焊接结构疲劳评估教程.ppt

TheMesh InsensitiveStructuralStressMethodforFatigueEvaluationofWeldedStructures焊接结构疲劳评估的网格不敏感结构应力方法 Dr PingshaDong董平沙博士ProfessorandNorthropGrummanEndowedChair教授诺斯普 格鲁门荣誉主席Director CenterforAdvancedMarineStructuresandFabrication CAM SF 先进船舶结构与工艺中心主任SchoolofNavalArchitectureandMarineEngineering海洋结构与船舶工程学院TheUniversityofNewOrleans新奥尔良大学 TrainingCourse培训教程 pdong uno edu 2006 2009PingshaDongAllRightsReserved 目录 焊接疲劳基本相关术语和定义材料性能的影响残余应力的影响几何不连续性的影响传统方法描述结构应力方法 I 结构应力定义与数值实现焊缝的表示方法与其它方法 如ASME IIW等 的比较和示例结构应力的度量方法与确认结构应力方法 II 一般的结构应力计算过程边界细节的处理计算实例多轴结构应力状态的特征点焊激光焊演示 工作流程 结构应力后处理器试用版主S N曲线方法基于K的结构应力求解技巧与验证双态裂纹生长模型与验证等效结构应力幅参数与验证基于结构应力的寿命预测过程失效 焊线定义 焊缝表示方法等疲劳测试的含义寿命预测实例其它应用焊喉开裂多轴疲劳低周疲劳与热疲劳电子封装中的焊料疲劳 8121631475763717587103115118130135140144158165174185216226234249254268282289 MajorAwardsandRecognitionsRecentlyReceived最近获得的主要奖励与荣誉 IIW2008PatonPrizeSNAME2007ElmerLHannAwardR DMagazine sR D100Award 2006 TIMEMagazine2005MathInnovatorsAviationWeek SpaceTechnology Aerospace2004LaurelsAwardSAE2004WeldChallenge BestLifePredictionWinnerAWS2004R D ThomasAwardSAE2003HenryFordIIDistinguishedAwardforExcellenceinAutomotiveEngineeringASME2002G E O WideraLiteratureAward AnOverviewofAdvancedWeldModelingCapabilities FusionWelding先进焊接建模能力概览 熔化焊 AnOverviewofAdvancedWeldModelingCapabilities SolidJoining先进焊接建模能力概览 固态连接 FatigueofWeldments SomeFundamentals焊件疲劳 基本知识 Somerelevantterminologiesanddefinitions一些相关术语和定义What sspecialaboutweldments 焊件有哪些特性 Stressconcentration应力集中 Materialproperties材料属性 Residualstresses残余应力 Whatdecadesofresearchsay 近几十年的研究对此的描述 Limitationsofconventionalfatiguedesignmethods传统疲劳设计方法的局限 Whatconstitutesagoodfatigueparameter 哪些物理量构成好的疲劳参数 TerminologiesDescribingATypicalWeldedJoint描述一个典型焊接接头的术语 Materialzonesinajoint接头材料区域Basemetal母材 BM Heat affectedzone热影响区 HAZ Weldmetal焊材 WM Geometriclocations几何位置Weldtoe焊趾Weldthroat depth焊喉 焊深Weldroot焊根 RelevantFatigueTerminologiesandDefinitions I相关疲劳术语和定义 I Cyclicloading循环载荷Nominalstressatafailurelocation e g weldcrackintobaseplate失效位置的名义应力 例如 侵入母材的焊接裂纹处F Wt Mc lNominalstressrange名义应力变化范围 F Wt Mc l RelevantFatigueTerminologiesandDefinitions II相关疲劳术语和定义 II Maximumstress最大应力Minimumstress最小应力Stressrange应力变化范围 Meanstress平均应力 WhatsSpecialaboutWeldedJoints 焊接接头的特殊之处 PropertyHeterogeneity材料性质的多样性 母材BM 焊材WM 热影响区HAZ ResidualStresses残余应力GeometricDiscontinuities几何不连续性 PropertyVariationinWeldedJoints焊接接头材料性质的变化 Process inducedinducedpropertyheterogeneity焊接过程导致的材料性质的多样性 WMstrengthmismatchbydesign焊材强度设计的不匹配 HardenableSteel可硬化的钢材 BM WM HAZPropertyHasLittleEffectonFatigueofWeldedJointsBM WM HAZ的性质对焊接接头疲劳影响很小 