用于有限元分析的焊缝建模
你多久面对一次对焊接部件进行有限元分析的任务？你是否想知道如何在分析中正确建模焊接？本文旨在解释我们在阿波罗工程设计小组使用热点方法对焊缝应力进行建模和预测的方法。然后，我们将探讨几种不同的选项，您可以选择这些选项来模拟焊接，并与使用热点方法获得的结果进行比较。
角焊缝术语综述
条款:
脚趾–母材和焊接材料相遇的焊缝外缘。
根–焊接材料和母材相遇的焊接面对面的点。
腿–从母体材料的一个面到另一个脚趾的距离
材料厚度–热点方法的一个重要参数(稍后讨论)。
预测焊接应力几乎不可能
在研究角焊缝有限元分析之前，了解一些关于焊缝应力的知识是很重要的。首先，焊缝中的应力几乎不可能高精度预测。图纸、有限元模型和其他分析中规定的理论焊缝尺寸很少成为现实。焊接主要是一个手工过程，容易在许多层面出错，包括母材的化学成分、焊接尺寸和形状，以及每个焊工的独特方法和设置。没有两个焊缝是完全相同的，一个物理焊缝很少与工程师或设计者的理论模型完全匹配。因此，符合通用行业标准(如美国焊接学会和AISC)的焊接接头在疲劳情况下通常具有较低的容许应力。
与理论模型的偏差:
基材–这包括化学成分的变化、表面缺陷、局部腐蚀等。
热影响区–焊缝和基础材料以不同的水平和速率加热和冷却，导致沿接缝长度方向硬度和强度的变化。
显微裂纹–焊接过程中可能会形成小裂纹。
翘曲–通过焊接接头附近的受影响区域加热然后冷却会导致基材变形。
残余应力–由于冷却速度，热诱导应力可能会保留在接头内部和周围。
奇点的问题
除了认识到与使用有限元分析模型预测焊接应力相关的缺陷，理解解释相同应力的复杂性也同样重要。一般来说，有限元分析模型中的焊缝表示会产生尖角，导致不连续和/或几何形状不收敛。这些不连续性通常会在附近的节点上引起奇点。
奇点是网格中应力不收敛到特定值的点。随着网格的细化，此时的应力增加，没有明显的限制。理论上，奇点处的应力是无限的。有限元分析人员必须识别模型中的这些奇异点，并正确解释它们。
下图展示了焊接丁字接头模型中的奇异性:
板材厚度–1/4英寸
焊接表示–倒角
边界条件–固定在基板边缘
装货–[50，50，50] lbf应用于顶部边缘
初始模拟:
初步模拟显示最大应力为4474.6 ps我。
第一次细化:
细化网格并重新运行模拟显示最大应力为5515磅/平方英寸。
第二次精炼:
第二种改进将最大应力增加到7313.7磅/平方英寸。
第三次细化:
最后的细化显示最大应力又增加到8783.1psi。
热点方法
如前所述，由于有限元分析焊缝模型中存在奇异性，一种称为热点方法的方法被用作预测模型焊缝根部应力的可靠方法。热点方法的理论被很好地记录和测试。参见使用有限元分析的电镀结构疲劳设计。
简而言之，从热点方法得到的应力是焊缝根部应力的线性插值。通常，焊缝作为倒角包含在有限元分析模型中。在以下示例中，我们将使用倒角圆角来表示焊缝并识别焊趾。
进行两次应力测量，每次都偏离焊趾(如图所示)。洛特伯格建议在距离最近的焊趾(T =板厚)2和3T/2的距离处进行两次测量。
从上述有限元模型中获取两个测量值，我们使用以下计算来求解插值热点应力。如下所示，计算的热点应力为4881.7磅/平方英寸将被用作“基线应力”，以下有限元分析模型结果将与之进行比较。
不使用热点方法模拟焊缝的其他方法
我们使用5种不同的有限元模型进行了测试，每种模型使用相同的网格尺寸和类型(六角元素为0.05)进行细化，并且每种模型在上述热点有限元模型中执行相同的加载条件。我们对每个模型进行了应力测量，测量的位置是焊缝根部(如果建模的话)，然后将结果与我们使用热点方法(如上所示)建立的基线进行比较。
模拟1
(单体。没有焊接。)
模拟2
(没有模型焊接。单一粘合触点。)
模拟3
(单体。建模为倒角的焊缝。)
模拟4
(单体。建模为圆角的焊缝。)
模拟5
(多体。建模为三角形拉伸的焊缝。焊缝和板材之间的粘结接触。板间无摩擦接触。)
结论
比较这个理想化测试的结果，我们发现最准确的读数来自模拟5，应力读数偏差为3.7%。下一个最接近的读数是模拟4，然后是模拟3。模拟1和2的偏差最大，顺便提一下，是唯一不代表实体焊缝的模型。很难说哪种方法产生最佳结果，以及如何将上述结果应用于更复杂的有限元分析模型。网格类型、元素大小和奇点的存在都会影响最终结果。然而，在上述研究中，模拟5产生了最好的结果。
有一点确实很突出:如果分析师决定不使用热点方法来分析有限元分析焊接应力结果，那么包含模型焊接比完全不包含焊接更准确。在复杂的焊接件中，这通常被证明是不切实际的。因此，了解简化有限元模型的潜在误差是关键。
