随随着有限元分析 (FEA) 被工业界广泛用于工程结构的设计和分析,工程师和研究人员几十年来一直在为基于 FEA 的焊接结构疲劳寿命预测方法而努力,但没有取得多少成功。 关键原因是焊接接头中的易疲劳位置通常位于焊趾或焊根处,由于尖锐的缺口引起的奇异性,应力定义不明确。 因此,基于 FE 的应力计算在尖锐的缺口处遭受严重的网格尺寸和单元类型敏感性的影响,例如,随着单元尺寸变小,应力快速增加而没有限制。 多年来提出了许多基于经验的 FEA 应力计算方法,例如热点应力(通过表面外推)或人工缺口应力方法等。 它们都不能提供可靠和一致的疲劳寿命估计,即使对于相当简单的接头类型和负载条件也是如此。
本项目开发了一款焊接结构的疲劳耐久性评估软件,可以通过对焊接工艺的有效分析和优化,精确预测焊接结构的疲劳寿命,提高工业建造质量和效率。本项目组研发的网格不敏感的结构应力法和主S-N曲线实现了焊接结构疲劳寿命的可预测性。该评估软件同时开发了基于E-N曲线、PMDR循环计数和MLP疲劳损伤模型,可提供热棘轮、低周疲劳、高周疲劳、非比例多轴疲劳等各种复杂情况的疲劳评估,居于世界领先地位;其中,新增的主E-N曲线可适用于多种金属和合金,极大拓宽使用便利性。
该评估软件使用的结构应力法和主S-N曲线于2007年正式被美国机械工程师协会(ASME)的锅炉与压力容器国际规范采用,该规范被全球50多个国家的安全当局规定适用于压力容器和管道系统的设计,成为行业标准。在2014年,法国船级社(世界四大海洋/船舶结构规范机构之一)采用该方法作为“对船舶和海洋结构焊接钢板的网格不敏感方法的应用指南”。
该评估软件为激光焊接接头,搅拌摩擦焊接接头,电阻点焊接头等各种焊接接头的疲劳寿命评估提供了处理方案,是工业制造4.0的重要工具。该评估软件2015年以前的版本Verity™ 由Dassault Systemes Simulia公司商业化,卡特皮勒和福特汽车公司等均付费使用, Verity™ 年销售额逾千万美元。