ANSYS软件在结构焊接裂纹分析中的应用.pdf

D%·焊接质量控制与管理·焊接技术第!!卷第"期#$$"年%月

文章编号：<11#71#DO6#11"）1"711D%71#

#$%&%软件在结构焊接裂纹分析中的应用

宋玉殿
（天津石化华鑫实业公司，天津!11#G’）

摘要：由于计算机技术的迅速发展，使有限元方法在工程中得到了广泛的应用。由于*+,-,软件具有建模简单、快速、方便的特点，
因而成为大型通用有限元程序的代表。针对单边穿透裂纹试件，使用*+,-,软件进行了断裂力学分析，计算了裂纹尖端的应力场分布
及应力强度因子。
关键词：应力强度因子；焊接结构；有限元；裂纹
中图分类号：K#"’>%#；LM"$D文献标识码：N

焊接裂纹是焊接结构中危害最大的缺陷之一，以往只要式（）中的是非常重要的参数，称为应力强度因子，
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探测出来，一律不允许存在。近年来，由于断裂力学的发展，它是衡量裂纹尖端区应力场强度的重要参量，脚标!表示为!
一定条件下可以允许某种尺寸裂纹的存在。焊接缺陷，特别型（张开型），类似可以推导出型和型裂纹的和。在裂
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是二维缺陷对结构的疲劳寿命影响极大。国内外学者的研究纹尖端区，即"足够小的情形下，式（<）中"的高次项比首项小
表明：在疲劳载荷的作用下，焊接缺陷往往会引发疲劳裂纹，得多，因而可以忽略。当裂纹尖端区应力场的形式恒定时，
而且裂纹的起始阶段时间很短，结构的疲劳寿命基本由裂纹其强度完全由应力强度因子的大小来确定。由于材料为线弹
的扩展阶段控制。因此研究焊接裂纹的扩展对结构寿命估算性，裂纹尖端区的应变场和位移场可以由弹性力学公式得到。
具有重要意义&’(!)。应力强度因子是控制疲劳裂纹扩展的重要
!这里，需要注意到当""$时，即在裂纹端点，应力分量都会趋
力学参量。目前虽然已经将典型裂纹的应力强度因子汇编成
于无穷大。这种特性称为应力奇异性，产生的原因是因为裂
册，但在实际工程结构中裂纹多处于复合变形状态中，计算
纹端点是几何上的不连续点。
应力强度因子时多采用叠加法，大大增加了计算工作的复杂
由于!种基本裂纹类型裂纹尖端区的应力、应变、位移和
性与工作量。然而由于计算机技术及有限元理论的飞速发展，
应变能密度都可以由应力强度因子及其位置来决定，因此，
使焊接裂纹尖端断裂力学参量的方便计算成为现实，为此针
应力强度因子可以作为表征裂纹尖端应力—应变场强度的重
对带有单边穿透裂纹的紧凑拉伸问题对大型有限元分析软件
要参量。
*+,-,在裂纹断裂力学分析中的应用进行探讨。

"有限元模型的建立
!断裂参量数值模拟的理论基础
以含有单边穿透裂纹的紧凑拉伸试件为研究对象，由于
固体的断裂几乎总是由于物体中出现某些位移间断面而
所研究的问题具有对称性，故取试件的一半为研究对象，试
引起的。一般将裂纹问题划分为!种基本类型：类型!为张开
件示意图见图<。材料弹性模量%.#><$?@’1"ABC，泊松比).
型，其裂纹面的张开方向垂直于裂纹的扩展方向，这是工程
，裂纹长度为，试件厚度为，载荷
$>!$>$#D"E1>11<FE*1.
上常见的裂纹形式；类型"为滑开型，裂纹上下表面位移刚
!>?!GH<17"ABC。
好相反，一个沿着裂纹扩展方向，另一个背离扩展方向；类
型#为撕开型，裂纹上下表面产生方向相反的离面位移。
有限元的直接法是用有限元法求出裂纹尖端附近的一些
半对称
节点（如$./0的裂纹线上）应力分量，并代入裂纹尖端应力的渐
进表达式，计算出这些节点处的表观应力强度因子!，然后
!!
利用最小二乘法外推到裂纹尖端（）而得到裂纹尖端的的
".1!!
数值解。根据线弹性理论，!型裂纹尖端的应力场可以表示为：

!2$$!$⋯，（）
%#.3456’7589589:;<
!#&"###
对称边界情况
!2$$!$⋯，（）
%$.3456<;589589:;#图!单边裂纹紧凑拉伸试件示意图
!#&"###
由于裂纹尖端的应力应变场具有奇异性，为模拟裂纹尖
!2$!$$⋯，（）
’#$.345345589;!
!#&"###端的奇异性选取%节点奇异单元BI*+J%#对模型进行网格划
分。该类型单元一边的个节点，，退化为一个节点，两个
收稿日期：#11"71"71%；修回日期：#11"71D7#<!&’(
!"#$%&’(")*&+#+’,-+#./01+.234’.5662·焊接质量控制与管理·AT

中点!，"向裂纹尖端偏置782，以此来模拟裂纹尖端的奇异?C#JGD9HF"GGK&HLMJHF计算应力强度因子。
性。奇异单元模型见图5。为保证计算结果的精度，将裂纹尖
端的单元划分为规则的放射状，并对单元尺寸进行控制，试"计算结果
件的有限元模型及裂纹尖端模型见图0。通过对试件加载分析后处理得到该裂纹尖端的应力场分
!布及应力强度