基于ANSYS平台的焊缝疲劳寿命评估方法与流程

本发明涉及一种疲劳寿命评估技术，特别是一种基于ansys平台的焊缝疲劳寿命评估方法。

背景技术：

从结构制造特点的角度看，焊接结构具有连接性好、重量轻、易于加工、便于采用自动化生产等优点，在复杂装备领域得到了广泛应用，特别是焊接工艺技术的不断推陈出新，更是显著地提升了焊接结构在这些产品中的应用地位。但在承受动态载荷过程中，焊接结构由于几何不连续性而导致焊缝部位应力集中，也因此使它成为了产品结构可靠性的薄弱环节，在复杂服役环境中，焊接结构的焊缝开裂成为结构失效的主要形式之一。

面对焊接结构疲劳失效的问题，多少年来，包括轨道车辆在内的各个制造行业从上到下一直在努力治理，并且取得了一定进展，一定程度上提高了焊接结构的服役安全，但目前还依然存在一些认识及应用上的的误区及难点。例如将焊接结构疲劳问题等同于金属疲劳问题、将焊接结构的疲劳失效归结为焊接质量的问题、夸大焊接残余应力影响的问题等。

针对相关问题，美国asmebp&csectionviiidiv2code标准中新增加了网格不敏感的结构应力计算流程、主s-n曲线法疲劳寿命评估流程，对焊接结构焊缝的疲劳失效进行了专门讨论。主s-n曲线法是美国华裔科学家董平沙教授在焊接结构疲劳研究领域的最新研究成果，理论上能够很好的解释传统方法不能解释问题，是目前焊接结构抗疲劳性能评估的最先进的理论工具。这种新方法经过大连交通大学兆文忠教授引进国内，经过几年的实践检验，证明上述理论对解决我国铁路机车车辆焊接结构的疲劳问题极其合适，在整个焊接结构安全评估领域存在极其广泛的应用前景。

但新理论的应用也存在问题，就是当前解决焊缝疲劳问题没有合适工具使用，国外有的软件中或多或少集成了相关功能，但要么功能受限，要么有美国军方背景，并不能大规模使用，而国内具有自主知识产权的、针对复杂焊接工程结构的疲劳寿命预测软件还是一片空白。

焊接结构疲劳设计或评定过程中，计算或测量应力时，应注意应力类型，不同的应力类型对应有不同的疲劳强度，或对应有不同的s-n曲线表达方式。目前出现的应力分类主要有：名义应力(标称应力)、广义名义应力、热点应力(几何应力)、缺口应力、结构应力等，这些应力求解受外界影响因素比较多，比如网格密度、应力种类等。

美国董平沙教授首先提出了网格不敏感的结构应力法，结构应力的计算起始于单元节点力，由节点力进而计算得到结构应力，节点力与结构应力之间的关系可以表示如下：

由式(1)计算焊缝膜应力σm：

同理计算得到焊缝弯曲应力σb，进而得到结构应力：

σs＝σm+σb(4)

式(1)中，n是焊缝单元个数，li是焊缝单元长度，i＝1、2、…、n，fyi是第i个焊缝单元上局部坐标系下y方向的线力，mx是焊缝单元上局部坐标系下x方向的弯矩，fyi是单元的节点力，由式(1)计算出焊缝单元节点上的线力fyi，由(2)式、(3)式分别计算出焊缝截面上的膜应力σm和弯曲应力σb，由(4)式计算结构应力σs。结构应力σs等于膜应力σm与弯曲应力σb二者之和，是由外力引起的焊缝、焊趾或焊根处的应力，具有明确的物理意义，可以通过一组应变片外推插值间接获得，亦可以用适当的有限元方法获得，它反映了焊址或焊根处的应力集中。

依据试验数据和断裂力学方法，可以继续推导与焊缝疲劳寿命相关的一些参数，包括厚度、载荷形式、应力集中等，将这些参数凝聚在一起，就得到了一个与疲劳寿命直接相关的应力参数，等效结构应力δss：

上式中，δσs是结构应力变化范围，t是失效厚度，i为载荷模式函数，这里m为疲劳曲线参数，依照断裂力学裂纹扩展规律，基于等效结构应力来描述应力与疲劳寿命的关系，得到疲劳寿命计算公式：

式(6)即基于等效结构应力的主s-n曲线，其中c、h为试验参数，利用(6)式即可得到相关疲劳寿命，并且具有网格不敏感性、疲劳计算的数值稳定性。

目前在国内，依据主s-n曲线法进行焊接结构焊缝疲劳寿命评估还没有一个实用的计算工具，进行疲劳评估时，主要是依据理论进行简单手工计算，过程繁琐，结果没有保障。

国外疲劳分析软件中，只有极少数软件集成了部分主s-n曲线法的功能，如fe-safe的verity模块、美国battle研究院自己所用的科研程序ssm等。这些工具要么功能受限，要么受保密版权限制，不能完全进入国内相关行业进行结构焊缝疲劳寿命评估，而且，这些工具还存在若干应用困难：

