CN104951619A - 虚拟贴片法计算焊接结构结构应力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用虚拟贴片计算焊接结构结构应力的方法，具有如下步骤：S100.根据给定的边界条件，创建有限元模型；在所述有限元模型中定义焊缝和焊趾；S200.确定焊趾附近的线性应力分布区域，在该区域设置虚拟应变片；S300.根据虚拟应变片在有限元单元中的位置，确定虚拟应变片位置的方向应力。由于采用了上述技术方案，本发明提供的虚拟贴片法计算焊接结构结构应力的方法，相对于现有技术中采用间接法计算结构应力适应性更高，不比事先与某个有限元节点力输出文件绑定；如果在创建有限元网格时，将有限元节点与贴片对应，算法效率将成倍提高。

Description

虚拟贴片法计算焊接结构结构应力的方法

技术领域

本发明涉及一种通过在焊接结构区域设置虚拟贴片的方法，计算焊接结构结构应力的方法。涉及专利分类号G01测量；测试G01L测量力、应力、转矩、功、机械功率、机械效率或流体压力G01L1/00力或应力的一般计量。

背景技术

在美国ASME(2007)标准中，计算疲劳寿命的公式里用到了结构应力这样一个参数，且在这个标准中结构应力是用以下方法获得的：

1.在结构的有限元模型中，提取节点力；

2.用节点力计算结构应力；

然后，再用结构应力计算焊缝上的疲劳寿命。

董平沙教授的专著《THE MASTER S-N CURVE METHOD ANIMPLEMENTATIONFOR FATIGUE EVALUATION OF WELDEDCOMPONENTS IN THE ASME B&PV CODE,SECTION VIII,DIVISION 2ANDAPI 579-1/ASME FFS-1》(2011年，美国)中，对网格不敏感计算结构应力的数值方法进行了详细讨论，结构应力定义的物理意义也在考虑平衡条件的基础上，用基本的材料力学理论进行了讨论，然后很自然地提出的问题就是，这样的结构应力是否可以用实验的手段进行测量。

图1和2所示，结构应力定义中的膜力和弯曲分量可以通过同时在上表面和下表面使用一系列应变片进行计算，

例如A-A截面处的结构应力，如果两排应变片(B-B和C-C)被置于焊趾附近为线性应力分布区域，则截面B-B和C-C处的弯曲应力可以基于上下表面的测量结果计算得到(1式)。

${\mathrm{\σ}}_b^B=\frac{1}{2}({\mathrm{\σ}}_{Top}^B-{\mathrm{\σ}}_{Bottom}^B)$

${\mathrm{\σ}}_b^C=\frac{1}{2}({\mathrm{\σ}}_{Top}^C-{\mathrm{\σ}}_{Bottom}^C)---\left(1\right)$

需要注意的是，如果截面B-B和C-C之间没有外荷载存在，则截面弯矩的变化可以表示为：

$\mathrm{\Δ}M=\frac{I}{t/2}({\mathrm{\σ}}_b^C-{\mathrm{\σ}}_b^B)---\left(2\right)$

这里I表示Z方向单位长度的截面惯性矩。然后，焊缝(A-A)处的结构应力可以根据相应于B-B和C-C处的弯曲应力使用外推方法进行计算(2式)。

${\mathrm{\σ}}_b={\mathrm{\σ}}_b^B+\frac{L}{l}({\mathrm{\σ}}_b^C-{\mathrm{\σ}}_b^B)$

${\mathrm{\σ}}_s={\mathrm{\σ}}_{Top}^B+\frac{L}{l}({\mathrm{\σ}}_b^C-{\mathrm{\σ}}_b^B)---\left(3\right)$

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制的一种应用虚拟贴片计算焊接结构结构应力的方法，具有如下步骤：

