焊縫疲勞是焊接結(jié)構(gòu)在循環(huán)載荷作用下，焊縫及其熱影響區(qū)（HAZ）逐漸產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的現(xiàn)象。它是焊接結(jié)構(gòu)最常見的失效形式之一，尤其在船舶、橋梁、壓力容器、航空航天等領(lǐng)域需要重點(diǎn)關(guān)注。焊縫疲勞的關(guān)鍵影響因素1.

焊接缺陷

氣孔、夾渣、未熔合、裂紋等缺陷會(huì)成為疲勞裂紋的起源點(diǎn)，顯著降低疲勞壽命。2.

應(yīng)力集中

焊縫幾何形狀（如焊縫余高、咬邊、焊趾角度等）導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，加速疲勞破壞。3.

殘余應(yīng)力

焊接過程中產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力（可達(dá)材料屈服強(qiáng)度的70%以上）會(huì)疊加工作應(yīng)力，促進(jìn)裂紋擴(kuò)展。4.

材料性能

熱影響區(qū)（HAZ）因高溫可能發(fā)生晶粒粗化或脆化，降低抗疲勞性能。5.

載荷類型

循環(huán)載荷的幅值、頻率、應(yīng)力比直接影響疲勞壽命。

焊縫疲勞的評(píng)估方法1.S-N曲線法（應(yīng)力-壽命法）

通過實(shí)驗(yàn)獲得不同應(yīng)力幅值下的循環(huán)次數(shù)，繪制S-N曲線。常用標(biāo)準(zhǔn)如IIW（國(guó)際焊接學(xué)會(huì)）的疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范。3.

有限元分析（FEA）

結(jié)合彈塑性模型模擬焊縫區(qū)域的應(yīng)力分布，預(yù)測(cè)疲勞薄弱點(diǎn)。

提高焊縫疲勞壽命的措施1.

優(yōu)化設(shè)計(jì)

減少應(yīng)力集中：采用平滑過渡的焊縫形狀（如打磨焊趾、TIG重熔等）。選擇合理接頭形式：避免十字接頭，優(yōu)先選用對(duì)接焊縫。2.

控制焊接工藝

減少缺陷：通過嚴(yán)格工藝控制（如預(yù)熱、層間溫度管理）降低氣孔、未熔合等缺陷。焊后處理：錘擊、噴丸強(qiáng)化引入表面壓應(yīng)力，抵消殘余拉應(yīng)力。3.

材料選擇

選用高韌性焊材，避免HAZ脆化（如低氫焊條、控軋控冷鋼）。4.

監(jiān)測(cè)與維護(hù)

定期無損檢測(cè)（如超聲波、磁粉檢測(cè)）早期發(fā)現(xiàn)裂紋。對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行疲勞壽命監(jiān)測(cè)（如應(yīng)變片、聲發(fā)射技術(shù)）。

FE建模當(dāng)焊縫用于疲勞分析時(shí)，OptiStruct中使用殼單元進(jìn)行建模。對(duì)于不同的焊接形式，有不同的建模方法在FATSEAM卡片的WTYPE中可以選擇用于焊縫疲勞的類型。Fillet推薦用CQUAD4建模，如果使用CTRIA3那么疲勞評(píng)估只會(huì)考慮焊趾部分。

T型連接建模規(guī)則注意：焊縫單元法向朝外。焊縫單元的厚度一般等于焊喉的尺寸約等于1.414*L（對(duì)于上圖中的第二個(gè)，一般推薦設(shè)置為0.35*L）。十字連接建模規(guī)則需要在FATSEAM中額外指出為十字連接形式，另外建模時(shí)，需要具有對(duì)稱性。OVERLAP/LASEREDGEOVERLAP

建模規(guī)則焊縫單元的厚度一般等于焊喉的尺寸。疲勞評(píng)估位置

不同焊接形式，疲勞失效可能發(fā)生的位置也有所區(qū)別，對(duì)于上面介紹的幾種類型，疲勞評(píng)估位置如下表中所示：

失效準(zhǔn)則

OptiStruct中計(jì)算焊縫焊點(diǎn)疲勞壽命的方法是基于M.Fermér,MAndréasson,andBFrodin在FatigueLifePredictionofMAG-WeldedThin-SheetStructures一文中提出的算法。該方法使用沿焊縫計(jì)算的節(jié)點(diǎn)力和力矩，以及焊趾處結(jié)構(gòu)應(yīng)力的解析表達(dá)式。計(jì)算得到的應(yīng)力與實(shí)驗(yàn)確定的W?hler或S-N曲線一起使用。文中指出由膜力主導(dǎo)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的“剛性”焊接接頭具有比由彎矩控制結(jié)構(gòu)應(yīng)力的“柔性”接頭更陡的S-N曲線。觀察到所有測(cè)試結(jié)果接近這兩條S-N曲線之一。彎曲應(yīng)力與總結(jié)構(gòu)應(yīng)力(彎曲應(yīng)力+膜應(yīng)力)的比例可用于選擇合適的S-N曲線。兩條S-N曲線

由膜力主導(dǎo)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的“剛性”焊接接頭的S-N曲線；由彎矩控制結(jié)構(gòu)應(yīng)力的“柔性”接頭更陡的S-N曲線。插值確定實(shí)際S-N曲線那么這條插值曲線是如何確定的呢？

SR1_i=[SR1_m+(SR1_b-SR1_m)IF]

這里引入?yún)?shù)IF實(shí)現(xiàn)兩條曲線內(nèi)的線性插值。當(dāng)IF=0那么用的是membrane的SN曲線，而IF=1則用的是bending的SN曲線。得到了這條插值的曲線后，還需要根據(jù)不同情況對(duì)其進(jìn)行修正。厚度修正

焊縫的SN曲線是在特定厚度下得到的，而分析對(duì)象可能是任意厚度，所以需要對(duì)SN曲線進(jìn)行修正。TREF/TREF_N是材料參數(shù)，通過PFATSMW給出；通過FATPARM開啟厚度修正。平均應(yīng)力修正

支持FKMMSS平均應(yīng)力修正。

區(qū)分為4個(gè)區(qū)域，1、4不修正。例子

下面將通過一個(gè)具體例子來介紹如何在OptiStruct中進(jìn)行焊縫疲勞計(jì)算的過程，以及會(huì)用到的卡片。

焊縫疲勞的整個(gè)卡片組成如下：①單元類型屬性指定：FATDEF-FATSEAM-PFATSMW

②控制參數(shù)：FA