1、分析工具与有限元分析软件不是无缝集成，存在版本兼容问题，有限元软件出现版本更迭，需要升级相应软件。

2、计算过程中，界面不友好，焊缝定义要求过严，前处理工作量大。

3、容错功能不好，不能准确提供出错信息，在分析过程中，出现问题只能提供简单错误信息，不能根据错误信息迅速定位、更改前处理文件。；

4、相关程序外部调用有限元求解结果，求解大模型文件时求解速度很慢，容易假死等等。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种可以实现以下目的的基于ansys平台的焊缝疲劳寿命评估方法：

1、利用结构应力、主s-n曲线实现对焊接结构焊缝的疲劳寿命评估；

2、与有限元分析软件ansys无缝集成，解决版本兼容问题；

3、界面友好，焊缝定义要求宽松，前处理工作量小，适合工程与设计人员使用；

4、容错功能好，能准确提供出错信息，能根据错误信息迅速定位、更改前处理文件；

5、求解速度快，避免因单元类型、约束类型等问题导致的求解假死现象。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：基于ansys平台的焊缝疲劳寿命评估方法，包括以下步骤：

a、构建基于ansys的焊缝疲劳寿命评估平台

基于ansys软件，使用apdl语言编制疲劳寿命计算程序，使用tcl/tk语言编制界面程序，构建基于ansys的焊缝疲劳寿命评估平台wsf，wsf为weldstructurefatigue的简称；

b、与ansys软件进行数据交换

在ansys软件中点击“焊缝疲劳评估”菜单启动wsf程序界面；

wsf程序界面由tcl/tk编制功能模块，所述的功能模块包括焊缝疲劳评估前处理模块、焊缝疲劳寿命计算模块和焊缝疲劳寿命评估数据后处理模块。wsf程序界面通过ans_sendcommand发送apdl命令给ansys软件，ans_getvalue从ansys数据库获取参数数据，ans_getvector命令从ansys数据库获取向量数据。

c、焊缝疲劳评估前处理

c1、获取焊线信息：分为手工输入和自动读取两种方法；手工输入时，在焊线单元对话框中逐个输入单元号、节点号；自动读取需要有限元模型中预先设定好相应单元组、节点组，程序提示输入焊线单元、节点，用户选取相应组，自动定义焊线；

c2、导入/导出焊线数据：在外部文本文件中获取焊线信息后，通过导入功能导入焊线数据，导出焊线信息为单独文件；

c3、编辑焊线单元、节点，实现焊线编辑更新功能，删除、查找焊线；

c4、输入焊线起始节点，在ansys软件中选取与节点相关的单元，判定焊线方向，自动寻找相邻节点，实现焊线节点、单元自动排序，减小前处理工作量；

c5、给定初始裂纹长度和失效厚度，实现数据导入/保存功能；

d、计算焊缝疲劳寿命

在wsf界面下，在焊缝前处理基础上，计算不同焊线结构应力和等效结构应力，用户选取或输入载荷谱后，进行疲劳寿命评估，计算焊线疲劳损伤或循环次数。

e、调用tcl/tk数据库管理系统

wsf包含疲劳计算常用的tcl/tk数据库管理系统，打开载荷谱管理系统界面进行以下操作：

点击“打开数据库”，打开现有货车、客车载荷谱数据；

点击“导入数据库”，将外部载荷谱导入当前数据库；

点击“创建新库”，手工输入载荷谱数据，添加一个新的载荷谱数据到数据库；

点击“分解载荷谱”，按要求分解当前载荷谱数据库为多个子数据库保存；

点击“增加”，增加当前数据库数据；

点击“修改”，修改当前数据库数据；

点击“删除”，删除当前数据库数据；

点击“查询”，按一定条件进行组合查询；

点击“toexcell”“totext”，转换当前载荷谱数据为excell表或txt文本文档；

点击“数据汇总”，汇总数据，最大最小、循环次数等；

点击“打印”，实现数据打印；

f、评估焊缝疲劳寿命

基于等效结构应力进行焊线疲劳寿命计算，利用焊缝疲劳寿命评估数据后处理模块进行数据导入和数据导出，显示曲线图、柱状图、饼图或云图，与excell表格进行数据交换。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明充分发挥了ansys的apdl语言、tcl/tk语言的优势，结合主s-n曲线法，实现了对焊接结构的抗疲劳性能评估的程序化，编制了wsf软件。

wsf是完全自主知识产权的焊接结构抗疲劳性能评估软件，可以普遍应用于机车、汽车、船舶、航空航天、海洋平台、重型机械等行业。设计阶段，能提前预知焊接结构的疲劳寿命，为结构设计方案的可行性及焊缝位置布置的合理性提供理论支持。产品服役阶段，可以根据实测的加速度、位移、力等数据进行动态监控，实时计算焊接结构的疲劳损伤，找出影响焊缝疲劳的敏感因素，预测关键焊缝的剩余寿命。