ComparisonofFatigueStrengthbetweenPlainMetal NotchBar andWeldedSpecimens普通金属 带缺口金属条与焊接试件之间疲劳强度的比较 Figure2 Influenceoftensilestrengthonthefatiguestrength图2 抗拉强度对疲劳强度的影响 BMStrengthsvs FatigueLife Lewis 2001 母材强度与疲劳寿命 Lewis 2001 TRIPvCMn350 UnweldedSteelTRIPvsCMn350andMildSteel WeldedSteel未焊接钢材焊接钢材 WeldResidualStressEffectsonFatiguePerformance WeldSequencing焊接残余应力对疲劳性能的影响 焊接顺序 PassSequenceEffectsonTransverseResidualStresses焊道顺序对横向残余应力的影响 TravelSpeed LinearHeatInput Effects TransverseResidualStresses焊接速度 线性热输入 对横向残余应力的影响 RestraintEffectsonTransverseResidaulStresses约束对横向残余应力的影响 HighRestraintLowRestraint强约束弱约束 ResidualStressDistributionsinSomeTypicalJointTypes一些典型焊接接头的残余应力分布 Then HowtoTreatResidualStressEffectsinFatigueDesigninPractice 在实际疲劳设计中应如何处理残余应力的影响 Conductcontrolledfatiguetesting采用控制疲劳测试Effectsonappliedmeanstresses对施加的平均应力的影响As weldedversusstress relieved焊态与应力释放Testspecimensmustcontainrepresentativeresidualstressstateinstructures试件必须包含结构中主要的残余应力状态Specimensizing试件尺寸Residualstressinducedtri axialityversus shake down Effects残余应力引起的三轴与失稳 的影响 ModelorSpecimenSizeMustBeSufficientlyLargetoQuantifyResidualStressEffects模型或者试件的尺寸应该足够大以量化残余应力的影响 AButtJoint对接接头 Platejoints w t 6平板接头w t 6 ResidualStressandJointConstraintEffectsonLocalStress StrainBehavior残余应力和接头约束对局部应力 应变行为的影响 TestSpecimenSizeRequirementsforContainingWeldResidualStressEffects试件尺寸要求包含焊接残余应力效应 AxialResidualStress轴向残余应力 Tubegirthweldlength 2 5sqrt rt 圆管环焊缝长度 2 5sqrt rt TubularGirthWeld管状环焊缝 ResidualStressEffectsonFatigueBehaviorofWeldedJoints ExperimentalEvidence残余应力对焊接接头疲劳行为的影响 试验验证 StressratioisNOTimportant应力比并不重要Stressrangeisimportant应力幅是关键因素Compressivecyclicloadingcanbeequallydamaging压缩循环载荷同样可以引起材料破坏 RecentS NDatafromHHI MeanStressEffectsonS NBehaviorHHI的最新S N数据 平均应力对S N行为的影响 ComparisonofFatigueTestDatawithDifferentStressRatioorMeanStressEffects As Welded在不同应力比或平均应力效应下疲劳测试数据的比较 焊态 ComparisonofFatigueTestDatawithDifferentStressRatioorMeanStressEffects AsAs WeldedvsStress Relieved在不同应力比或平均应力效应下疲劳测试数据的比较 焊态与应力释放 StressReliefPost WeldHeatTreatment PWHT 焊后热处理 PWHT 的应力释放 UniformPWHT CertainmagnitudeofresidualstressesstillretainedinidealPWHT整体热处理 理想的热处理下仍然存在一定的残余应力OthertreatmentssuchaslocalPWHT其它处理方式比如局部热处理higherresidualstressesretainedthanuniformPWHT比整体热处理方式存在更多的残余应力higherresidualstressesthanas weldedconditionsmayresult可能比焊态条件下的残余应力水平更高 Observations ResidualStressEffectsonFatigue小结 残余应力对疲劳的影响 Adequatespecimensizeisimportantinfatiguetestingtoretainrepresentativeresidualstressstatesinactualstructures为包含实际结构中主要的的残余应力状态 要求进行疲劳测试时要保证足够的试件尺寸Perhaps themostsignificanteffectsofresidualstressesinweldedjoints 