ICS25.160.01CCSJ33團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)Weldfatigueanalysis-equivalentstructuralstressme中國(guó)焊接協(xié)會(huì)發(fā)布T/CWAN0131—2025前言 2規(guī)范性引用文件 3術(shù)語(yǔ)和定義 4基本流程 25一般要求 26仿真模型建立規(guī)則 37焊縫疲勞壽命評(píng)估 8仿真分析報(bào)告 附錄A（規(guī)范性）基于等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的焊縫疲勞分析基本流程圖 參考文獻(xiàn) T/CWAN0131—2025本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專利的責(zé)任。本文件由中國(guó)焊接協(xié)會(huì)提出并歸口。本文件起草單位：江蘇徐工工程機(jī)械研究有限公司、中國(guó)機(jī)械總院集團(tuán)哈爾濱焊接研究所有限公司、洛陽(yáng)船舶材料研究所（中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七二五研究所）、南昌航空大學(xué)、中國(guó)機(jī)械總院集團(tuán)鄭州機(jī)械研究所有限公司、中船雙瑞（洛陽(yáng)）特種裝備股份有限公司、重慶科技大學(xué)、北部灣大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)、中石化洛陽(yáng)工程有限公司、重慶三峽學(xué)院。本文件主要起草人：張貴芝、張立平、鄒吉鵬、張洪國(guó)、黃瑞生、廖志謙、陳玉華、武鵬博、劉希林、秦建、尹立孟、曹浩、余巍、李德雨、路全彬、王金富、楊玉強(qiáng)、劉大雙、張龍、方乃文、高樂。1T/CWAN0131—2025本文件規(guī)定了基于等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的焊縫疲勞分析的一般要求、仿真建模規(guī)則、求解器設(shè)置、仿真分析報(bào)告等內(nèi)容。本文件適用于基于主S-N曲線方法對(duì)焊接接頭進(jìn)行疲勞評(píng)估分析。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T31054機(jī)械產(chǎn)品計(jì)算機(jī)輔助工程有限元數(shù)值計(jì)算術(shù)語(yǔ)GB/T33582機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有限元力學(xué)分析通用規(guī)則T/CWAN0009焊接術(shù)語(yǔ)熔化焊3術(shù)語(yǔ)和定義GB/T31054、GB/T33582和T/CWAN0009界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。疲勞fatigue在反復(fù)應(yīng)力作用下，產(chǎn)生一條或多條裂紋并逐漸擴(kuò)展造成結(jié)構(gòu)件的破壞。3.2焊縫疲勞失效模式weldfatiguefailuremode焊縫疲勞失效有焊趾開裂、焊喉開裂、焊根開裂、熔合區(qū)開裂四種失效模式。圖1焊縫疲勞失效模式3.32T/CWAN0131—2025結(jié)構(gòu)應(yīng)力structuralstress考慮結(jié)構(gòu)不連續(xù)性效應(yīng)而計(jì)算得到的構(gòu)件應(yīng)力，它包括膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。3.4S-N曲線S-Ncurve疲勞強(qiáng)度和循環(huán)次數(shù)（N）之間的數(shù)量關(guān)系。3.5主S-N曲線mainS-Ncurve基于大量焊接接頭疲勞試驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，擬合出的單一通用的主S-N曲線(等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力-壽命4基本流程附錄A給出了基于等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的焊縫疲勞分析流程，具體如下：（1）指定具體待評(píng)點(diǎn)的位置；確定加載歷史，加載歷史應(yīng)包括施加于構(gòu)件的所有重要的載荷與事件；（2）如果有對(duì)焊