2、本发明最大优点在于结合了tcl/tk、ansysapdl语言实现了主s-n曲线法的焊缝抗疲劳性能评估。tcl/tk有着良好的界面开发功能，可以实现良好的人机交互功能；tcl/tk与ansys有着良好的参数接口，可以以参数为载体实现数据互传；结构应力法有着网格不敏感性、主s-n曲线选取一致性等优点。将三者结合实现的焊缝结构抗疲劳性能评估程序wsf将国外先进技术引进为工程实际可应用的工具。

3、ansys平台中评估应力与s-n曲线的一致性

焊接结构疲劳设计或评定过程中，计算或测量应力时，首先要注意应力类型，不同的应力类型(名义应力、热点应力、缺口应力等)对应有不同的疲劳强度，同时对应有不同的s-n曲线表达方式。但上述应力与s-n曲线的选取和计算存在着不唯一性，往往造成计算误差偏大，wsf软件采用apdl语言实现结构应力法与主s-n曲线法结合的方法，避免了上述问题，极大提高了评估的可靠性。

4、软件的方便实用性

本发明的软件界面基于tcl/tk语言，在ansys平台内部开发，界面友好、功能完备。

wsf软件在ansys平台开发，不受有限元分析软件版本限制，不受临时节点、刚性元、接触单元、非线性单元影响，不受分析类型影响，稳定性好。

wsf程序对焊缝节点、单元没有过多要求，可以不必按顺序排列，不用提供焊缝单元材料、厚度等信息，wsf程序完全可以自动寻找完成，wsf程序可以自动判别裂纹开裂方向，在开裂方向定义、计算疲劳寿命信息。

wsf具有丰富的错误截取功能，友善的错误提示信息，极大改善了使用者体验感。

5、本发明结合了当前焊缝疲劳评估最先进理论，构建了疲劳评估平台，利用本发明，可方便实现国外先进技术的工程应用(先进理论+软件平台)，利用国外先进理论解决当下最令人头疼的焊接结构疲劳失效问题。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2为t型单边焊接接头载荷与约束示意图。

图3为t型单边焊接接头焊线节点示意图。

图4为t型单边焊接接头焊线单元示意图。

图5为t型单边焊接接头变形示意图。

图6为t型单边焊接接头应力示意图。

图7为wsf程序启动菜单。

图8为wsf程序启动界面。

图9为数据库管理界面。

图10为材料参数输入界面。

图11为计算完毕及绘图。

图12为文本结果输出。

图13为点击damage按钮进行疲劳评估的参数界面。

图14为疲劳评估结果文本文件。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行进一步地描述。

wsf程序运行实施例如下：

按照图1所示流程，对一个t型单边焊接接头的焊缝疲劳寿命进行评估。

1.问题描述

如图2所示，一个t型单边焊接接头，计算焊缝位置疲劳性能，在hypermesh中建立有限元模型，同时在模型中生成焊线节点组(weld_1_n)和焊线单元组(weld_1_e)，焊线节点及焊线单元如图3-4所示。

2.得到有限元分析结果

hypermesh生成有限元模型，利用hypermesh软件导出ansys计算文件，在ansys环境中导入文件进行计算，得到t型接头有限元分析结果如图5-6所示。

3.wsf程序启动

在ansys环境中，点击“焊缝疲劳评估”启动wsf程序，程序菜单和启动界面如图7-8所示，在上述启动界面中，“分析后处理”模块可以进行第i条焊线(weld_i_n和weld_i_e)相关信息的处理，包括定义、修改、删除、导入导出等，在“其他功能”模块可以实现载荷谱、s-n曲线数据库管理功能，如图9所示。

4.wsf疲劳评估计算流程

在图8所示的wsf主界面下选取“结构应力法疲劳评估-asme标准”模块，激活结构应力法计算程序。点击wsf_s计算按钮，弹出等效结构应力计算参数界面，如图10所示。输入计算参数，点击确定，完成计算，生成等效应力计算数据，同时绘制等效应力曲线，如图11所示，可以在输出文件ssresult.out中查看不同工况下焊线节点信息、焊线单元信息、等效结构应力等信息，如图12所示。

在上述结构应力计算基础上，继续进行疲劳损伤计算，点击damage快捷按钮，调用疲劳损伤分析对话框，对话框中输入材料类型、疲劳损伤分析类型、置信参数、工况等信息，如图13所示，程序自动调用等效结构应力计算结果和s-n曲线参数进行疲劳损伤计算，计算结果保存在dlresult.out结果文件中，如图14所示。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。