CN105260536A - 焊趾处热点应力的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种焊趾处热点应力的计算方法，其包括以下步骤：S10，有限元模型前处理；S2，根据有限元模型进行计算；S3，提取每个节点的线性力和线性力矩；S4，根据S3中提取每个节点的线性力和线性力矩，计算出焊趾处的拉应力、弯曲应力和真实应力；S5，将真实应力叠加得到焊趾处每个节点的热点应力。其中，S10中将建立的虚拟应变片的几何模型分为应变片外围和应变片核心块，将应变片核心块相应的面均分为N个子面，在每个子面的侧边生成1个线特征，N个子面共生成(N+1)个线特征。本发明涉及的计算方法步骤简单，效率较高，并且计算精度高，极大地降低了人力物力，提高了焊接结构的后期设计验证的效率和焊接结构的设计质量。

Description

焊趾处热点应力的计算方法

技术领域

本发明涉及计算领域，特别地涉及焊趾处热点应力的计算方法。

背景技术

焊接结构中，焊接接头的固有疲劳强度往往较低。这是由于，焊接特殊的制造工艺包含了太多的对结构疲劳性能不利的附加因素：连接附件、加强件以及焊缝几何等不连续结构。这些几何结构上的不连续性导致了结构刚度的不连续性。最终，很容易导致在焊接接头处产生高度的应力集中。而应力集中的严重程度，决定了焊接结构的疲劳强度。而实际上，在高应力集中区域，由于应力梯度的高度非线性，很难截取一个统一的具有力学意义的应力值来考核的结构的疲劳寿命。

针对这种问题，国内外学者提出了两种基于S-N曲线的焊接结构的应力截取方法：名义应力法和基于国际焊接协会的热点应力法。名义应力法是焊接结构疲劳分析中研究最广、应用最广的传统方法。应用这种方法时，不需要特别考虑焊接接头自身的应力集中。但是，不同的焊接接头需要通过不同的S-N曲线来区分。从应力截取的角度看，名义应力法显然比较简单。但是，名义应力法也存在严重的局限性：1)焊接结构的疲劳破坏是焊接接头处的应力集中而导致，而名义应力法忽略了焊接接头的应力集中。比如，相同的焊接接头，如果对焊缝进行后处理以降低应力集中，其疲劳寿命肯定是不一样的。2)由于焊接接头的多样性，焊接接头与S-N曲线的一一对应是很难做到的。3)焊接结构处的名义应力是高度网格敏感的，应力值会有较大的离散。

基于如上的考虑，国际焊接协会推出了热点应力法。热点应力法考虑的焊接接头的应力集中，它是一种基于几何结构的外推法。但是，热点应力法也不能解决接头与S-N曲线对应及应力与网格敏感的问题。后来，有学者提出了在有限元中基于节点力的热点应力计算方法。这种方法一方面不需要考虑单元类型、网格尺寸等敏感因素对热点应力的影响，另一方面，由于较准确的考虑了焊接接头的应力集中，也突破了焊接接头与S-N曲线对应的限制。但是此法在实施前需要将焊接结构3D几何模型转化成板壳2D几何模型，对于复杂钢结构很难准确的用2D板壳模型来表达3D实体模型，且花费时间、人力成本巨大，工程应用中存在一定的局限性。

发明内容

本发明提供了一种焊趾处热点应力的计算方法，以解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种焊趾处热点应力的计算方法,包括以下步骤：S10，有限元模型前处理，包括以下步骤：S11，在焊趾处建立虚拟应变片的几何模型；S12，对所述虚拟应变片的几何模型进行网格划分；S13，将所述虚拟应变片的几何模型分为应变片外围和应变片核心块，将所述应变片核心块相应的面均分为N个子面，在每个所述子面的侧边生成1个线特征，所述N个子面共生成(N+1)个所述线特征；S14，为所述虚拟应变片定义材料、单元属性、施加载荷和边界条件；S2，根据所述有限元模型进行计算；S3，提取每个节点的线性力和线性力矩；S4，根据S3中提取每个所述节点的所述线性力和所述线性力矩，计算出所述焊趾处的拉应力、弯曲应力和真实应力；S5，将所述真实应力叠加得到所述焊趾处每个所述节点的热点应力。