S100.根据给定的边界条件，创建焊接结构的有限元模型，在该模型中定义包括焊肉的有限元网格；

S200.确定焊趾附近的线性应力分布区域，在该区域设置虚拟应变片；

S300.根据虚拟应变片在有限元单元中的位置，通过插值的方法确定虚拟应变片位置的方向应力；对于两组虚拟应变片，接近焊趾区域的B截面位置和远离焊趾的C截面位置，将方向应力带入公式：

$\mathrm{\σ}=\frac{1}{2}({\mathrm{\σ}}_{Top}-{\mathrm{\σ}}_{Bottom})---\left(1\right)$

求得两组应变区域位置处的弯曲应力，σ_Top为应变片设置区域上表面的弯曲应力，σ_Bottom为应变片设置区域下表面的弯曲应力；将BC截面的弯曲应力带入公式(3)，得到结构应力σ_s；

${\mathrm{\σ}}_b={\mathrm{\σ}}_b^B+\frac{L}{l}({\mathrm{\σ}}_b^C-{\mathrm{\σ}}_b^B)$

${\mathrm{\σ}}_s={\mathrm{\σ}}_{Top}^B+\frac{L}{l}({\mathrm{\σ}}_b^C-{\mathrm{\σ}}_b^B)---\left(3\right)$

式中，σ_s代表结构应力,.σ_b代表弯曲应力,是B截面的上表面方向应力,l是C面到B面的距离是C面的弯曲应力。

所述步骤S300具体包括如下步骤：

S310.判定虚拟应变片位于有限元单元中的具体位置，该具体位置包括位于：有限元单元内部、有限元单元边界上或有限元单元节点上；

S320.虚拟应变片位于有限元单元内部时，提取该有限元单元各节点垂直于焊缝方向的应力；通过二次平均法计算所述虚拟应变片位置的方向应力；

S330.虚拟应变片位于有限元单元边界上时，提取该有限元单元边界上两节点的应力；通过一次平均法计算所述虚拟应变片位置的方向应力；

S340.虚拟应变片位于有限元单元节点上时，提取该有限元单元节点垂直于焊缝方向的应力，作为虚拟应变片的方向应力。

所述步骤S320中二次平均法具体包括如下步骤：

S321.定义经过虚拟贴片位置k、且垂直于焊缝的向量分别与有限元单元的两边交于k1和k2，虚拟贴片将该向量在有限元单元内线段分为e和f两段；

S322.通过公式，

${\mathrm{\σ}}_{k1}=\frac{{\mathrm{b\σ}}_{n1}+{\mathrm{a\σ}}_{n4}}{a+b}---\left(4\right)$

${\mathrm{\σ}}_{k2}=\frac{{\mathrm{d\σ}}_{n2}+{\mathrm{c\σ}}_{n3}}{c+d}---\left(5\right)$

计算k1和k2的应力插值；式中n1、n2、n3和n4分别为有限元单元的四个节点；

S323.通过公式，

${\mathrm{\σ}}_k=\frac{{\mathrm{f\σ}}_{k1}+{\mathrm{e\σ}}_{k2}}{e+f}---\left(6\right)$

计算得出k点，即虚拟应变片位置的方向应力。

当有限元单元为三角形单元时，所述的n1和n2节点重合；通过公式

${\mathrm{\σ}}_{k1}=\frac{{\mathrm{b\σ}}_{n1}+{\mathrm{a\σ}}_{n3}}{a+b}---\left(7\right)$

${\mathrm{\σ}}_{k2}=\frac{{\mathrm{d\σ}}_{n1}+{\mathrm{c\σ}}_{n2}}{c+d}---\left(8\right)$

计算k1和k2位置的应力插值。

所述步骤S330中一次平均法具体包括如下步骤：

S331.定义经过虚拟贴片位置、且垂直于焊缝的向量分别与有限元单元的边交于k点；所述边的两端点分别为n1和n4；

S332.通过公式，

${\mathrm{\σ}}_k=\frac{{\mathrm{b\σ}}_{n1}+{\mathrm{a\σ}}_{n4}}{a+b}---\left(9\right)$

