(guī)的Paris方程的裂紋擴(kuò)展指數(shù),等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法中取值為3.6;I(r)為載荷彎曲比r的無(wú)量綱函數(shù)(

),C為載荷模式的修正系數(shù),可通過(guò)對(duì)式(9) 在不同r 下的積分結(jié)果進(jìn)行曲線擬合得到

分析表明, 當(dāng)確定出I(r)后, 式(2-7)表示與結(jié)構(gòu)板厚 t 和載荷 r 相關(guān)的基于應(yīng)力的疲勞壽命曲線

定義能夠同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中(

)效應(yīng)、結(jié)構(gòu)板厚( t )尺寸效應(yīng)及載荷模式( I(r) )效應(yīng)而與疲勞壽命同時(shí)相關(guān)的等效參量,從而構(gòu)建出單一基于等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力范圍的疲勞強(qiáng)度ΔS —N 曲線。定義 為等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力的范圍參量,通過(guò)對(duì)表達(dá)式(2-9)進(jìn)行適當(dāng)轉(zhuǎn)換,得到如下表達(dá)式:

2.6 疲勞分析主S-N曲線確定

基于以上焊趾結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算及等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力轉(zhuǎn)化技術(shù), Battelle對(duì)近50多年來(lái)的上千個(gè)焊接接頭疲勞試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行了重新處理, 經(jīng)線性回歸統(tǒng)計(jì)分析, 確定出基于等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力范圍的疲勞設(shè)計(jì)主S -N曲線。如圖7所示,不同焊接方式的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力與壽命曲線的離散性最小,可以用基于等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力范圍的疲勞設(shè)計(jì)主S-N曲線來(lái)計(jì)算焊接的疲勞壽命。

圖7 名義應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力與等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力與壽命的曲線

基于等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力范圍的疲勞設(shè)計(jì)主曲線應(yīng)用的所有S -N 數(shù)據(jù)點(diǎn)來(lái)自不同接頭類型(管件及平板對(duì)接、十字、縱向加強(qiáng)筋接頭等) 、載荷模式(遠(yuǎn)端純拉伸、純彎曲及復(fù)合狀態(tài)) 、結(jié)構(gòu)板厚(從5 至100 mm) 、母材強(qiáng)度(普碳鋼、中高強(qiáng)度鋼) 等試件的試驗(yàn)結(jié)果, 并囊括了約100 個(gè)全尺寸管件和平板接頭試件(部分來(lái)自支撐BS7608 標(biāo)準(zhǔn)疲勞設(shè)計(jì)曲線的數(shù)據(jù)) 。統(tǒng)計(jì)表明所有S-N 數(shù)據(jù)點(diǎn)以標(biāo)準(zhǔn)差表征的分散度水平約為0.25 , 較某些單一接頭細(xì)節(jié)基于名義應(yīng)力表征的試驗(yàn)結(jié)果分散度還小?？梢?jiàn), 一方面不同接頭類型的焊趾結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中差異, 在網(wǎng)格不敏感結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算中得到了有效區(qū)分; 另一方面焊趾缺口、板厚尺寸及載荷模式等三類主要疲勞影響因素, 則在基于斷裂力學(xué)原理的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力轉(zhuǎn)化中得到了合理考慮。故試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分散度得到了很大程度上的壓縮, 相應(yīng)確定的S-N 曲線用于疲勞設(shè)計(jì)時(shí)具有較高的精度和可靠性。

通過(guò)圖8得出95.5 %存活率(即2倍標(biāo)準(zhǔn)差)和99.7%存活率(即3倍標(biāo)準(zhǔn)差)下S-N曲線方程確定為

圖8 等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力與壽命的函數(shù)關(guān)系
2.7等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法與表面外推熱點(diǎn)應(yīng)力法對(duì)比

等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法與表面外推熱點(diǎn)應(yīng)力法具有相同的目的,即均試圖通過(guò)在應(yīng)力分析中考慮焊趾結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中, 以克服名義應(yīng)力法在應(yīng)力計(jì)算和S-N 曲線確定上面臨的諸多困難。此外兩種方法都主要針對(duì)焊趾疲勞, 對(duì)起始于焊根、內(nèi)部焊接缺陷等其他疲勞失效情形不適用。然而在分析焊趾結(jié)構(gòu)疲勞時(shí),等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法比表面外推熱點(diǎn)應(yīng)力法具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。

(1) 雖然兩種方法定義的焊趾結(jié)構(gòu)或熱點(diǎn)應(yīng)力均為滿足平衡等效條件的膜正應(yīng)力和彎曲正應(yīng)力之和, 但按表面線性外推法(如圖9所示)確定的焊趾熱點(diǎn)應(yīng)力值并不一定能滿足該平衡等效條件; 等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法采用的節(jié)點(diǎn)力法或改進(jìn)線性化法焊趾結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算, 則可嚴(yán)格按其定義滿足平衡等效條件。此外, 由于有限元節(jié)點(diǎn)力計(jì)算結(jié)果對(duì)網(wǎng)格的敏感性遠(yuǎn)低于應(yīng)力計(jì)算結(jié)果, 故節(jié)點(diǎn)力法結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算可實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)格的不敏感, 較表面外推法熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算具有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖9 熱點(diǎn)應(yīng)力表面線性外推法

