ANSYS平臺下主S-N曲線法的開發應用

高吉娥，陳強

（1.青島威奧軌道股份有限公司，山東 青島 266108；2.中車青島四方機車車輛股份有限公司 技術中心，山東 青島 266108）

0 引言

焊接結構是日常生產中最為常見的結構形式，汽車、高鐵、航空等高科技領域中一些重要的構件也是由焊接結構組成的，焊接工藝的特殊性導致了材料的不均勻性，這就不可避免地會產生焊接微裂紋等細小缺陷，在承受動載荷的運行條件下，這些微裂紋就進一步擴展，最終發生疲勞破壞。研究疲勞破壞的方法主要有試驗法和仿真模擬分析法，考慮到試驗成本和周期問題，一般先通過仿真模擬分析發現容易發生疲勞破壞的危險點，進行結構優化改進。ANSYS是目前使用最為常用的仿真分析軟件，廣泛應用于結構、流體、電磁等領域。

1 ANSYS中主S-N曲線法的計算過程

主S-N曲線法是基于斷裂力學裂紋破壞機理提出的焊接結構壽命評估的新方法，區別于傳統的名義應力法，主S-N曲線根據裂紋擴展規律定義了一種新的裂紋擴展驅動應力——結構應力[1-2]來進行壽命預測，大量焊接結構的試驗數據和系統的理論推導證明了主S-N曲線法的準確性。

結構應力Δσs由膜應力和彎曲應力兩部分組成，在ANSYS 中可以利用平衡條件計算得到，計算過程如下。

1）建立有限元模型，定義焊縫、焊點等細節特征。

2）進行ANSYS結構疲勞分析，利用焊趾截面上內力與外力的平衡條件提取整體坐標系下的焊趾處單元節點力矩陣Fiy及單元節點力矩矩陣Mix，根據坐標轉換矩陣T 轉換為局部坐標系下的單元節點力Fiy′、節點力矩Mix′）。其中，x′方向為沿焊縫方向，y′向為垂直于焊縫方向，如圖1所示。

圖1 焊縫局部坐標系

3）已知焊趾單元處節點力Fiy′、節點力矩Mix′和長度等效轉換矩陣L，基于虛功等效原理求解焊趾單元的線力fiy′、線彎矩mix′，轉化方程為：

其中長度等效轉換矩陣

根據焊趾單元節點線力、節點線彎矩及焊趾所在截面的板厚t，采用結構力學中的薄膜應力計算公式求解結構應力為

學校固定資產的管理工作是學校當中各相關管理工作的重要組成部分，學校通過傳統的管理模式進行人工管理工作，這種傳統的管理模式通常都會發生核算不精準、不規范甚至出現其他混亂現象的產生，從而發生學校對于固定資產進行清產核資工作時經常出現漏查、產生錯誤數據等各種情況，從而導致學校固定資產出現流失，學校出現財產損失的情況。

4）求解等效結構應力為

2 ANSYS平臺下的開發工具

2.1 Tcl/tk腳本語言

Tcl/tk[3-4]腳本語言，是一門專門用來開發圖形控制界面的語言，具有方便、快捷、直觀的特點。Tcl （Tool Command Language）命令的執行過程和語法規則與C語言類似，包含了豐富的變量與表達式命令；Tk則是在Tcl語言基礎上用來創建圖形界面的工具箱，豐富的組件類別（常用的框架、標簽、按鈕、輸入框等）滿足了常用的界面設計，幾何管理器則主要用來管理組件，使界面更為美觀大方。按鈕組件根據需要可以執行指定的操作，通過command選項綁定要執行的過程，過程是由proc命令創建的，是一系列tcl命令的集合，方便調用的過程塊。

創建一個文本輸入對話框（如圖2）的命令如下：

圖2 文本輸入對話框

2.2 參數化設計語言-APDL

APDL[5]即ANSYS Parametric Design Language，是一種通過參數就可以實現設計意愿的程序語言。和Fortran語言類似，APDL可以進行參數、表達式、矩陣、向量、函數等運算，支持if-else-then、do循環結構，還可以訪問ANSYS數據庫，給ANSYS的二次開發提供了良好的開發接口。

常用的賦值命令：

以下命令用于提取節點X、Y、Z坐標并存儲到對應數組中：

宏文件是ANSYS命令的集成打包，實現特定功能的命令流可以保存為后綴名為.mac的宏文件，封裝在ANSYS后臺調用。根據設計需要宏文件可以單獨輸入參數還可以直接調用其他宏文件，以便滿足使用者的設計意圖。