计算虚拟应变片位置k的应力插值，为虚拟应变片的方向应力。

通过查看有限元软件的应力分布云图或节点弯矩计算结果看是否满足如下公式

$\mathrm{\Δ}M=\frac{I}{t/2}({\mathrm{\σ}}_b^C-{\mathrm{\σ}}_b^B)---\left(2\right)$

其中t为板厚度，如果满足就是线性应力分布。

最接近焊缝的虚拟贴片与焊趾之间的距离不超过板厚的3-5倍。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的虚拟贴片法计算焊接结构结构应力的方法，相对于现有技术中采用间接法计算结构应力适应性更高，不比事先与某个有限元节点力输出文件绑定；如果在创建有限元网格时，将有限元节点与贴片对应，算法效率将成倍提高。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为结构应力测量时应变片的基本布置示意图；

图2为结构应力测量时提高测量精度的应变片布置示意图；

图3为实施例中虚拟应变片位置落在某有限元单元四边形面内部的示意图；

图4为实施例中虚拟应变片位置落在某有限元单元三角形面内部的示意图；

图5为实施例中虚拟应变片位置落在某有限元单元边上的示意图；

图6为壳单元焊缝模型及虚拟贴片位置示意图；

图7为实体单元焊缝模型及虚拟贴片位置示意图；

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图3-5所示，虚拟贴片法计算焊接结构应力的方法，包括如下步骤：

首先，给定边界条件(含外载荷)后创建有限元模型，且不管是用薄壳单元离散，还是用块体元离散，都可以；

在有限元模型中定义焊缝；

与图1中物理应变片的位置对应，确定为虚拟应变片的位置；如果是用块体元离散，改为需要被确定的是上表面的虚拟贴片位置和下表面的虚拟贴片位置，如果是薄壳单元，就只需要确定一个点的位置，这一个位置即包含上下表面的应力信息。

计算虚拟应变片位置处的方向应力时，如果虚拟应变片的位置与有限元网格中的节点不重合，按照以下插值步骤计算：

考虑到非规则形状的焊接结构，无法表示成规则有限元单元，即难以形成规则的网格。

(1)无论是薄壳单元还是实体单元离散模型，由于实验贴片只能贴在被测对象的表面，因此首先判断虚拟应变片位置是落在有限元模性中哪个单元的哪个表面内，假设落在如图3某单元的A面(以四节点四边形为例)内部，然后提取A单元各节点(n1、n2、n3、n4)垂直于焊缝方向Y的应力(σ_n1、σ_n2、σ_n3、σ_n4)，关于Y方向的应力，在通常的有限元分析软件中只需要经过标准的坐标变换即可，根据二次平均法来计算虚拟应变片位置的方向应力。

经过虚拟应变片位置k的垂直于焊线的方向矢量y与某单元A面边交于k1和k2两点，a和b分别为k1到n1和n4节点之间的距离，c和d分别为k1到n1和n4节点之间的距离，e和f分别为虚拟应变片位置k到k1和k2节点之间的距离，那么首先分别求k1和k2两点的应力插值。

虚拟应变片的位置分布,一般是两组贴片,其中一组是距离焊缝焊趾线2-3个板厚距离的一个截面内(该截面与上下表面的相交为两条曲线,虚拟贴片必然在这两条线上分布),另外一组是距离焊缝焊趾线3-4个板厚距离(虽然3-4个厚度是个范围，但计算前必须定一个固定尺寸如：3.5个厚度位置)的一个截面内(该截面与上下表面的相交为两条曲线,虚拟贴片必然在这两条线上分布).