优选地，N大于或者等于8。

优选地，为所述虚拟应变片建立的网格为3D网格。

优选地，当步骤S2完成后，在所述有限元模型的计算结果文件中，提取所述虚拟应变片中选取的节点在板厚方向的所述线性力与所述线性力矩，其中：

真实应力由计算公式确定，其中：

f为节点对于相邻一个子面的线性力，m为相应的线性力矩，t是板厚。

优选地，将每个所述节点的所述真实应力叠加得出每个所述节点的热点应力：

$\mathrm{\Σ}Fi+{\∫}_0^{l}f\left(x\right)dx=0$

$\mathrm{\Σ}Fixi+{\∫}_0^{l}xf\left(x\right)dx=0$

其中，Fi是每个节点的热点应力，l代表单元沿焊缝方向的长度。

优选地，根据每个所述节点的所述真实应力和所述热点应力，推广至n个线性力/力矩，形成矩阵方程：

优选地，将所述矩阵方程中的Fn替换成Mn，fn替换成mn即得到所述线性力矩的相关矩阵。

本发明涉及的焊趾处热点应力的计算方法基于有限元3D模型来计算焊趾处的热点应力，这种计算方法步骤简单，效率较高，并且计算精度高，极大地降低了人力物力，提高了焊接结构的后期设计验证的效率和焊接结构的设计质量。

附图说明

图1是本发明涉及的一种焊趾处热点应力的计算方法中的焊趾位置的示意图；

图2是本发明涉及的一种焊趾处热点应力的计算方法的步骤流程图；

图3是本发明涉及的一种焊趾处热点应力的计算方法中的虚拟应变片网格划分示意图；

图4是本发明涉及的一种焊趾处热点应力的计算方法中的虚拟应变片示意图；

图5是本发明涉及的一种焊趾处热点应力的计算方法中的虚拟应变片示意图；

图6是本发明涉及的一种焊趾处热点应力的计算方法中的虚拟应变片3D示意图；

图7是本发明涉及的一种焊趾处热点应力的计算方法中的虚拟应变片局部示意图；

图8是本发明涉及的一种焊趾处热点应力的计算方法中线性力和线性力矩示意图；

图9是本发明涉及的一种焊趾处热点应力的计算方法中线性力和线性力矩示意图。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的意图，下面结合附图对本发明内容做进一步说明。

本实施例涉及一种焊趾处热点应力的计算方法，其中，如图1所示，焊趾处是指焊接时，焊缝1与图1中母材的工字钢梁2两个实体相交的区域，在进行计算时，在相交区域选取虚拟应变片区域3，如图2所示，在对焊趾处进行热点应力的计算方法包括以下步骤：

S10，有限元模型前处理，包括以下步骤：

S11，利用有限元分析软件或3D软件在焊趾处建立虚拟应变片的几何模型；

S12，如图3和图6所示，对所述虚拟应变片的几何模型进行网格划分，具体地，将几何模型划分为3D网格；

S13，如图4和图5所示，将所述虚拟应变片的几何模型分为应变片外围4和应变片核心块5，将所述应变片核心块5相应的面均分为N个子面，在每个所述子面的侧边生成1个线特征，所述N个子面共生成(N+1)个所述线特征，优选地，N大于或者等于8，具体地，N设置成9，该虚拟应变片的几何模型的外围长72mm，宽40mm，应变片核心块5截面区域长40mm，宽8mm，将应变片核心块5与焊趾最接近的平面均分，所分子面的数量为10个，共产生11条分割线。

S14，为所述虚拟应变片定义材料、单元属性、施加载荷和边界条件。

S2，根据所述有限元模型进行计算。

S3，提取每个节点的线性力和线性力矩，具体地，当有限元模型计算完成后，在有限元模型的计算结果文件中，提取虚拟应变片中选取的节点在板厚方向的线性力与线性力矩，其中板厚方向为图7中箭头t所指方向，t表示板厚。

S4，根据S3中提取每个所述节点的所述线性力和所述线性力矩，计算出所述焊趾处的真实应力。

真实应力由计算公式确定，其中：

f为节点对于相邻一个子面的线性力，m为相应的线性力矩，t是板厚；

如图7所示，其中，f是对单个子面的线性力/线性力矩平衡进行计算得到，将每个节点的真实应力叠加得出每个节点的热点应力：

$\mathrm{\Σ}Fi+{\∫}_0^{l}f\left(x\right)dx=0$

$\mathrm{\Σ}Fixi+{\∫}_0^{l}xf\left(x\right)dx=0$

其中，Fi是每个节点的热点应力，l代表单元沿焊缝方向的长度；

可以得到：

$\begin{array}{c}F1=\frac{l}{3}f1+\frac{l}{6}f2\\ F2=\frac{l}{6}f1+\frac{l}{3}f2\end{array}$