接接頭中不同的疲勞評(píng)估點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，則轉(zhuǎn)到步驟（4）；（3）如果沒有動(dòng)應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行有限元靜強(qiáng)度分析，從計(jì)算結(jié)果中提取該部位的應(yīng)力，結(jié)合載荷譜，換算獲得各個(gè)疲勞評(píng)估點(diǎn)的應(yīng)力范圍譜；（4）對(duì)疲勞評(píng)估點(diǎn)，利用循環(huán)計(jì)數(shù)法確定各個(gè)位置的應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)次數(shù)，定義周期應(yīng)力總循環(huán)次數(shù)為M。（5）確定步驟(4)中已經(jīng)得到的第k個(gè)循環(huán)開始和結(jié)束點(diǎn)上假設(shè)裂紋面法向的彈性膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力（開始點(diǎn)為mt，結(jié)束點(diǎn)為nt）。利用這些數(shù)據(jù)，計(jì)算起始點(diǎn)膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的變化范圍，計(jì)算最大應(yīng)力、最小應(yīng)力、應(yīng)力變化范圍、平均應(yīng)力變化范圍。（6）計(jì)算第k個(gè)循環(huán)的彈性結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍。（7）計(jì)算第k個(gè)循環(huán)的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍。（8）根據(jù)焊接接頭疲勞曲線和得到的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍參數(shù)，計(jì)算循環(huán)次數(shù)Nk。（9）計(jì)算第k個(gè)循環(huán)的疲勞損傷。（10）對(duì)所有應(yīng)力變化范圍重復(fù)第8步到第9步，確定等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍。（11）計(jì)算各級(jí)載荷下的損傷比，根據(jù)Palmgren-Miner法則計(jì)算累積損傷；（12）對(duì)焊接接頭每個(gè)需要評(píng)估的位置重復(fù)第7步到第11步，計(jì)算各評(píng)估位置的疲勞壽命里程及年限；（13）編制報(bào)告，流程結(jié)束。5一般要求5.1有限元模型分析前應(yīng)符合下述要求：3T/CWAN0131—2025——應(yīng)按照GB/T33582附錄B規(guī)定選擇單位制，質(zhì)量單位選擇噸，長(zhǎng)度單位選擇毫米，時(shí)間單位選擇秒，溫度單位選擇攝氏度或開[爾文]，模型材料屬性單位應(yīng)與幾何模型單位一致；——應(yīng)選笛卡爾直角坐標(biāo)系，當(dāng)邊界條件中有力或者約束與全局坐標(biāo)系不一致時(shí)，可增加局部坐標(biāo)——焊接結(jié)構(gòu)件CAD模型應(yīng)結(jié)構(gòu)完整，裝配關(guān)系清晰明了；——有限元分析宜選用具備前處理、疲勞壽命評(píng)估及可視化結(jié)果處理功能的一個(gè)或多個(gè)軟件進(jìn)行。5.2應(yīng)按照表1推薦的形式進(jìn)行建立不同焊縫疲勞失效模式下的焊縫有限元模型。表1不同焊縫疲勞失效模式下有限元建模方式失效模式模型單元類型焊趾失效殼單元、實(shí)體單元焊喉失效實(shí)體單元焊根失效實(shí)體單元熔合區(qū)失效實(shí)體單元6仿真模型建立規(guī)則6.1幾何模型處理針對(duì)對(duì)接接頭、搭接接頭和角接接頭等不同接頭形式的焊接結(jié)構(gòu)件需進(jìn)行幾何處理，在三維CAD軟件中處理時(shí)應(yīng)符合下述要求：a)幾何模型簡(jiǎn)化不應(yīng)改變結(jié)構(gòu)的基本特征、傳力路徑、剛度、質(zhì)量分布等；b)應(yīng)對(duì)幾何模型分類、實(shí)體特征清理；c)應(yīng)刪除包絡(luò)面等無體積結(jié)構(gòu)件、臨時(shí)參考點(diǎn)、參考線、參考面；d)應(yīng)去除構(gòu)件中小于5mm的孔、深度小于3mm的淺槽和凸臺(tái)、過渡圓弧