${\mathrm{\σ}}_{k1}=\frac{{\mathrm{b\σ}}_{n1}+{\mathrm{a\σ}}_{n4}}{a+b}---\left(4\right)$

${\mathrm{\σ}}_{k2}=\frac{{\mathrm{d\σ}}_{n2}+{\mathrm{c\σ}}_{n3}}{c+d}---\left(5\right)$

然后利用k和k点的垂直于焊线方向的应力进两点插值从而获得虚拟应变片位置的方向应力。

${\mathrm{\σ}}_k=\frac{{\mathrm{f\σ}}_{k1}+{\mathrm{e\σ}}_{k2}}{e+f}---\left(6\right)$

(2)如果落在如图4某单元的A面(三角形)内部，则原来的插值方法不变，只是四节点退化为三节点(即n1和n4重合)，然后提单元取A面各节点(n1、n2、n3)垂直于焊缝方向Y的应力(σ_n1、σ_n2、σ_n3)，根据二次平均法来计算虚拟应变片位置的方向应力。

经过虚拟应变片位置k的垂直于焊线的方向矢量y与某单元A面的边交于k1和k2两点，a和b分别为k1到n1和n3节点之间的距离，c和d分别为k1到n1和n2节点之间的距离，e和f分别为虚拟应变片位置k到k1和k2节点之间的距离，那么首先分别求k1和k2两点的应力插值。

${\mathrm{\σ}}_{k1}=\frac{{\mathrm{b\σ}}_{n1}+{\mathrm{a\σ}}_{n3}}{a+b}---\left(7\right)$

${\mathrm{\σ}}_{k2}=\frac{{\mathrm{d\σ}}_{n1}+{\mathrm{c\σ}}_{n2}}{c+d}---\left(8\right)$

然后通过式(6)获得虚拟应变片位置的方向应力。

(3)如果落在如图5某单元的A面n1和n4的边上，则插值方法更简单，只需要提单元取A面各节点n1、n4两个节点的垂直于焊缝方向Y的应力(σ_n1、σ_n4)，根据直接一步平均获得计算虚拟应变片位置的方向应力。

直接对n1和n4垂直于焊线方向的应力进两点插值从而获得虚拟应变片位置的方向应力

${\mathrm{\σ}}_k=\frac{{\mathrm{b\σ}}_{n1}+{\mathrm{a\σ}}_{n4}}{a+b}---\left(9\right)$

如果虚拟应变片的位置刚好落在某个节点的位置，那么无论是壳单元还是用块体元的节点，直接利用该节点的垂直于焊缝方向的应力作为虚拟应变片的方向应力，不需要任何插值。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种应用虚拟贴片计算焊接结构结构应力的方法，其特征在于具有如下步骤：

S100.根据给定的边界条件，创建焊接结构的有限元模型，在该模型中定义包括焊肉的有限元网格；

S200.确定焊趾附近的线性应力分布区域，在该区域设置虚拟应变片；

S300.根据虚拟应变片在有限元单元中的位置，通过插值的方法确定虚拟应变片位置的方向应力；对于两组虚拟应变片，接近焊趾区域的B截面位置和远离焊趾的C截面位置，将方向应力带入公式：

$\mathrm{\σ}=\frac{1}{2}({\mathrm{\σ}}_{Top}-{\mathrm{\σ}}_{Bottom})---\left(1\right)$

求得两组应变区域位置处的弯曲应力，σ_Top为应变片设置区域上表面的弯曲应力，σ_Bottom为应变片设置区域下表面的弯曲应力；将BC截面的弯曲应力带入公式(3)，得到结构应力σ_s；

$\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_b={\mathrm{\σ}}_b^B+\frac{L}{l}({\mathrm{\σ}}_b^C-{\mathrm{\σ}}_b^B)\\ {\mathrm{\σ}}_s={\mathrm{\σ}}_{Top}^B+\frac{L}{l}({\mathrm{\σ}}_b^C-{\mathrm{\σ}}_b^B)\end{array}---\left(3\right)$