F代表节点的完整线性力，即考虑了节点相连两个子面的线性力，例如，F1是f1和f2综合得到的；

那么，推广至n个线性力/力矩，形成矩阵方程，可以有：

这里，将Fn替换成Mn，fn替换成mn即可以得到线性力矩的相关矩阵，因此，在S4中所提取的线性力/线性力矩带入S1中建立的虚拟应变片模型中，将可以计算出每个节点的拉应力和弯曲应力。

S5，拉应力和弯曲应力叠加，实际上，其中S3中所得到的是非环形的焊缝焊趾处的线性力和线性力矩，此为线性力和线性力矩的一般公式，但是通过上述公式直接代入到S1所建立的虚拟应变片计算模型中，最后所得到的热点应力值并不是全部有意义的。

这里，要求将应变片核心块相应的面均分为N个子面，同时生成(N+1)个线特征，其中N大于或者等于8是基于在S1、S3和S4中，虚拟应变片中除第一个与最后一个线特征外，其余所有的线特征都是相邻两个子面共有，而虚拟应变片中的第一个与最后一个线特征与虚拟应变片外的3D实体几何存在着力的传递，即，虚拟应变片提取的第一个子面与最后一个子面的线性力只是S4处中计算得到的线性力的一部分，也就是说第一个与最后一个线性力是不准确的，如图8所示，

如上公式，结合图8，如果节点1的节点有问题，那么线性力f1和线性力f2不准确，只有f3比较能够反映节点3处的线性力和线性力矩，进一步，为了保守起见，一般f5的线性力的精确性已经足够。于是，S1中建立的虚拟应变片，必须要有9个及以上的线特征，并且，只有f5到f(n-4)之间的线性力和线性力矩才能用来计算焊趾处的热点应力。

本发明的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (7)

1.一种焊趾处热点应力的计算方法，其包括以下步骤：

S10，有限元模型前处理，包括以下步骤：

S11，在焊趾处建立虚拟应变片的几何模型；

S12，对所述虚拟应变片的几何模型进行网格划分；

S13，将所述虚拟应变片的几何模型分为应变片外围和应变片核心块，将所述应变片核心块相应的面均分为N个子面，在每个所述子面的侧边生成1个线特征，所述N个子面共生成(N+1)个所述线特征；

S14，为所述虚拟应变片定义材料、单元属性、施加载荷和边界条件；

S2，根据所述有限元模型进行计算；

S3，提取每个节点的线性力和线性力矩；

S4，根据S3中提取每个所述节点的所述线性力和所述线性力矩，计算出所述焊趾处的拉应力、弯曲应力和真实应力；

S5，将所述真实应力叠加得到所述焊趾处每个所述节点的热点应力。

2.根据权利要求1所述的焊趾处热点应力的计算方法，其特征在于，N大于或者等于8。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的焊趾处热点应力的计算方法，其特征在于，为所述虚拟应变片建立的网格为3D网格。

4.根据权利要求3所述的焊趾处热点应力的计算方法，其特征在于，当步骤S2完成后，在所述有限元模型的计算结果文件中，提取所述虚拟应变片

f为节点对于相邻一个子面的线性力，m为相应的线性力矩，t是板厚。

5.根据权利要求4所述的焊趾处热点应力的计算方法，其特征在于，将每个所述节点的所述真实应力叠加得出每个所述节点的热点应力：

$\ΣFi+{\∫}_0^{l}f\left(x\right)dx=0$

$\ΣFixi+{\∫}_0^{l}xf\left(x\right)dx=0$

其中，Fi是每个节点的热点应力，l代表单元沿焊缝方向的长度。

6.根据权利要求5所述的焊趾处热点应力的计算方法，其特征在于，根据每个所述节点的所述真实应力和所述热点应力，推广至n个线性力/力矩，形成矩阵方程：

$\left[\begin{array}{c}F1\\ F2\\ F3\\ .\\ .\\ Fn\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\begin{array}{cccccc}\frac{l}{3}& \frac{l}{6}& 0& 0& \mathrm{...}& 0\end{array}\\ \begin{array}{cccccc}\frac{l}{6}& \frac{2l}{3}& \frac{l}{6}& 0& \mathrm{...}& 0\end{array}\\ \begin{array}{cccccc}0& \frac{l}{6}& \frac{2l}{3}& \frac{l}{6}& \mathrm{...}& 0\end{array}\\ 0\\ \begin{array}{cccccc}0& 0& 0& \mathrm{...}& \frac{l}{6}& \frac{l}{3}\end{array}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}f1\\ f2\\ f3\\ .\\ .\\ fn\end{array}\right].$

7.根据权利要求6所述的焊趾处热点应力的计算方法，其特征在于，将所述矩阵方程中的Fn替换成Mn，fn替换成mn即得到所述线性力矩的相关矩阵。