Сварка является распространенным методом соединения металлических предметов вместе, но сварные соединения, хотя и прочные, подвержены усталостным нагрузкам. Фактически, усталость является наиболее распространенной причиной отказа сварных конструкций и компонентов, на которую приходится более 90 процентов отказов. Это немаловажно, так как отказ, связанный с усталостью, может привести к снижению производительности, высокой стоимости ремонта и даже, в некоторых случаях, к гибели, если неисправный компонент является критическим.
Существует множество причин, по которым сварные соединения подвержены усталости; например, небольшие дефекты могут инициировать трещины, которые затем могут расти и приводить к поломке. Чтобы избежать дорогостоящего и/или опасного разрушения соединения, инженеры должны рассчитать усталостную долговечность с учетом различных возможных проблем. Для этого существует несколько методов, и большинство из них можно реализовать с помощью анализа методом конечных элементов (МКЭ).
SIMULIA предлагает продукт под названием fe-safe , который включает в себя два метода прогнозирования усталости сварных соединений. Первый метод, британский стандарт 5400/7608, основан на методе номинального напряжения и предлагается в безопасном режиме без дополнительных затрат. С помощью этого метода локальные напряжения FEA в сложных моделях могут быть чувствительны к плотности сетки, составу элемента и решателю. Субъективные решения затрудняют применение этого метода в некоторых случаях.
В этом методе классификация сварных швов выбирается из стандарта, в котором сведения о сварных швах организованы в виде таблиц. Стандарт содержит простой сварной образец определенной формы и размера, направления нагрузки по отношению к сварному шву и места образования трещин. Для гораздо более сложных реальных структур выбор классификации может быть субъективным, и выбор может варьироваться от одного аналитика к другому. Кроме того, без доступа к стандарту может быть сложно найти подходящую классификацию соединения.
В британском стандарте 5400/7608 для метода fe-safe коэффициенты для кривых «напряжение-срок службы» приведены для каждой буквы классификации. Напряжения рассчитываются в FEA, измеряются с помощью тензодатчика или рассчитываются вручную. Выбор значения номинального напряжения для использования, опять же, является субъективным решением.
Второй метод — это модуль Verity , дополнительный модуль для fe-safe, требующий дополнительного лицензирования. Verity — это метод эквивалентного структурного напряжения, который не требует принятия субъективных решений. Он также нечувствителен к плотности сетки, направлению нагрузки и толщине. Истина основана на эквивалентном структурном напряжении, рассчитанном по узловым силам.
В методе Верити нет необходимости в классификации сварных швов. Его данные подтверждены более чем 3500 испытаниями сварных соединений. Он обеспечивает единообразие в определении напряжения на основе узловых сил в сварном шве и является надежным для сложных конструкций.
Этот метод структурных напряжений, нечувствительных к сетке, может быть решен с использованием одновременных уравнений. Структурное напряжение рассчитывается с помощью fe-safe перед выполнением анализа усталости с помощью Verity.
Сварные соединения являются основными компонентами во многих областях, включая мосты, сосуды под давлением, тракторы, транспортные средства, корабли и многое другое. Предотвращение их выхода из строя из-за усталости является одной из наиболее важных частей проектирования этих соединений.