式中，σ_s代表结构应力,.σ_b代表弯曲应力,是B截面的上表面方向应力,l是C面到B面的距离是C面的弯曲应力。

2.根据权利要求1所述的虚拟贴片计算焊接结构结构应力的方法，其特征还在于所述步骤S300具体包括如下步骤：

S310.判定虚拟应变片位于有限元单元中的具体位置，该具体位置包括位于：有限元单元内部、有限元单元边界上或有限元单元节点上；

S320.虚拟应变片位于有限元单元内部时，提取该有限元单元各节点垂直于焊缝方向的应力；通过二次平均法计算所述虚拟应变片位置的方向应力；

S330.虚拟应变片位于有限元单元边界上时，提取该有限元单元边界上两节点的应力；通过一次平均法计算所述虚拟应变片位置的方向应力；

S340.虚拟应变片位于有限元单元节点上时，提取该有限元单元节点垂直于焊缝方向的应力，作为虚拟应变片的方向应力。

3.根据权利要求2所述的虚拟贴片计算焊接结构结构应力的方法，其特征还在于所述步骤S320中二次平均法具体包括如下步骤：

S321.定义经过虚拟贴片位置k、且垂直于焊缝的向量分别与有限元单元的两边交于k1和k2，虚拟贴片将该向量在有限元单元内线段分为e和f两段；

S322.通过公式，

${\mathrm{\σ}}_{k1}=\frac{{\mathrm{b\σ}}_{n1}+{\mathrm{a\σ}}_{n4}}{a+b}---\left(4\right)$

${\mathrm{\σ}}_{k2}=\frac{{\mathrm{d\σ}}_{n2}+{\mathrm{c\σ}}_{n3}}{c+d}---\left(5\right)$

计算k1和k2的应力插值；式中n1、n2、n3和n4分别为有限元单元的四个节点；

S323.通过公式，

${\mathrm{\σ}}_k=\frac{{\mathrm{f\σ}}_{k1}+{\mathrm{e\σ}}_{k2}}{e+f}---\left(6\right)$

计算得出k点，即虚拟应变片位置的方向应力。

4.根据权利要求3所述的虚拟贴片计算焊接结构结构应力的方法，其特征还在于当有限元单元为三角形单元时，所述的n1和n2节点重合；通过公式

${\mathrm{\σ}}_{k1}=\frac{{\mathrm{b\σ}}_{n1}+{\mathrm{a\σ}}_{n3}}{a+b}---\left(7\right)$

${\mathrm{\σ}}_{k2}=\frac{{\mathrm{d\σ}}_{n1}+{\mathrm{c\σ}}_{n2}}{c+d}---\left(8\right)$

计算k1和k2位置的应力插值。

5.根据权利要求2所述的虚拟贴片计算焊接结构结构应力的方法，其特征还在于：所述步骤S330中一次平均法具体包括如下步骤：

S331.定义经过虚拟贴片位置、且垂直于焊缝的向量分别与有限元单元的边交于k点；所述边的两端点分别为n1和n4；

S332.通过公式，

${\mathrm{\σ}}_k=\frac{{\mathrm{b\σ}}_{n1}+{\mathrm{a\σ}}_{n4}}{a+b}---\left(9\right)$

计算虚拟应变片位置k的应力插值，为虚拟应变片的方向应力。

6.根据权利要求1所述的虚拟贴片计算焊接结构结构应力的方法，其特征还在于：通过查看有限元软件的应力分布云图或节点弯矩计算结果看是否满足如下公式

$\mathrm{\Δ}M=\frac{I}{t/2}({\mathrm{\σ}}_b^C-{\mathrm{\σ}}_b^B)---\left(2\right)$

其中t为板厚度，如果满足就是线性应力分布。

7.根据权利要求1所述的虚拟贴片计算焊接结构结构应力的方法，其特征还在于：最接近焊缝的虚拟贴片与焊趾之间的距离不超过板厚的3-5倍。