CN110929440A

CN110929440A - 复杂焊接结构疲劳载荷与焊接接头疲劳载荷之间的快速传递技术

Info

Publication number: CN110929440A
Application number: CN201911121711.3A
Authority: CN
Inventors: 聂春戈; 谢素明; 兆文忠
Original assignee: Beijing Wonderroad Magnesium Technology Co Ltd
Current assignee: Dalian Jiaotong University; Beijing Wonderroad Magnesium Technology Co Ltd
Priority date: 2019-11-15
Filing date: 2019-11-15
Publication date: 2020-03-27

Abstract

本发明提供一种复杂焊接结构疲劳载荷与焊接接头疲劳载荷之间的快速传递技术，包括如下步骤：步骤一、利用三维几何建模软件，预先将焊接接头部分的几何进行切割，并导出；步骤二、利用有限元工具软件，划分有限元网格，并将步骤一中切割的焊接接头部分几何形状对应定义为子结构；步骤三、施加位移约束条件，获得完整的有限元计算模型；步骤四、从施加的结构疲劳载荷中选择最大值，作为求解载荷；步骤五、求解以后，提取每一个子结构中每一个被切割面的节点力，计算切割面的合力；步骤六、利用线性比例关系，得到每一个结构疲劳载荷对应的焊接接头疲劳载荷；步骤七、存入数据库，待以后调用；步骤八、对每一个焊接接头独立进行抗疲劳设计。

Description

复杂焊接结构疲劳载荷与焊接接头疲劳载荷之间的快速传递技术

技术领域

本发明涉及焊接结构疲劳评估领域，具体而言，尤其涉及一种复杂焊接结构疲劳载荷与焊接接头疲劳载荷之间的快速传递技术。

背景技术

焊接接头的抗疲劳设计是焊接结构抗疲劳设计的基础，为此，世界上著名的焊接结构设计标准，如BS7608:2015，针对焊接接头的抗疲劳设计，用试验手段提供了一批S-N曲线数据，根据表格中焊接接头的疲劳等级，可以在标准中找到对应的S-N曲线数据。在标准中，仅给出了焊接接头的几何形状、疲劳载荷的作用方向，然而却没有给出疲劳载荷值。而用户在进行焊接接头抗疲劳设计时，已知的是结构上的疲劳载荷，因此，为了计算疲劳寿命，用户只能基于由焊接接头组成的结构有限元模型计算应力，然后评估接头的抗疲劳能力，如果接头抗疲劳能力不能满足设计要求，只能通过更改整个结构，再创建一个新的结构有限元模型重新计算应力，由于工程结构非常复杂，因此，这种基于结构响应评估焊接接头抗疲劳能力的效率非常低下。

为了克服上述困难，将结构上的疲劳载荷快速传递为接头上的疲劳载荷，使得焊接接头的抗疲劳设计可以独立执行，本发明提出了基于有限元子结构技术的复杂焊接结构疲劳载荷与焊接接头疲劳载荷之间的快速传递技术，该项技术克服了国外标准的局限性，具有广泛的工程应用价值。

发明内容

根据上述提出在焊接结构设计标准中，仅给出了焊接接头的几何形状、疲劳载荷的作用方向，然而却没有给出疲劳载荷值的技术问题，而提供一种复杂焊接结构疲劳载荷与焊接接头疲劳载荷之间的快速传递技术。本发明主要利用将结构上的疲劳载荷快速传递为接头上的疲劳载荷，从而使得焊接接头的抗疲劳设计可以独立执行。

本发明采用的技术手段如下：

一种复杂焊接结构疲劳载荷与焊接接头疲劳载荷之间的快速传递技术，包括如下步骤：

步骤一、利用三维几何建模软件中的面或体的剪裁功能，预先将焊接结构几何模型中焊接接头部分的几何进行裁剪切割，将切割后的几何文件导出；

步骤二、将步骤一中导出的几何文件导入有限元工具软件中，利用软件的前处理功能对结构几何划分有限元网格，并将步骤一中切割的焊接接头部分几何形状对应定义为有限元模型中的子结构；

步骤三、在有限元工具软件中将结构有限元网格定义单元类型和材料参数，并施加位移约束条件，获得完整的有限元计算模型；

步骤四、从计算大纲或标准中规定的焊接结构疲劳载荷中选择最大值，作为模型求解时施加的结构载荷；从焊接结构疲劳载荷中选择最大值，作为求解载荷；

步骤五、利用有限元工具软件对有限元模型求解以后，在软件中提取每一个子结构中每一个被切割面的节点力，并根据平衡等效原则计算切割面的合力，所述合力为焊接接头抗疲劳设计需要的一个焊接接头疲劳载荷；