等細(xì)節(jié)特征；e)應(yīng)依據(jù)真實(shí)剛度，簡(jiǎn)化軸、螺栓、滑塊、鋼絲繩等機(jī)構(gòu)；f)焊接坡口應(yīng)清晰明了，連接件不能有穿透；6.2焊縫有限元網(wǎng)格劃分要求6.2.1殼單元模型采用殼單元建立焊接接頭網(wǎng)格模型時(shí)應(yīng)符合如下幾個(gè)要求：a)殼單元建模時(shí)，焊縫所在平面內(nèi)的單元法線方向必須一致，焊縫長(zhǎng)度方向節(jié)點(diǎn)單元要連續(xù)；b)殼單元建模時(shí)，焊縫及焊趾區(qū)域網(wǎng)格應(yīng)為四邊形單元，交叉焊縫可為三角形單元，三角形單元在焊趾及焊縫位置的比例應(yīng)小于5%；4T/CWAN0131—2025圖2殼單元模型兩條交叉焊縫網(wǎng)格劃分示意圖圖3殼單元模型三條交叉焊縫網(wǎng)格劃分示意圖c)對(duì)于對(duì)接焊縫，殼單元厚度應(yīng)為有效焊縫厚度；對(duì)于角焊縫，殼單元厚度應(yīng)為焊喉厚度，即0.707倍的焊腳高度。6.2.2實(shí)體單元模型采用實(shí)體單元建立焊接接頭網(wǎng)格模型時(shí)應(yīng)符合如下幾個(gè)要求：a)焊縫應(yīng)按照實(shí)際焊接尺寸建模；b)焊縫及焊趾相關(guān)位置應(yīng)采用六面體網(wǎng)格，其次為三菱柱網(wǎng)格單元類型；c)板的厚度方向至少要有兩層以上的單元離散，并且在中性面上有節(jié)點(diǎn)生成，且沿著板厚方向的節(jié)點(diǎn)要共線；d)焊趾?jiǎn)卧诤妇€處沿厚度方向應(yīng)在同一平面，且與板的厚度方向垂直；e)實(shí)體單元模型焊縫相交的位置優(yōu)先采用焊縫斷開的方法，也可以采用四面體單元填充交叉位置；5T/CWAN0131—2025圖4實(shí)體單元模型兩條交叉焊縫網(wǎng)格劃分示意圖圖5實(shí)體單元模型三條交叉焊縫網(wǎng)格劃分示意圖6.2.3其他通用要求仿真模型還應(yīng)滿足以下通用要求：a)焊接接頭應(yīng)分為；焊縫、焊趾、母材三個(gè)區(qū)域；b)焊線上的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)要多于5個(gè)；c)應(yīng)區(qū)分全熔透焊縫和部分熔透焊縫，全熔透焊縫位置，兩母材需要節(jié)點(diǎn)耦合，部分熔透焊縫位置，兩母材節(jié)點(diǎn)不耦合，如圖6、圖7所示；（a）全熔透（b）非熔透圖6殼單元網(wǎng)格模型示意圖6T/CWAN0131—2025圖7部分熔透焊縫實(shí)體單元模型示意圖e)對(duì)于有焊縫拐彎的位置，拐彎處的網(wǎng)格要求大于等于四個(gè)，如圖8所示。圖8拐角處焊縫網(wǎng)格劃分示意圖6.2.4不同類型焊縫建模方法6.2.4.1對(duì)于對(duì)接焊縫，殼單元有限元建模時(shí)，兩對(duì)接板抽取中面相連接，坡口線在中面投影間的幾何面作為焊縫面；若厚度相同，焊縫面平行板厚方向；不等厚板連接時(shí)，焊縫面為傾斜面。實(shí)體單元有限元建模則以實(shí)際情況為準(zhǔn)。建模示例如圖9、圖10所示。圖9對(duì)接接頭殼單元建模示例圖10對(duì)接接頭實(shí)體單元建模示例6.2.4.2對(duì)接焊縫殼單元建模時(shí)，焊縫單元厚度定義為有效焊縫厚度，部分熔透時(shí)為焊縫熔深，等厚板全熔透焊接時(shí)為板厚，不等厚板全熔透焊接時(shí)為薄板板厚。6.2.4.3對(duì)于T-型接頭，除了T字部位節(jié)點(diǎn)相連之外，殼單元以一排傾斜單元模擬，建模示例如圖11所示。兩板的厚度明顯大于焊腳的長(zhǎng)度，應(yīng)按照?qǐng)D11（b）簡(jiǎn)化處理，焊腳長(zhǎng)度1/2的位置建立一排傾斜單元模擬焊接面，焊接面與板中面采用剛性單元連接（RBE2）。實(shí)體單元以一排截面為三角形的體單元模擬，建模示例如圖12所示。7T/CWAN0131—2025（a）板厚相等及相近（b）板厚相差較大圖11T-型接頭殼單元建模示例圖12T-型接頭實(shí)體單元建模示例6.2.4.4T型接頭角焊縫焊腳尺寸為L(zhǎng)w，對(duì)于殼單元有限元模型中，焊縫的焊腳尺寸分別為實(shí)際尺寸加上對(duì)應(yīng)板厚的一半，即L=Lw+T/2，焊縫單元厚度定義為0.707Lw；對(duì)于實(shí)體單元，焊縫根據(jù)實(shí)際焊接尺寸建模，焊趾位置的確定如圖13。