Fe-safe Verity焊縫疲勞分析

2017-07-05 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網

一. Verity焊縫疲勞分析的必要性

焊接連接是工業(yè)領域上非常常見的結構連接方式,在結構設計中具有非常重要的地位,因此焊接的結構強度和疲勞強度都非常重要。一般情況下,平板焊接鋼結構焊縫的屈服強度和抗拉強度都不低于其母材,但是焊縫的疲勞強度卻遠遠低于母材的疲勞強度,焊縫失效的主要形式為疲勞,所以焊縫疲勞強度分析十分必要。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,影響焊縫疲勞強度得因素很多,比如動態(tài)應力,平均應力,焊接殘余應力等。

傳統(tǒng)的焊接疲勞分析方法是通過有限元分析軟件來計算焊縫處的應力,然后根據焊接結構的不同類型定義應力壽命S-N曲線來計算焊縫的疲勞壽命。一般來說,有限元網格的大小直接影響仿真分析的結構應力結果,特別在應力集中位置(焊接位置通常有應力集中),其影響更大,因此傳統(tǒng)焊接疲勞分析方法無法準確預測焊縫處的疲勞壽命。

2006年最新版本的Fe-safe引入了一個全新的“Verity”模塊,可以很好地解決上述問題。該模塊的核心技術來源于美國著名的科技研發(fā)公司Battelle的JIP(Joint Industry Project)項目研究成果,該研究成果“Mesh-insensitive Structural Stress Method”是在通用有限元分析程序計算結果基礎上,針對板殼、實體等結構連接形式,專門開發(fā)計算等效Structural Stress的程序,使得最后的應力計算結果不具有網格敏感性,即在不同網格尺寸下都能獲得精確一致的疲勞仿真結果。

二. Verity焊縫分析介紹

Verity的等效結構應力法是一種新型焊接結構疲勞壽命預測技術, 可廣泛應用于不同工業(yè)領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、船舶、地面車輛等結構的管件及平板焊接接頭。該方法主要基于以下2項關鍵技術:

1. 考慮焊趾部位的結構應力集中效應, 應用改進線性化法或節(jié)點力法分析其結構應力(即熱點應力) , 確保計算結果對有限單元類型、網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構應力集中情形。

2. 以結構應力為控制參數計算應力強度因子, 在主要考慮焊趾缺口、結構板厚、載荷模式等因素影響的基礎上, 基于斷裂力學分析確定與疲勞壽命直接相關的應力參數, 導出等效結構應力轉化方程。

3. 將其應用于處理疲勞試驗結果數據, 構建出單一通用的疲勞設計主S —N曲線, 從而基于等效結構應力并結合該主S —N 曲線進行焊接結構的疲勞強度評定及壽命預測。
2.1 等效結構應力定義

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

(2-1)

(2-2)

圖1 焊趾非線性正應力分布及分解
2.2 基于節(jié)點力法的等效結構應力計算

節(jié)點力法結構應力的計算原理: 組成結構應力的膜正應力分量和彎曲正應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導致,而軸向線力和線力矩是由有限元方法計算得到的節(jié)點力計算得到,如圖2所示;其中軸向線力與節(jié)點力的平衡方程如下:

(2-3)

圖2 線力和線力矩與節(jié)點力的關系

由如上公式計算出焊縫處的線力和線力矩后,通過材料力學的簡單梁公式計算膜正應力和彎曲正應力:

1 厚度方向法向結構應力:

(2-4)

2 厚度方向切向結構應力:

(2-5)

2.3 結構應力的網格不敏感性

為了驗證結構應力的計算結果對有限單元類型、網格形狀及尺寸均不敏感,本文將從如下幾個不同的方面進行對比

1. 比較不同的單元尺寸:

對于如圖3所示的焊接結構模型,不同單元尺寸(分別為0.5t*0.5t,1.0t*1.0t,2.0t*2.0t)的有限元結果轉化的結構應力(Structural Stress)結果沿焊縫線基本一致,這說明結構應力(Structural Stress)對于有限元模型的單元尺寸不敏感。

圖3 三種不同網格的結構應力

對于如圖4所示的焊接結構模型,不同單元尺寸的有限元模型計算得到的應力及轉化的結構應力(Structural Stress)結果如下圖所示,這說明焊趾處的應力隨網格尺寸變化很敏感,而結構應力(Structural Stress)對于有限元模型的單元尺寸不敏感。

圖4不同網格的有限元應力及結構應力

2. 比較不同的單元類型和單元尺寸:

對于如圖5所示的焊接結構模型,不同單元尺寸和不同單元類型的有限元模型應力轉化的結構應力(Structural Stress)結果如下圖所示,這說明結構應力(Structural Stress)對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構應力

對于如圖6所示的焊接結構模型,不同單元尺寸的實體單元和殼單元的有限元模型應力轉化的結構應力(Structural Stress)結果如下圖所示,這說明結構應力(Structural Stress)對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構應力
2.4基于結構應力的△K計算

將焊趾初始裂紋考慮為板邊緣或板面半橢圓表面Ⅰ型擴展裂紋, 定義疲勞失效準則為出現穿透板厚的裂紋, 視結構應力為裂紋擴展遠端驅動力, 則根據疊加原理, 板邊緣裂紋尖端的應力強度因子范圍Δ K 為

(2-6)

其中

分別為結構應力范圍

的膜正應力范圍分量和彎曲正應力范圍分量;