焊接接头中残余应力最重要的影响 S NdatanotsensitivetoappliedmeanloadormeanstressS N数据对施加的平均载荷或平均应力不敏感Stressrangeservesasagoodparameterforimplicitlyincorporatingresidualstresseffects应力变化范围是一个包含残余应力效应的很好的参数Withoutadequatecontrolofwelding assemblyprocedures anyattemptstoincorporateresidualstressesinfatigueassessmentarefutile对焊接 组装过程没有足够的控制 任何在疲劳评估中考虑残余应力都没有效果Stressrelievedconditions theimprovementinfatigueisnotSignificant应力松弛条件 对疲劳性能的改善不明显 GlobalGeometricDiscontinuities整体几何不连续性 GMAweldsGMA焊缝RSWorplugweldRSW或塞焊Laserwelds激光焊 GlobalversusLocalDiscontinuitiesinWeldedJoints焊接接头中的整体和局部不连续性 EffectsofGeometricDiscontinuitiesonFatigueBehaviorinWeldedJoints UniqueS NCurveSlope几何不连续性对焊接接头疲劳行为的影响 唯一的S N曲线斜率 Uniquefeaturesforweldments 焊接件的特性Differentslopefromsmoothbarspecimens光滑试件具有不同的斜率Uniqueslopeofabout3唯一的大约为3斜率 DifferentJointGeometries不同的接头几何 EffectsofGlobalGeometricDiscontinuities Well DefinedFailureModesinWeldedJoints整体几何不连续性的影响 焊接接头合适的失效模式 DominantModes 主要模式Mode A 模式 A Mode B 模式 B Mode A 模式 A Desirable需要的Easiertoanalyze更易于分析Mode B 模式 B Leastdesirable很少需要Largedatascatter大量数据呈离散性Jointgeometrandloadingmodedetermineswhichmodedominates接头几何和载荷模式决定哪种失效模式为主 JointGeometryEffectsonNominalStressRangeversusCycletoFailure WeldToeFailure 接头几何对名义应力变化范围与失效 焊趾失效 循环次数的影响 Stressdefinition Nominalstressrange F A 应力定义 名义应力副 F A ThicknessEffects厚度的影响 LoadingModeEffects TensionversusBending载荷模式的影响 拉伸与弯曲 Implication StressConcentrationistheMostImportantParameterGoverningFatigueLifeinWeldedJoints推论 应力集中是决定焊接接头疲劳寿命的最重要的参数 Dominatedbygeometricandloadingconditions取决于几何和载荷条件Jointtype geometry接头类型 几何Loadingmode载荷模式Thickness厚度 Weldsize etc 焊缝尺寸等 Stressconcentrationdetermination deceptivelysimple应力集中的确定 看起来简单 NotchStressDetermination缺口应力的确定 Kt onlywell definedforagivennotchradius Kf 只在给定缺口半径时才有很好的定义Tooarbitrarytoworkinpractice太随意以至于无法应用Toosmallanelementsizetobepractical太小的单元尺寸不切实际Localnotchgeometryinweldedjoints randominnature焊接接头中的局部缺口几何 本质上是随机的 NotchRadius 缺口半径 StressConcentrationBehavioratWeldedJoints焊接接头处的应力集中行为 Difficulties 一些困难Singularityatsharpnotch在尖锐缺口处奇异Artificialradius well tooartificial人为定义的半径 太随意TypicalSCFdeterminationmethods典型的确定应力集中因子的方法Straingaugebasedmeasurements基于应变片的测量Gaugelocation size 应变片位置 尺寸Referenceposition 参考位置Finiteelementanalysis有限元分析Mesh sizesensitive对单元尺寸敏感Elementtypesensitive对单元类型敏感 HowAboutExtrapolationtotheWeldToeUsingSurfaceStresses HotSpotStress HSS Methods 将表面应力外推到焊趾位置 热点应力 HSS 方法 e g anIIWrecommendedprocedure例如 一种IIW推荐的方法 aconceptusedforoffshoretubularStructures 一种用于船体管状结构的概念 Severeelementsize typesensitivity 严重的单元尺寸 类型敏感性 