以在ANSYS中創建一個圓錐臺模型為例，命令流如下：

將以上命令保存為后綴名為.mac的gerometry.mac宏文件，并存儲在ANSYS的當前工作目錄下，就可以實現利用工具條調用宏文件：

*abbr, userMac, gerometry #創建調用gerometry宏文件的按鈕userMac

單擊ANSYS toolbar中的新按鈕USERMAC，就會立即執行宏文件命令在圖形窗口創建一個圓錐臺實體模型。

2.3 Tcl/tk 和APDL的數據交換

Tcl/tk 和APDL的數據交換依賴于ANSYS API 函數[6]，主要有以下方式：

ans_sendcommand: 向ANSYS傳遞APDL命令；

ans_getvalue: 從ANSYS 數據庫中獲取變量；ans_getvector:從ANSYS數據庫中獲取向量；

ANSYS可以通過命令行輸入方式來調用tcl腳本文件，調用通過以下3種命令：

為方便起見，常用的APDL命令還可以封裝為宏文件存儲在ANSYS的APDL安裝目錄下，啟動ANSYS即可在工具條中恢復宏文件調用按鈕。

2.4 主S-N應用界面開發

主S-N應用主界面由Tcl/tk開發創建，計算用到的宏文件由APDL命令組成，通過tk組件來綁定要執行的宏文件來完成計算過程，應用界面還進行了漢化處理，使計算操作過程更為簡單快捷。

應用界面主要分為4個模塊：焊縫信息定義模塊、疲勞工況設置模塊、疲勞參數選擇模塊、計算執行及通用后處理模塊。使用時首先對焊縫細節進行參數設置（包括焊點及板厚信息）、選取疲勞參數（中值疲勞曲線參數、2σ疲勞曲線參數、3σ疲勞曲線參數、疲勞循環次數等參數），然后執行計算操作（計算按鈕），計算結束后彈出solution is done計算完成提示信息，通用后處理模塊查看結構應力、等效結構應力及累積損傷的計算結果。界面中的按鈕組件分別綁定了相應的執行過程來調用預先創建好的APDL 宏文件，實現了各疲勞結果計算過程的自動化。應用界面還設置了中文幫助文件的說明，指導使用者操作。

為方便調用，在ANSYS 工具欄中創建了S-N按鈕（如圖3）來調用主S-N曲線應用主界面，應用主界面如圖4所示，其幫助文件說明如圖5所示。

圖3 應用主界面調用按鈕

圖4 主S-N曲線法應用主界面

圖5 幫助文件界面

3 應用實例

3.1 T型鋼焊接結構

T型焊接鋼板有限元模型如圖6所示，模型用shell181單元建模，底端固定約束，在端部（箭頭處）施加壓力載荷。定義關鍵焊縫單元和焊縫節點，其中weld_1_n為裂紋沿焊趾向厚度方向擴展的焊縫節點；weld_2_n為裂紋沿焊根方向擴展的焊縫節點；weld_3_n為焊喉擴展裂紋的焊縫節點。

圖6 T型鋼焊接結構有限元模型

3.2 計算結果分析

為驗證ANSYS平臺下主S-N曲線法計算結果的可靠性，同時在疲勞專用分析軟件FE-Weld中對關鍵焊縫進行疲勞分析。兩種平臺下計算的等效結構應力（基于結構應力的計算結果，不再進行重復對比結構應力）對比如圖7～圖9所示，圖中選取了部分節點進行結果對比。

圖7 第1條焊縫等效結構應力對比

圖8 第2條焊縫等效結構應力對比

圖9 第3條焊縫等效結構應力對比

由以上等效結構應力的對比發現：除焊縫端部的誤差較大，其余節點計算誤差都很小。這是由于計算過程中，端部節點力的計算僅考慮了端部焊縫單元的影響，沒有更多的相鄰單元來參與計算。這就證明了ANSYS平臺下主S-N曲線法計算結果的準確性。

4 結論

1）本文基于Tcl/tk和APDL對ANSYS進行二次開發并創建了漢化的主S-N曲線法的自動計算模塊，豐富了ANSYS的后處理功能，實現了ANSYS平臺下主S-N曲線法的應用推廣。

2）對比專業的疲勞分析軟件FE-Weld里T型焊接鋼結構的計算結果，該應用的計算誤差中，除第3條焊縫端部起始節點處的12.15%外，其余均在10%以內，ANSYS平臺下主S-N曲線法疲勞計算具有很高的準確性、可靠性。