На сегодняшний день существует множество программных продуктов, которые позволяют выполнить расчёт сварных швов.

Например:

• для выполнения расчётов усталостной долговечности: fe-safe (по методу Verity и другим), nCode (по методу Volvo и другим) и др.;
• для выполнения статических расчётов: FEWeld, Weld Strength и др.

Рисунок 1 – Распределение эквивалентных напряжений по Мизесу

Чтобы лучше понимать, что происходит внутри этих программных продуктов, в данной статье мы рассмотрим небольшой пример расчёта статической прочности шва.

Одной из лучших книг на тему расчёта сварных соединений является классический справочник Блоджетта (Blodgett) «Design of Welded Structures» (на английском языке). Эта книга – настоящая жемчужина. Очень советую также ознакомиться с другими работами этого же автора, в частности, книгой «Welded Connections» (на английском языке).

Принятая методика

Я наткнулся на очень хорошую статью от компании Weaver Engineering, в которой представлен пример решения задачи и приведено сравнение результатов аналитических и численных расчётов. Рассматриваемая модель описана достаточно детально, поэтому я решил воспроизвести её в Ansys. Это отличный первый шаг при изучении новой темы по принципу «ползком, пешком, бегом».

Расчётная модель

На рисунке 2 представлены основные настройки модели, которые необходимо задать, причём сделать это нужно обязательно до запуска расчёта. В частности, для дальнейшей обработки результатов расчёта и удобства работы с выборками необходимо сохранить силы в узлах (Nodal Forces) и базу данных в формате «db» («Save MAPDL db» > Yes).

Рисунок 2 – Задание настроек расчёта

Далее с помощью команд на языке APDL выбираются элементы на краю приваренной пластины и определяются усилия в узлах на линии сварного шва. Используется команда FSUM, которая, согласно справочной документации: «суммирует и выводит действующие в выбранных элементах (присоединённых к выбранным узлам) узловые силы и моменты по каждой оси для всего выбранного набора узлов». Для определения «расчётной длины» участка сварного шва, соответствующей полученной нагрузке, было принято среднее расстояние от рассматриваемого узла до двух соседних узлов на сварном шве (для получения более детальной информации ознакомьтесь с ADPL-командами, приложенными в конце этой статьи).

И наконец, для исследования чувствительности результатов к плотности сетки используется приложение Ansys DesignXplorer, интегрированное в платформу Ansys Workbench, при этом в расчёт добавляются APDL-команды для автоматического экспорта результатов в текстовый файл после расчёта каждой конфигурации. Подобные командные вставки были рассмотрены в этой статье (на английском языке).

Результаты

Рисунок 3 – Результаты, полученные в Ansys для сеток разной плотности

В результате аналитического расчёта, представленного в статье от компании Weaver Engineering, максимальная погонная нагрузка на угловой шов (fw) составила 2390 lbf/in (фунта силы на дюйм), см. график на странице 5. В результате численного расчёта модели в Ansys, эта величина составила 2775 lbf/in при разбиении на 10 элементов вдоль сварного шва (WELDFORCE10.txt). С увеличением количества элементов увеличивалось и максимальное значение погонной нагрузки в крайних точках пластины. В данном расчёте, похоже, мы имеем дело с зоной сингулярности. Однако при экстраполяции значений, полученных вдали от зоны сингулярности, значение на краю шва сходится к величине немногим менее 3000 lfb/in, что хорошо согласуется с результатами численного расчёта методом конечных элементов, представленными в статье.

Исходные файлы:

Архив проекта Ansys Workbench версии 18.2.
Командная вставка на языке APDL для Ansys Workbench Mechanical.
Скрипт для построения графика в Octave/Matlab.

Источник: ansys.soften.com.ua