SurfaceExtrapolationBasedHSSMethodWhenUsingConvergedMesh PlateJoints当使用收敛网格时基于HSS方法的表面应力外推 板接头 S NdatafromthesixjointtypescanbegroupedintoatleastfourdistinctS Ncurves从六种接头类型得到的S N数据至少可以归纳为四条不同的S N曲线Detailedstresscalculations 详细的应力计算 twodistincttypesofdistributions两种不同的分布类型SCF LinearSolidElementModelswithMeshSize 0 1t尺寸约为0 1t的线性实体单元模型 DifferenceinSurfaceStressGradientsbetweenTubularversusPlateJoints管接头和板接头之间表面应力梯度的区别 Stressgradients 应力梯度 Tubularjoints moreglobal管接头 更具整体性Platejoints morelocalized板接头 更具局部性 DistancefromWeldToe Summary ImportantObservationsonFatigueBehaviorinWeldedJoints小结 焊接接头疲劳行为的重要结论 Fatiguefailuresfollowafewdistinctfailuremodes e g toecrack throatcrack etc 疲劳失效遵从几种截然不同的模式 例如 焊趾裂纹 焊喉裂纹等BM WM HAZpropertiesarenotimportantwithinabroadclassofmaterials对这一类材料来说 BM WM HAZ材料属性是不重要的Meanstresseffectsarenotsignificant平均应力的影响不显著Presenceofhighresidualstresses高残余应力的存在Stressrangeshouldbeused应当使用应力变化范围S Ncurvesexhibitadistinctslope 1 3 S N曲线表现为一个唯一的斜率 1 3 Dominatedbycrackpropagation决定于裂纹扩展Inherentcrack likediscontinuitiesactivatedbyglobalstressconcentrationcharacteristicsatwelds由整体应力集中导致的内在的类裂纹不连续性焊缝处的特性 Stressconcentrationismostimportant应力集中是最重要的Localnotchstresseffects e g weldbead toeprofile undercuts etc randominnatureandcapturedinS Ndata局部缺口应力效应 例如 焊道 焊趾轮廓 切割痕等 本质上是随机的并且可以反映在S N数据中Areliablemethodisneededforcharacterizingglobalstressconcentration overalljointgeometryeffect 为反映整体应力集中的特性 需要一种值得信赖的方法 整体的接头几何效应 ConsiderationsforSCFCharacterization对SCF特性的一些考虑 Localstressescannotbereadilydeterminedformostpracticalapplications对于大多数的实际应用 局部应力并不容易得到 Singularbehavioratasharpnotch尖锐缺口处的奇异性Randomnatureofweldtoe rootlocaldetailsforassumingadefiniteradius对于假定的一个半径值来说 焊趾 焊根处的局部细节本质上是随机的 Conceptually thereshouldexistaglobalstressparameter 理论上来说 应当存在一个整体应力参数 Dominatedbyoveralljointgeometryexcludingthelocaleffects排除局部效应 而决定于整体接头几何形状 Loadmode etc 载荷模式等 Thesimplestglobalstressparameter nominalstressdefinitionperstrengthofmaterial ifapplicable最简单的整体应力参数 如果适合的话 名义应力以材料强度来定义 ABriefOverviewofConventionalStressConcentrationDeterminationMethods传统的应力集中计算方法简介 Globalstressparameterbased 整体应力参数基于Nominalstress名义应力Extrapolationbasedspotstress基于热点应力的外推Localnotchstressparameterbased基于局部缺口应力参数 ClassicalWeldClassificationApproachBasedonJointGeometry基于接头几何的传统焊缝分类方法 Alsoreferredtoas weldcategoryapproach cartoonapproach fatiguedesignrules Gurney 1967 也称为 焊缝分类方法 图表方法 疲劳设计准则 Gurney 1967 Nominalstress S Ncurves meanand 2 inlog logscalefromfatiguetests 由疲劳测试得到的对数坐标中的名义应力 S N曲线 平均和 2 Differentjointgeometries不同的接头几何 Mostlyapplicableforweldtoefailuremode大部分适用于焊趾失效模式 