圖13焊趾位置確定示意圖8T/CWAN0131—20256.2.4.5對(duì)于搭接接頭，采用殼單元建模時(shí)，需將兩層板分別抽殼，板與板之間以一排傾斜單元和一排垂直單元模擬，焊腳尺寸按照實(shí)際焊腳尺寸選取，厚度為0.707倍焊腳高度；采用實(shí)體單元建模時(shí)，按照實(shí)際情況建立即可。若搭接長(zhǎng)度過長(zhǎng)，且搭接面受法向載荷，未焊部分則需建立面面之間的耦合或接觸關(guān)系。建模示例如圖14所示。（a）非熔透搭接角焊縫抽殼（b）熔透搭接角焊縫抽殼（c）殼單元模型（d）實(shí)體單元模型圖14搭接接頭建模示例6.2.4.6環(huán)焊縫、拐角焊縫建模時(shí)，應(yīng)確保相鄰兩焊趾?jiǎn)卧ň€向量夾角應(yīng)小于45度，否則會(huì)導(dǎo)致線性單元網(wǎng)格不敏感特性有所降低。建模示例如圖15和圖16所示。（a）殼單元（b）實(shí)體單元圖15環(huán)焊縫建模示例（a）殼單元（b）實(shí)體單元圖16拐角焊縫建模示例9T/CWAN0131—20256.2.4.7筋板周圈角焊縫建模時(shí)，當(dāng)遇厚的筋板與大薄板焊接時(shí)，需將筋板周圈焊，此時(shí)筋板的厚度方向應(yīng)建立焊縫單元，至少2個(gè)單元以上，建模示例如圖17所示。（a）殼單元（b）實(shí)體單元圖17筋板周圈角焊縫建模示例6.3焊線定義6.3.1焊線定義時(shí)應(yīng)對(duì)每條焊線單獨(dú)定義，區(qū)分殼單元和實(shí)體單元，指定每條焊縫起始節(jié)點(diǎn)、焊線節(jié)點(diǎn)、起始單元、參考單元，并定義成單獨(dú)節(jié)點(diǎn)集和單元集。6.3.2不同焊縫開裂模式下單元節(jié)點(diǎn)集定義應(yīng)遵循如下原則：a）焊趾、焊根失效模式下是焊接板的板厚，如圖18；b）焊喉失效模式下的板厚則是焊喉厚度；如圖18；c）熔合區(qū)失效模式下的板厚：T型接頭角焊縫的是焊腳高度，如圖18，對(duì)接接頭的是坡口面斜邊長(zhǎng)度；d）起始單元必須包含起始節(jié)點(diǎn)和至少一個(gè)焊線節(jié)點(diǎn)；e）起始節(jié)點(diǎn)位于起弧或者熄弧處均可，如果封閉焊縫，可以任意選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)；f）參考方向是起始節(jié)點(diǎn)位置處與裂紋擴(kuò)展方向相反的矢量；g）模型單元類型為實(shí)體單元時(shí)，焊接參考單元必須包括全厚度上所有的單元，還有代表環(huán)繞角度的起弧或熄弧處的全厚度單元，如圖19；h）焊喉失效模式下，焊接參考單元應(yīng)多選擇開裂平面?zhèn)鹊哪覆纳系膬膳艈卧鐖D20；i）熔合區(qū)失效模式下，焊接參考單元應(yīng)多選擇垂直開裂方向母材上的一排單元，如圖20。圖18T型接頭角焊縫焊趾、焊根、焊喉、熔合區(qū)失效模式下的板厚圖示T/CWAN0131—2025圖19環(huán)繞焊接參考單元選擇圖示（a）焊趾失效（b）焊根失效（c）焊喉失效（d）熔合區(qū)失效圖20不同失效模式下參考單元選擇圖示6.4材料定義材料數(shù)據(jù)選擇應(yīng)符合下述要求：a)應(yīng)在賦予材料前依據(jù)材料試驗(yàn)測(cè)試或者《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》把所有相關(guān)材料的彈性模量、泊松比和密度輸進(jìn)材料庫(kù)；b)應(yīng)創(chuàng)建包含材料屬性的截面特性，截面特性與單元類型對(duì)應(yīng)，并將截面特性分配給模型各區(qū)域；c)如果某結(jié)構(gòu)件簡(jiǎn)化后質(zhì)量和真實(shí)質(zhì)量不一致，應(yīng)在材料庫(kù)對(duì)其材料單獨(dú)起名建立，并通過調(diào)整密度，使質(zhì)量差滿足要求。d)焊接接頭S-N曲線選擇主S-N曲線，即等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力和循環(huán)次數(shù)的對(duì)數(shù)關(guān)系曲線，宜選擇中值7焊縫疲勞壽命評(píng)估7.1靜強(qiáng)度分析7.1.1模型應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況條件施加載荷和約束條件，應(yīng)明確載荷大小、方向，約束位置、自由度和方向。7.1.2模型應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)件實(shí)際作業(yè)姿態(tài)，分工況求解計(jì)算。