(2) 表面外推熱點(diǎn)應(yīng)力法直接應(yīng)用熱點(diǎn)應(yīng)力作為疲勞應(yīng)力控制參量, 板厚尺寸和載荷模式效應(yīng)通常按經(jīng)驗(yàn)修正公式考慮, 焊趾缺口效應(yīng)則完全在熱點(diǎn)應(yīng)力S -N 曲線中統(tǒng)計(jì)考慮; 等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法則基于斷裂力學(xué)原理的應(yīng)力轉(zhuǎn)化技術(shù), 應(yīng)用等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力作為疲勞應(yīng)力控制參量, 對(duì)上述三類疲勞影響效應(yīng)進(jìn)行更為嚴(yán)格的理論考慮。

(3) 由于受外推技術(shù)本身所限, 平板件和管件接頭的熱點(diǎn)應(yīng)力通常不能共用相同的外推方法。且對(duì)于焊趾結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中程度較低及影響范圍較小的接頭形式, 如簡(jiǎn)單對(duì)接、十字或丁字接頭等, 外推熱點(diǎn)應(yīng)力值常與名義應(yīng)力值相同, 即焊趾結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中效應(yīng)不能確保得到有效捕捉, 故對(duì)這些接頭不能應(yīng)用該方法進(jìn)行強(qiáng)度分析; 等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法則不受上述限制, 其可完全通用于對(duì)所有類型形式的管件及平板件焊接結(jié)構(gòu)的疲勞分析。

三. Verity焊縫分析實(shí)例

本文是針對(duì)某薄板焊接模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度分析,由于在整體殼結(jié)構(gòu)分析中不考慮焊接部分,本實(shí)例將該模型進(jìn)行子模型分析,將殼整體模型分析位移結(jié)果插值到實(shí)體局部模型中,進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算,然后利用Fe-safe Verity進(jìn)行疲勞壽命仿真計(jì)算。

(1) 焊接結(jié)構(gòu)的有限元模型

如圖10所示的焊接結(jié)構(gòu),材料屬性為E=210Gpa,v=0.3,分別在三個(gè)表面施加位移約束,位移約束值是由殼整體模型計(jì)算傳遞得到。

圖10 焊接實(shí)體有限元模型

(2) 計(jì)算有限元應(yīng)力

通過(guò)求解計(jì)算得到有限元位移云圖和應(yīng)力云圖如下圖所示,最大位移為0.218mm;最大應(yīng)力為216Mpa,出現(xiàn)在上板的焊縫處。

圖11實(shí)體子模型的位移云圖

圖12 實(shí)體子模型的應(yīng)力云圖

(3) 將有限元結(jié)果文件導(dǎo)入Fe-safe,定義焊接基本信息

該實(shí)體子模型有四條焊縫,本文將用Verity對(duì)左邊的兩條焊縫進(jìn)行疲勞分析,用常規(guī)分析方法對(duì)右邊的兩條焊縫進(jìn)行疲勞分析。定義焊接基本信息是Verity焊接分析最關(guān)鍵步驟,可以用焊接定義文件來(lái)導(dǎo)入焊縫相關(guān)信息,焊接定義文件內(nèi)容如下(長(zhǎng)度單位:m),焊接定義文件見(jiàn)solid.def

a. 定義焊接區(qū)域單元,兩條焊縫用如下命令如下,定義用于計(jì)算焊接處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力的焊縫單元如下圖13所示:

Weld Domain solid_WD_Z_pos

Elm,7773-12588 by 9

Weld Domain solid_WD_X_pos

Elm,17421-22209 by 36, 17422-22210 by 36, 17423-22211 by 36, 17424-22212 by 36

圖13焊接單元

b. 定義焊接區(qū)域單元類型,參考法線,裂紋長(zhǎng)度,板厚度和焊縫節(jié)點(diǎn),焊縫單元及焊縫起始節(jié)點(diǎn)單元等的命令如下,

Solid:定義單元類型為實(shí)體。

Reference Normal X 1.0 Y 0.0 Z 0.0:定義焊趾表面的法向,焊線節(jié)點(diǎn)在焊趾表面上;法向指向焊趾表面的外法向,遠(yuǎn)離厚度方向。

Crack Length 0.025:

Plate Thickness 0.01:指定的板厚度沿焊線方向是常數(shù),用于計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

Weld Line solid_WN_Z_pos:定義焊縫線上的節(jié)點(diǎn)。

Node 5331,6635,9182-9314

Domain solid_WD_Z_pos:定義焊縫單元

Start Node 5331 Elm 12561:定義焊縫的起始節(jié)點(diǎn)和單元

C Define related information of weld Z Pos

Define Weld solid_weld_Z_pos

Solids

Reference Normal X 1.0 Y 0.0 Z 0.0

Crack Length 0.01

Reference Length 0.025

Plate Thickness 0.01

Weld Line solid_WN_Z_pos

Node 5331,6635,9182-9314

Domain solid_WD_Z_pos

Start Node 5331 Elm 12561

C End of plates weld Z Pos definition

(4) 計(jì)算求解結(jié)構(gòu)應(yīng)力,結(jié)構(gòu)應(yīng)力文件見(jiàn)文件Verity-ss.txt

(5) 定義材料類型和算法

計(jì)算求解結(jié)構(gòu)應(yīng)力后,會(huì)自動(dòng)生成以Verity為名的group,定義其材料為Steel Weld(50%),算法為Verity:-None;其它非焊接單元的算法為Weld,材料為Welding F2,Design criteria為0。計(jì)算疲勞壽命后壽命云圖如圖14。

圖14 焊縫處疲勞壽命

四條焊縫處的疲勞壽命如下圖所示,其中左邊兩條是使用Verity計(jì)算得到,右邊兩條采用BS5400 F2類型計(jì)算得到。

圖15 四條焊縫處疲勞壽命

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