Limitedconsiderationsforweldthroatfailuremodes很少考虑焊喉失效模式 WeldClassificationApproach MeanS NCurveBS7608of Ref PlateThickness 16mm 焊缝分类方法 BS7608的平均S N曲线 参考板厚 16mm Atotalof8S Ncurvesprovidedbasedlabspecimentests实验室试件测试一共提供了8条S N曲线 Fatigueevaluationprocedure 疲劳计算过程 Determinewhichcurve B W isapplicabletoajointofconcern确定哪条曲线适合于这种接头 Calculatenominalstress range perstrengthofmaterial由材料力学计算名义应力 变化范围 CalculatemeanlifedirectlyfromtheS Nchart ifconstantamplitudeloading如果是等幅载荷 直接由S N图计算平均寿命 Miner srulesummationifvariableamplitudeloading如果是变幅载荷 根据Miner准则进行累积 InPractice AFamilyofInfiniteS NCurvesisNeeded e g IIWsFatigueDesignRecommendations 2004 实际应用中 需要一族无限条S N曲线 例如 IIW的疲劳设计建议 2004 FEA BasedFatigueDesignandLifePrediction基于有限元的疲劳设计与寿命预测 Nominalstresses difficulttoextractinmostcases名义应力 在大多数情况下难以提取 Cartoon basedS Ncurvedefinitions difficulttoapply基于图表的S N曲线的定义 难以应用 Solution 求解 Almostallresearchhasbeenfocusedonhowtorefinesurfaceextrapolationprocedures几乎所有的研究都集中在如何完善表面外推过程上 Theobjectives 目标 ReducedthenumberofS Ncurvesneededforfatiguedesignforengineeringstructures减少对工程结构进行疲劳设计所需的S N曲线的数量 Improvethemesh sensitivityinHSScalculations在热点应力计算时改善网格敏感性 Extrapolation BasedHotSpotStressApproach BasicDefinitionandAssumptions基于外推法的热点应力方法 基本定义与假定 Developedin70sforoffshoretubularjoints发展于70 s船体结构的管接头 Usedmembrane bendingdecompositionasanargumentforexistenceofsuchastressdefinition使用膜力 弯曲分解作为这种应力定义存在的证明 Recommendsextrapolationsusingsurfacestressextrapolationwithoutjustifyingthelinkage建议使用withoutjustifyingthelinkage表面应力外推方法进行外推 Extrapolationpositionsshouldbeoutsideoftheregiondominatedbylocalnotchstress外推位置应当在局部缺口应力控制区域之外 SurfaceExtrapolationBasedHotSpotStressMethods基于表面外推的热点应力方法 Alsoreferredtoas 也被称为 Hotspotstructuralstress热点结构应力 Structuralstress结构应力 Geometricstress几何应力 Moreattractiveinprinciplethannominalstress 从原理上比名义应力更吸引人 Applicationswherenominalstresscannotbedefined应用于名义应力无法定义的地方 PotentiallyreducedthenumberofS Ncurvesneeded潜在地减少了所需S N曲线的数目 Adoptedbyvariousfatiguedesigncodes IIWRecommendations AWSD1 1 APIRP2A BS7608 ClassSocieties FatigueGuidance Eurocode etc 被多种疲劳设计标准采用 IIWRecommendations AWSD1 1 APIRP2A BS7608 ClassSocieties FatigueGuidance Eurocode 等 RecentEN13445 PD5500etcforpressurevesselandpipingapplications最近在EN13445 PD5500等压力容器与管道标准中得到应用 ExtrapolationBasedHSSApproach IIW 04 基于外推的热点应力方法 IIW 04 NotchStressMethods缺口应力方法 Notchstressisill definedifassumingsharpnotches如果是尖锐的缺口 缺口应力很难定义 SomeresearchersareinvestigatingtheuseofnotchstresswithafictitiousnotchradiusinFEmodel一些研究人员正在研究有限元模型中假定缺口半径下的缺口应力的使用 ClassicalASMEfatigueprocedureisbydefinitionisanotchstressapproach经典的ASME疲劳设计方法从定义来看是一种缺口应力方法 