虛擬貼片法計算焊接結構結構應力的方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種通過在焊接結構區域設置虛擬貼片的方法，計算焊接結構結構應 力的方法。設及專利分類號G01測量；測試G01L測量力、應力、轉矩、功、機械功率、機械效 率或流體壓力G01L1/00力或應力的一般計量。
【背景技術】
[0002] 在美國ASME(2007)標準中，計算疲勞壽命的公式里用到了結構應力該樣一個參 數，且在該個標準中結構應力是用W下方法獲得的：
[0003] 1.在結構的有限元模型中，提取節點力；
[0004] 2.用節點力計算結構應力；
[0005] 然后，再用結構應力計算焊縫上的疲勞壽命。
[0006]董平沙教授的專著《T肥MAST邸S-N CURVE MET冊D AN IMPLEMENTATIONFOR FATIGUE EVALUATION OF WELD抓COMPO肥NTS IN THE ASME B&PV CODE, SECTION VIII，DIVISION 2AND API 579-1/ASME FFS-1》(2011年，美國）中，對網格不敏感計算結構 應力的數值方法進行了詳細討論，結構應力定義的物理意義也在考慮平衡條件的基礎上， 用基本的材料力學理論進行了討論，然后很自然地提出的問題就是，該樣的結構應力是否 可W用實驗的手段進行測量。
[0007] 圖1和2所示，結構應力定義中的膜力和彎曲分量可W通過同時在上表面和下表 面使用一系列應變片進行計算，
[0008] 例如A-A截面處的結構應力，如果兩排應變片炬-B和C-C)被置于焊趾附近為線 性應力分布區域，則截面B-B和C-C處的彎曲應力可W基于上下表面的測量結果計算得到 (1 式）。
[0011] 需要注意的是，如果截面B-B和C-C之間沒有外荷載存在，則截面彎矩的變化可W 表不為：
[0012]
(2)
[0013] 該里I表示Z方向單位長度的截面慣性矩。然后，焊縫（A-A)處的結構應力可W 根據相應于B-B和C-C處的彎曲應力使用外推方法進行計算（2式）。
【發明內容】
[0016] 本發明針對W上問題的提出，而研制的一種應用虛擬貼片計算焊接結構結構應力 的方法，具有如下步驟：
[0017] S100.根據給定的邊界條件，創建焊接結構的有限元模型，在該模型中定義包括焊 肉的有限元網格；
[0018] S200.確定焊趾附近的線性應力分布區域，在該區域設置虛擬應變片；
[0019] S300.根據虛擬應變片在有限元單元中的位置，通過插值的方法確定虛擬應變片 位置的方向應力；對于兩組虛擬應變片，接近焊趾區域的B截面位置和遠離焊趾的C截面位 置，將方向應力帶入公式：
[0020]
( 1 )
[0021] 求得兩組應變區域位置處的彎曲應力，〇T。。為應變片設置區域上表面的彎曲應 力，〇8。《?為應變片設置區域下表面的彎曲應力；將BC截面的彎曲應力帶入公式（3)，得到 結構應力〇S;
[0024] 式中，0S代表結構應力，.0 b代表彎曲應力，C品P是B截面的上表面方向應力，1 是C面到B面的距離如是C面的彎曲應力。
[0025] 所述步驟S300具體包括如下步驟：
[0026] S310.判定虛擬應變片位于有限元單元中的具體位置，該具體位置包括位于：有 限元單元內部、有限元單元邊界上或有限元單元節點上；
[0027] S320.虛擬應變片位于有限元單元內部時，提取該有限元單元各節點垂直于焊縫 方向的應力；通過二次平均法計算所述虛擬應變片位置的方向應力；
[002引 S330.虛擬應變片位于有限元單元邊界上時，提取該有限元單元邊界上兩節點的 應力；通過一次平均法計算所述虛擬應變片位置的方向應力；
[0029] S340.虛擬應變片位于有限元單元節點上時，提取該有限元單元節點垂直于焊縫 方向的應力，作為虛擬應變片的方向應力。
[0030] 所述步驟S320中二次平均法具體包括如下步驟：
[0031] S321.定義經過虛擬貼片位置k、且垂直于焊縫的向量分別與有限元單元的兩邊 交于kl和k2,虛擬貼片將該向量在有限元單元內線段分為e和f兩段；
[0032] S322.通過公式，
[0035] 計算kl和k2的應力插值；式中nl、n2、n3和n4分別為有限元單元的四個節點；
[0036] S323.通過公式，
[0037]
(6)
[003引計算得出k點，即虛擬應變片位置的方向應力。
[0039] 當有限元單元為立角形單元時，所述的nl和n2節點重合；通過公式
[0042] 計算kl和k2位置的應力插值。
[0043] 所述步驟S330中一次平均法具體包括如下步驟：
[0044] S331.定義經過虛擬貼片位置、且垂直于焊縫的向量分別與有限元單元的邊交于 k點；所述邊的兩端點分別為nl和n4 ;
[0045] S332.通過公式，
[0046]
(9)
[0047] 計算虛擬應變片位置k的應力插值，為虛擬應變片的方向應力。
[0048] 通過查看有限元軟件的應力分布云圖或節點彎矩計算結果看是否滿足如下公式
[00 例
（2)
[0化0] 其中t為板厚度，如果滿足就是線性應力分布。
[0化1] 最接近焊縫的虛擬貼片與焊趾之間的距離不超過板厚的3-5倍。
[0化2] 由于采用了上述技術方案，本發明提供的虛擬貼片法計算焊接結構結構應力的方 法，相對于現有技術中采用間接法計算結構應力適應性更高，不比事先與某個有限元節點 力輸出文件綁定；如果在創建有限元網格時，將有限元節點與貼片對應，算法效率將成倍提 局。
【附圖說明】
[0化3] 為了更清楚的說明本發明的實施例或現有技術的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖做一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是 本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可 W根據該些附圖獲得其他的附圖。
[0化4] 圖1為結構應力測量時應變片的基本布置示意圖；
[0055] 圖2為結構應力測量時提高測量精度的應變片布置示意圖；
[0化6] 圖3為實施例中虛擬應變片位置落在某有限元單元四邊形面內部的示意圖；[0057]圖4為實施例中虛擬應變片位置落在某有限元單元=角形面內部的示意圖；
[0化引圖5為實施例中虛擬應變片位置落在某有限元單元邊上的示意圖；
[0059] 圖6為殼單元焊縫模型及虛擬貼片位置示意圖；
[0060] 圖7為實體單元焊縫模型及虛擬貼片位置示意圖；
【具體實施方式】
[0061] 為使本發明的實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合本發明實施例 中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚完整的描述：
[0062] 如圖3-5所示，虛擬貼片法計算焊接結構應力的方法，包括如下步驟：
[0063] 首先，給定邊界條件（含外載荷）后創建有限元模型，且不管是用薄殼單元離散， 還是用塊體元離散，都可
[0064] 在有限元模型中定義焊縫；
[0065] 與圖1中物理應變片的位置對應，確定為虛擬應變片的位置；如果是用塊體元離 散，改為需要被確定的是上表面的虛擬貼片位置和下表面的虛擬貼片位