7.1.3選用“StaticGeneral”線性通用靜態(tài)分析步進(jìn)行分析，分析過程中輸出應(yīng)力結(jié)果和位移結(jié)果兩種場(chǎng)變量，有限元結(jié)果文件中應(yīng)當(dāng)包含全局坐標(biāo)系下的節(jié)點(diǎn)力結(jié)果以及幾何模型。7.1.4靜力計(jì)算結(jié)果應(yīng)滿足靜強(qiáng)度要求，才可以進(jìn)行疲勞分析。7.2等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算7.2.1結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算T/CWAN0131—20257.2.1.1進(jìn)行焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估時(shí)，焊接結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分為膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力兩個(gè)部分，計(jì)算公式如公式（1）所示。式中：σm——膜應(yīng)力；b——彎曲應(yīng)力；fy——線力；mx——線矩；t——板厚。7.2.1.2一條焊線上節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)矩與節(jié)點(diǎn)線力和線距的關(guān)系如圖21所示。圖21節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)矩與節(jié)點(diǎn)線力和線矩關(guān)系示意圖7.2.1.3一條焊線上的多個(gè)節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)間線力的計(jì)算公式如（2）所示：（2）式中：Fy1——節(jié)點(diǎn)1在y軸方向的節(jié)點(diǎn)力；Fy2——節(jié)點(diǎn)2在y軸方向的節(jié)點(diǎn)力；Fyn——節(jié)點(diǎn)n繞y軸的力矩；fy1——節(jié)點(diǎn)1繞y軸方向單元邊的線力；fy2——節(jié)點(diǎn)2繞y軸方向單元邊的線力；fyn——節(jié)點(diǎn)n繞y軸方向單元邊的線力；L——單元長(zhǎng)度等效矩陣，計(jì)算公式如（3）所示。T/CWAN0131—2025式中：——節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2之間的距離；l2——節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3之間的距離；3——節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)4之間的距離；n-2——節(jié)點(diǎn)n-3和節(jié)點(diǎn)n-2之間的距離；n-1——節(jié)點(diǎn)n-1和節(jié)點(diǎn)n之間的距離。7.2.1.4一條焊線上的多個(gè)節(jié)點(diǎn)矩和節(jié)點(diǎn)間線矩的計(jì)算公式如（4）所示：{Mx1,Mx2,…Mxn,}T={mx1,mx2,…mxn,}T（4）式中：Mx1——節(jié)點(diǎn)1繞x軸的力矩；Mx2——節(jié)點(diǎn)2繞x軸的力矩；Mxn——節(jié)點(diǎn)n繞x軸的力矩；mx1——節(jié)點(diǎn)1繞x軸的力矩；mx2——節(jié)點(diǎn)2繞x軸的力矩；mxn——節(jié)點(diǎn)n繞x軸的力矩。7.2.1.5焊線上任意節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算如公式（5）所示：（5）式中：-1——單元長(zhǎng)度等效逆矩陣Fyn——節(jié)點(diǎn)力矩陣Mxn——節(jié)點(diǎn)力矩矩陣7.2.2等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算如公式（6）所示：（6）式中：ΔσS——結(jié)構(gòu)應(yīng)力；T/CWAN0131—2025ΔSS——等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力；m——常數(shù)，值為3.54；I(r)——載荷彎曲比r的函數(shù)，其計(jì)算如公式（7）所示。+0.561r2+0.0097r+1.5426式中：r——載荷彎曲比，計(jì)算如公式（8）所示。（8）7.3疲勞