relyingempiricalmethodstodetermineFSRF Kf 确定FSRF Kf 时依赖于经验方法 can tbedirectlyandconsistentlyusedforFEAbasedfatiguedesigningeneral不能直接和一致地应用于一般的基于有限元方法的疲劳设计 KtisnotequaltoKfKt不等于Kf Kf jointtypedependentandnormalizedw r tnominalstressesKf 依赖于接头类型和名义应力的正则化 Linearized stressintensity definitionsinASMEarenotthenominalstressesASME中线性化的 应力强度 的定义不是名义应力 KfisalsoDependentUponCyclestoFailureWhenScalingfromSmoothBarData从光滑试样数据进行缩放时 Kf还要依赖于失效循环数 ASMEFatigueDesignCurveDefinitionASME疲劳设计曲线定义 UsedsmoothbarmeanS Ndata使用光滑试样的平均S N数据Displacementcontrolledtests位移控制测试 Expressedusingeithernominalstrainorpseudo elasticnominalstressamplitude使用名义应变或者伪弹性名义应力幅来表达Apply2 20rule应用2 20规则 NominalStressRangeVersusN PressureVesselandPipeWeldDataversusASMEFatigueCurves名义应力变化范围与N 压力容器和管道焊接结构与ASME疲劳曲线 InSummary TheTwoMajorIssuesMustbeResolvedforReliableFE BasedFatigueEvaluation总之 为得到可信的基于有限元的疲劳评估结果 两个问题必须解决 Whatstresstouse WhichS Ncurvetouse 使用什么应力 使用哪条S N曲线 WhatConstitutesaGoodStress BasedFatigueParameter 哪些物理量构成好的基于应力的疲劳参数 Necessaryconditions必要条件 Consistencyincalculation 计算一致性 Goodmesh insensitivity好的网格不敏感性 AbilitytomeasureglobalstressconcentrationeffectsseeninTests能够度量试验中捕捉到的整体应力集中效应 Sufficientconditions 充分条件 EffectivenessinS Ndatacorrelation S N数据相关的有效性 Differentjointgeometries不同的接头几何 Differentloadingmodes不同的载荷模式 Differentplatethicknesses etc不同的板厚 等 Robustnessforpracticalapplications实际应用的稳健性 TheStructuralStressMethod PartI结构应力方法 第一部分 Requirementsforaneffectivefatigueparameter对有效的疲劳参数的要求 Thenewstructuralstressdefinition新的结构应力的定义 Mechanicsbasis力学基础 Equilibriumarguments平衡条件 SSdeterminationprocedures结构应力计算过程 SimpleFEA basedprocedures简单的基于有限元方法的过程 Measurementprocedures测量过程 ValidationbycorrelatingS Ndata与S N数据相关的证明 SimilaritiesanddifferencesbetweentheSSandotherglobalstressparameters 结构应力与其它整体应力方法的异同Symmetryandanti symmetry对称与反对称 DemoofmanualSScalculationproceduresusingFEmodel使用有限元模型 手动计算结构应力的过程示例 Straightandcurvedlapfilletwelds直线和曲线搭接焊缝 In planegussetattachments面内搭接附件SSmeasurementsandcalculationsfromFEmodel基于有限元模型的结构应力度量与计算 Shearlockingeffects剪切锁死的影响 RequirementsforaFEBasedStressParameterDefinitionforFatigueEvaluation疲劳评估对基于有限元应力参数定义的要求 Consistencyinstressdetermination 计算应力时的一致性 e g goodmesh insensitivity例如 良好的网格不敏感性 EffectivenessinS Ndatacorrelation 与S N数据相关的有效性 Robustnessforpracticalapplications实际应用的稳健性 TheStructuralStressDefinitionfora2DProblem TractionBased2D问题的结构应力定义 基于拉伸情况 StructuralStress EquilibriumEquivalent结构应力 平衡等效 NotchStress Self Equilibrating缺口应力 自平衡 Traction BasedStructuralStressDefinitionin3D3D问题基于拉伸的结构应力定义 Ingeneral