步骤六、利用焊接结构力学行为的线性比例关系，得到每一个结构疲劳载荷对应的焊接接头疲劳载荷；

步骤七、存入焊接接头疲劳载荷数据库，待以后调用；

步骤八、根据步骤六中获得的焊接接头疲劳载荷对每一个焊接接头独立进行抗疲劳设计。

进一步地，步骤一中，所述焊接接头的几何形状与BS7608焊接结构设计标准中提供的接头几何形状具有一致性。

进一步地，利用子结构技术实现复杂焊接结构疲劳载荷与焊接接头疲劳载荷之间的快速传递；

所述子结构技术是有限元方法中现有的成熟技术，其实质是将计算规模很大的结构中切割出一个或多个子结构，然后将每个子结构内部的自由度凝聚到切割以后形成的边界上，自由度凝聚以后求解，于是可以获得子结构切割面上的合力；

根据子结构技术，假设一个子结构上的所有节点位移因切割可被分成两部分：U₁是切割边界上的位移，U₂是其内部位移，于是这个子结构的求解方程就对应成以下形式，即所述子结构的求解方程满足如下公式：

由所述子结构的求解方程获得的凝聚以后的求解方程满足如下公式：

其中，

K₁₁U₁+K₁₂U₂＝F₁；

K₂₁U₁+K₂₂U₂＝F₂；

U₂＝K₂₂ ^-1(F₂-K₂₁U₁)；

式中，U₁是切割边界上的位移(mm)，U₂是其内部位移(mm)，K_ij为与位移对应的刚度矩阵，F_i为对应的载荷向量；

每个所述子结构求解以后，被切割面上所有节点的力也被同时求出来了，这些切割面上的信息根据平衡等效原则被整理后即可转化为被切割面上的合力。如果子结构是依据焊接接头的几何而定义的，那么这个切割面上的合力即为由结构系统载荷传递到该焊接接头上的载荷。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的复杂焊接结构疲劳载荷与焊接接头疲劳载荷之间的快速传递技术，将结构上的疲劳载荷快速传递为接头上的疲劳载荷，从而使得焊接接头的抗疲劳设计可以独立执行。

2、本发明提供的复杂焊接结构疲劳载荷与焊接接头疲劳载荷之间的快速传递技术，利用有限元分析的节点力结果，基于平衡等效原则计算焊接接头载荷，具有精度高的特点。

综上，应用本发明的技术方案能够解决现有技术中的在焊接结构设计标准中，仅给出了焊接接头的几何形状、疲劳载荷的作用方向，然而却没有给出疲劳载荷值的问题。

基于上述理由本发明可在用于焊接接头的抗疲劳设计的焊接技术等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中焊接构架几何的示意图。

图2为本发明实施例1中有限元模型。

图3为本发明实施例1中焊接接头子结构示意图。

图4为本发明实施例1中截面内力示意图。

图5为本发明实施例2中T型铸铁梁尺寸、约束及载荷的示意图，其中(a)为梁的约束、载荷以及尺寸示意图，(b)为梁的截面尺寸示意图。

图6为本发明实施例2中裁剪后的几何示意图。

图7为本发明实施例2中子结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明提供了一种复杂焊接结构疲劳载荷与焊接接头疲劳载荷之间的快速传递技术，包括如下步骤：

步骤一、利用三维几何建模软件中的面或体的剪裁功能，预先将焊接结构几何模型中所关心的焊接接头部分的几何进行裁剪切割，所述焊接接头的几何形状与BS7608焊接结构设计标准中提供的接头几何形状具有一致性；然后将切割后的几何文件导出为step、iges等格式；

步骤二、将步骤一中导出的几何文件导入有限元工具软件中，利用软件的前处理功能对结构几何划分有限元网格，并将步骤一中切割的焊接接头部分几何形状对应定义为有限元模型中的子结构；其中，所述有限元工具软件为ANSYS、Patran/Nastran、Abaqus或Hypermesh等软件；

步骤五、利用有限元工具软件对有限元模型求解以后，在软件中提取每一个子结构中每一个被切割面的节点力，并根据平衡等效原则计算切割面的合力，该合力即为焊接接头抗疲劳设计需要的一个焊接接头疲劳载荷；

步骤六、利用焊接结构力学行为的线性比例关系，可以得到每一个结构疲劳载荷对应的焊接接头疲劳载荷；

步骤七、存入焊接接头疲劳载荷数据库，待以后调用；

实施例1

焊接接头的抗疲劳设计过程三步：

1)用对号入座的方式在设计标准中选取S-N曲线数据；

2)获得与S-N曲线数据一致的疲劳载荷；

3)按照标准中提供的公式计算疲劳寿命。

然而，在国外标准中，仅给出焊接接头的几何形状、疲劳载荷的作用方向，没有给出疲劳载荷。表1是BS7608:2015标准中给出的部分焊接接头定义。

表1 BS7608:2015标准中给出的部分焊接接头

表1左侧一列字母是该焊接接头的疲劳等级，根据等级，可以在标准中找到对应的S-N曲线数据。表1右列给出了焊接接头的疲劳载荷方向，但不提供具体数值，因而导致接头设计不能完整执行。

为了计算疲劳寿命，只能基于由焊接接头组成的结构有限元模型计算应力，然后评估接头的抗疲劳能力，如果接头抗疲劳能力不能满足设计要求，只能通过更改整个结构，再创建一个新的结构有限元模型重新计算应力，由于工程结构非常复杂，因此这种基于结构响应评估焊接接头抗疲劳能力的效率，非常低下。