和

分別為膜應力和彎曲應力單獨作用時確定的應力強度因子范圍的無量綱權函數,a和t分別裂紋擴展深度和板厚。

2.5裂紋擴展分析

通過大量試驗結果分析, 可將整個裂紋擴展劃分為2個階段: 短裂紋擴展階段( a/t ≤0.1) 和長裂紋擴展階段( a/t > 0.1) 。預測疲勞壽命應用的裂紋擴展方程為:

(2-7)

其中N為預測疲勞壽命值,

為焊趾缺口導致的應力強度因子放大系數,用于短裂紋擴展階段對

進行修正;n為短裂紋擴展階段的裂紋擴展指數,按經驗值為2;m為常規(guī)的Paris方程的裂紋擴展指數,等效結構應力法中取值為3.6;I(r)為載荷彎曲比r的無量綱函數(

),C為載荷模式的修正系數,可通過對式(9) 在不同r 下的積分結果進行曲線擬合得到

(2-8)

分析表明, 當確定出I(r)后, 式(2-7)表示與結構板厚 t 和載荷 r 相關的基于應力的疲勞壽命曲線

曲線。

(2-9)

定義能夠同時考慮結構應力集中(

)效應、結構板厚( t )尺寸效應及載荷模式( I(r) )效應而與疲勞壽命同時相關的等效參量,從而構建出單一基于等效結構應力范圍的疲勞強度ΔS —N 曲線。定義

為等效結構應力的范圍參量,通過對表達式(2-9)進行適當轉換,得到如下表達式:

(2-10)

2.6 疲勞分析主S-N曲線確定

基于以上焊趾結構應力計算及等效結構應力轉化技術, Battelle對近50多年來的上千個焊接接頭疲勞試驗結果數據進行了重新處理, 經線性回歸統(tǒng)計分析, 確定出基于等效結構應力范圍的疲勞設計主S -N曲線。如圖7所示,不同焊接方式的等效結構應力與壽命曲線的離散性最小,可以用基于等效結構應力范圍的疲勞設計主S-N曲線來計算焊接的疲勞壽命。

圖7 名義應力、結構應力與等效結構應力與壽命的曲線

基于等效結構應力范圍的疲勞設計主曲線應用的所有S -N 數據點來自不同接頭類型(管件及平板對接、十字、縱向加強筋接頭等) 、載荷模式(遠端純拉伸、純彎曲及復合狀態(tài)) 、結構板厚(從5 至100 mm) 、母材強度(普碳鋼、中高強度鋼) 等試件的試驗結果, 并囊括了約100 個全尺寸管件和平板接頭試件(部分來自支撐BS7608 標準疲勞設計曲線的數據) 。統(tǒng)計表明所有S-N 數據點以標準差表征的分散度水平約為0.25 , 較某些單一接頭細節(jié)基于名義應力表征的試驗結果分散度還小?？梢? 一方面不同接頭類型的焊趾結構應力集中差異, 在網格不敏感結構應力計算中得到了有效區(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, 則在基于斷裂力學原理的等效結構應力轉化中得到了合理考慮。故試驗數據的分散度得到了很大程度上的壓縮, 相應確定的S-N 曲線用于疲勞設計時具有較高的精度和可靠性。

通過圖8得出95.5 %存活率(即2倍標準差)和99.7%存活率(即3倍標準差)下S-N曲線方程確定為

(2-10)

(2-11)

圖8 等效結構應力與壽命的函數關系
2.7等效結構應力法與表面外推熱點應力法對比

等效結構應力法與表面外推熱點應力法具有相同的目的,即均試圖通過在應力分析中考慮焊趾結構應力集中, 以克服名義應力法在應力計算和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焊趾疲勞, 對起始于焊根、內部焊接缺陷等其他疲勞失效情形不適用。然而在分析焊趾結構疲勞時,等效結構應力法比表面外推熱點應力法具有更強的適應性。

(1) 雖然兩種方法定義的焊趾結構或熱點應力均為滿足平衡等效條件的膜正應力和彎曲正應力之和, 但按表面線性外推法(如圖9所示)確定的焊趾熱點應力值并不一定能滿足該平衡等效條件; 等效結構應力法采用的節(jié)點力法或改進線性化法焊趾結構應力計算, 則可嚴格按其定義滿足平衡等效條件。此外, 由于有限元節(jié)點力計算結果對網格的敏感性遠低于應力計算結果, 故節(jié)點力法結構應力計算可實現對網格的不敏感, 較表面外推法熱點應力計算具有明顯優(yōu)勢。

圖9 熱點應力表面線性外推法

(2) 表面外推熱點應力法直接應用熱點應力作為疲勞應力控制參量, 板厚尺寸和載荷模式效應通常按經驗修正公式考慮, 焊趾缺口效應則完全在熱點應力S -N 曲線中統(tǒng)計考慮; 等效結構應力法則基于斷裂力學原理的應力轉化技術, 應用等效結構應力作為疲勞應力控制參量, 對上述三類疲勞影響效應進行更為嚴格的理論考慮。

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

三. Verity焊縫分析實例

本文是針對某薄板焊接模型進行結構應力強度及疲勞強度分析,由于在整體殼結構分析中不考慮焊接部分,本實例將該模型進行子模型分析,將殼整體模型分析位移結果插值到實體局部模型中,進行結構應力強度計算,然后利用Fe-safe Verity進行疲勞壽命仿真計算。

(1) 焊接結構的有限元模型

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