threestructuralstresscomponentsexistcorrespondingtothelinearrepresentationsofthreetractioncomponents一般情况下 相应于三个拉伸分量的线性表示 存在三个结构应力分量 Normal法向 In planeshear面内剪切 Transverseshear横向剪切 SectionA Aina2DCross SectionSectionA A C Cina3DCross Section2D横截面中的截面A A3D横截面中的截面A A C C EquilibriumConsiderationsinNumericalImplementation在数值实现中考虑的平衡条件 DisplacementbasedFEprocedures 基于位移的有限元方法 Nodalforcesanddisplacementsarethemostfundamentalquantities节点力和位移是最基本的物理量 Equilibriumconditionsarealwaysguaranteedintermsofnodalforcesatnodes butnotintermsofstresses以节点上的节点力表示的平衡条件总能得到保证 然而应力却不能保证 Theequilibrium equivalentstructuralstressescanbeextractedusing 平衡等效结构应力可以提取出来 通过使用 Balancednodalforcesfromfiniteelementoutput有限元输出的平衡节点力 Thekeystep workequivalent basedtransformationfromnodalforce momentstolineforce moments关键步骤 基于 功等效 将节点力 弯矩转换为线力 弯矩 BalancedNodalForcesfromFiniteElementSolutions从有限元解获得的平衡的节点力 GPFORCE inNASTRANNASTRAN中的 GPFORCE NFORC inABAQUSABAQUS中的 NFORC NLOAD inANSYSANSYS中的 NLOAD Propertyoftheseforces equilibriumconditionswithrespecttoeachelementandallelementstogetherareexactlysatisfied这些力的性质 无论是对于每一个单元还是所有单元 平衡条件总能精确满足 FromNodalForces MomentstoSS SimpleCalculationMethodforShell PlateModels从节点力 弯矩到结构应力 板壳模型的简单计算方法 Extractnodalforce moment M F w r teachelementalongaweldline沿着焊线对每一个单元提取节点力 弯矩 M F Obtainlineforce moment m f distributionandmaintainequilibrium Structuralstresscanthenbecalculated在保证平衡条件的情况下 获得线力 弯矩 m f 分布然后可以计算结构应力 Equilibriumconditionsbetweennodalforcesandlineforces节点力与线力之间的平衡关系Equilibriumconditionsbetweennodalmomentsandlinemoments节点弯矩与线弯矩的平衡关系 Equilibrium BasedTransformationfromNodalForcestoLineForces基于平衡的从节点力到线力的转换 StructuralStressatNodei 节点i的结构应力 ASimpleBeamBendingExample CalculateStructuralStressesatSectionA A一个简单的梁弯曲的例子 计算截面A A的结构应力 AsimplebeambendingexamplecitedinmanyFEtextbook noweld 很多有限元教科书中引用的一个简单的梁弯曲的例子 无焊缝 Duetobendingeffects elementA Asizesmustbesmall asrequiredforconventionalstresscalculations由于弯曲效应 应该像传统应力计算的要求那样 单元尺寸一定要小SS NominalStress结构应力 名义应力 t 1mm L 10mm h 2mmNominalStress BeamTheory 750MPaatnode2 750MPaatnode5名义应力 梁理论 节点2为750MPa 节点5为 750MPa ComparisonoftheNodalForceBasedStressCalculationversusFEStressOutput基于节点力的应力计算与有限元的应力输出之间的比较 FEStresses 有限元应力 118MPaw r telement 2 相对于单元 2 的应力为118MPa 235MPaaveragedbetween 1 and 2 单元 1 与 2 的应力平均值为235MPaStructuralstresscalculation 结构应力计算FEstressresultswillimproveasmeshisbeingrefined当网格细化后 有限元应力结果会有所改善 WeldRepresentationUsingShell PlateElementModel使用板壳单元模型时焊缝的表示方法 Fullpenetrationweld tworowsofplateelementswith triangleformation 全熔透焊缝 两排成 三角形形态 的板单元Partialpenetration onerowofinclinedelements部分