如图1-4所示，本实施例中给出了基于子结构技术获得的一个焊接构架焊接接头截面内力的效果。

(1)焊接构架中所关心的焊接接头如图1所示。利用三维几何建模软件中的面或体的裁剪功能，将焊接构架几何模型中所关心的焊接接头部分的几何进行裁剪切割，然后将切割后的结构几何导出为step格式；其中，三维几何建模软件选取三维CAD工具软件。

(2)将(1)中导出的step格式的几何文件导入有限元工具软件Hypermesh中，利用软件的前处理功能对结构几何划分有限元网格(如图2所示)，其中根据结构的对称性取一半结构计算，对称面上施加对称约束。有限元网格如图2所示。然后，将(1)中切割的焊接接头部分对应定义为有限元模型中的子结构，其中，该接头有三个截面，如图3所示。

(3)在有限元工具软件中将结构有限元网格定义单元类型和材料参数，并施加位移约束条件，获得完整的有限元计算模型。

(4)根据UIC515-4标准规定的焊接结构疲劳载荷中选择最大值，作为模型求解时施加的结构载荷。

(5)将有限元模型导入ANSYS软件进行静力计算，然后在ANSYS软件后处理模块提取接头各截面上节点的节点力，并根据平衡等效原则计算切割面的内力合力。每个截面上有6个内力，包括截面轴力Fz，两个方向的剪力Fx和Fy，截面扭矩Mz和两个方向弯矩Mx和My，如图4所示。该内力合力即为对该焊接接头进行抗疲劳设计时所需要的疲劳载荷。

该接头三个截面的所有内力如表2所示，其中力的单位为kN，矩的单位为kN·m。

表2接头截面上力及力矩的计算结果

	Fx	Fy	Fz	Mx	My	Mz
							截面1	-8.401	0.000	37.650	0.046	-17.826	52.728
截面2	5.800	-2.350	-18.895	13.498	-3.913	-0.277
							截面3	2.602	-71.259	-18.755	3.050	8.810	-36.166

(6)利用焊接结构力学行为的线性比例关系，因为结构具有线弹性，因此按照整体结构疲劳载荷的波形可以很容易获得接头上的疲劳载荷波形。

(7)将计算结果存入焊接接头疲劳载荷数据库，可以在对该焊接接头独立进行抗疲劳设计时进行调用使用。

实施例2

如图5-7所示，本实施例中给出了基于子结构技术获得的一个伸臂梁焊接接头截面内力的效果。

如图5所示为一T型截面铸铁梁，在该伸臂梁的B点和C点之间有一块长度为400mm的补强盖板通过焊缝与T型梁相连。梁的约束、载荷以及尺寸如图(a)所示，梁的截面尺寸如图(b)所示，其中F1＝9kN，F2＝4kN。这里计算梁上盖板焊接接头的载荷，计算过程如下：

(1)在三维几何建模软件中将几何从截面1和截面2裁开，并导出为step格式，如图6所示。

(2)在有限元软件ANSYS中划分有限元网格，并将裁剪出的焊接接头部分定义为子结构，如图7所示。

(4)根据图5施加结构载荷F1＝9kN，F2＝4kN；

(5)将有限元模型导入ANSYS软件进行静力计算，然后在ANSYS软件后处理模块提取接头截面1和截面2上节点的节点力，并根据平衡等效原则计算切割面的内力合力如表3所示。本实施例中每个截面上有2个内力，包括截面剪力Fy和截面弯矩Mz。该内力合力即为对该焊接接头进行抗疲劳设计时所需要的疲劳载荷。另外，需要指出的是，本实施例中截面1和截面2可以根据材料力学理论得到理论解如表3所示。可以看出，计算结果和理论解一致，证明了本发明方法的可靠性。

该接头两个截面的所有内力如表3所示，其中力的单位为kN，矩的单位为kN·m。

表3接头截面上内力合力的计算结果

(6)利用焊接结构力学行为的线性比例关系，按照整体结构疲劳载荷的波形可以很容易获得接头上的疲劳载荷波形。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种复杂焊接结构疲劳载荷与焊接接头疲劳载荷之间的快速传递技术，其特征在于，包括如下步骤：

步骤七、存入焊接接头疲劳载荷数据库，待以后调用；

2.根据权利要求1所述的复杂焊接结构疲劳载荷与焊接接头疲劳载荷之间的快速传递技术，其特征在于，步骤一中，所述焊接接头的几何形状与BS7608焊接结构设计标准中提供的接头几何形状具有一致性。

3.根据权利要求1所述的复杂焊接结构疲劳载荷与焊接接头疲劳载荷之间的快速传递技术，其特征在于，所述子结构的求解方程满足如下公式：

其中，

K₁₁U₁+K₁₂U₂＝F₁；

K₂₁U₁+K₂₂U₂＝F₂；

U₂＝K₂₂ ^-1(F₂-K₂₁U₁)；

式中，U₁是切割边界上的位移(mm)，U₂是其内部位移(mm)，K_ij为与位移对应的刚度矩阵，F_i为对应的载荷向量。