焊接结构疲劳寿命可靠性分析的ANSYS二次开发

摘  要：为了提高焊接结构疲劳寿命可靠性计算的便捷性，基于响应面-蒙特卡洛混合法进行ANSYS二次开发。介绍计算所需数据的提取处理规则和流程，在ANSYS软件内对焊接结构进行焊接疲劳寿命预测计算之后，介入可靠性计算二次开发程序，实现对焊接结构进行疲劳寿命的概率设计分析，最后给予实例验证该程序可行性。

关键词：可靠性分析；二次开发；PDS模块；焊接疲劳；响应面法；灵敏度分析

中图分类号：U443

1 引言

在工程实际中存在大量随机因素会对结构可靠性产生一定的影响，因此需要通过计算确定一个结构的可靠性，以保证结构使用的安全性、可靠性、耐久性。通过将结构分析的计算流程实现自动化是常用提高效率的辅助方法。本文仅借助ANSYS软件二次开发的能力，直接在ANSYS软件内部对数据进行处理。在16.0版本之后ANSYS Mechanical APDL中已去除主菜单中的PDS模块，导致设计人员无法在经典界面中进行GUI操作。所以对PDS模块进行二次开发，能降低使用难度，便于工程实际推广。本文应用结构应力法以及响应面-蒙特卡洛混合法执行对焊接结构焊接疲劳寿命的可靠性分析。

2 焊接结构疲劳寿命

多数焊接结构中，最容易开裂位置在焊趾附近，结构应力法将焊趾沿母材厚度方向的截面假想为裂纹平面。焊趾处截面应力由薄膜应力、弯曲应力和非线性缺口应力组成[1]，其中薄膜应力和弯曲应力累加得到结构应力。

通过命令流提取到假想裂纹平面上每个节点的相对坐标值和节点力，该节点力与假想的裂纹平面法向相同。使用以下公式也可计算得到薄膜应力和弯曲应力。

3 ANSYS概率设计模块

PDS模块就是基于有限元理论的概率设计模块，其中主要使用两种方法。蒙特卡洛法和响应面法。蒙特卡洛法，是有限元法和蒙特卡洛法的结合，计算流程较为简单，根据给定的抽样方法、样本数量，对每个样本的输入变量进行有限元计算，得到相对应的输出值，对所有样本结果进行概率计算分析得到可靠度。响应面法可以通过少量样本进行回归分析，拟合出一个近似的功能函数去代替大量的循环计算：

拟合出响应面后，对其进行蒙特卡洛抽样，直接得到计算结果，然后可对变量进行灵敏度分析。

4 基于ANSYS二次开发的计算流程

进行灵敏度分析之前，需要一个完整的概率分析文件，包括参数化建模、疲劳工况计算、疲劳寿命计算三部分。进入PDS模块执行流程，选择相应分析文件；定义随机输入变量和输出变量；选择响应面-蒙特卡洛混合法；执行概率设计分析；拟合响应面，并生成蒙特拉洛样本；进行概率分析后处理，查看概率、灵敏度、累积分布函数等信息。

基于一个完整的概率分析文件，执行概率可靠性计算。首先需要构建参数输入窗口，对分析文件、输入变量的个数、每个输入变量的均值和方差、输出变量进行定义、赋值。

进入PDS模块，选择分析文件，定义输入变量分布类型及参数、输出变量。选择响应面法执行概率设计分析。

通过RSFIT命令对响应面进行拟合，使用带交叉项的二次函数进行拟合，观察其形态以及拟合状态是否良好。

使用RSSIMS命令，选择模拟次数和计算精度，根据响应面生成蒙特卡洛样本，对其进行概率分析。

5 应用实例

某型钢桥面板为焊接结构，取盖板和U型肋之间的一条焊缝线进行分析使用apdl进行参数化建模以及疲劳工况加载求解，生成概率分析文件，然后进行可靠性分析。

边界条件及工况加载如图1所示。采用结构应力法进行焊接疲劳寿命计算，得到焊缝处最小寿命点的寿命值。选择面板厚度TT、材料泊松比PPRXY、材料弹性模量EEX为输入随机变量，最小寿命值为输出量，进行可靠性计算。

输入变量分布类型均为高斯分布。分布参数为TT（16，0.8）、PPRXY（0.3，0.015）、EEX（199000，9950）。

绘制响应面图像，整理得到拟合出来的响应面函数，并根据响应面函数生成107个Monte Carlo样本。

对结果进行后处理操作。对随机输入变量及输出变量做统计分析，包括样本历史、柱状图、累计分布函数等。

查看寿命大于1.45×1011的概率分析结果，即案例焊接疲劳寿命可靠度，得到可靠度为99.28%。

图2为可靠度灵敏度分析结果，该焊接结构疲劳寿命可靠度随着面板厚度TT增加而显著升高。材料泊松比PPRXY和弹性模量EEX对疲劳寿命影响较小。

6 结论

使用ANSYS软件二次开发功能，通过焊接结构寿命预测分析的apdl命令流与PDS概率设计分析模块相结合，实现焊接结构疲劳寿命可靠性分析。最后以某型焊接结构钢桥面板为例证明该程序的计算流程快捷性、数据传递准确性以及结果显示完整性。

参考文献

[1]P. D .A Robust Structural Stress Method for Fatigue Analysis of Offshore/Marine Structures[J].Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering，2005，127（1）：68-74.

[2]兆文忠，李季涛，李晓峰，等.高速动车组角焊缝应力集中的识别方法[J].中国铁道科学，2018，39（01）：82-87.

[3]Huang S ，Wang A .Modeling Automation of Space Payload Experimental Cabinet Based on Secondary  Development of Hypermesh[J].IOP Conference Series： Materials Science and Engineering，2019，538（1）：012033.

[4]李国发，韩良晟，何佳龙，等.考虑制造误差的工业机器人精度可靠性分析[J].制造技术与机床，2022，（05）：5-11.

[5]段巍，王璋奇.基于响应面方法的汽轮机叶片概率强度设计及敏感性分析[J].中国电机工程学报，2007，（05）：99-104.

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51775078）；辽宁省教育厅项目（JDL2020011）

作者简介：王世鹏（1980-），男，河南濮阳人，博士研究生，副教授，主要研究方向：结构优化、结构可靠性研究

王文旭（2000-），男，河北保定人，硕士研究生，研究方向：结构可靠性研究。