Как Volvo считает усталость сварных швов: методика, которую пропускают другие

Почему шов считают отдельно от остальной конструкции

В стандартном прочностном расчете шов, как правило, не выделяется, просто узел, где соединяются детали. Для усталостной оценки этого недостаточно: разрушение шва почти всегда начинается в одном из двух мест, в корне (внутри шва, со стороны непровара) или на границе сплавления (там, где наплавленный металл переходит в основной). Характер напряжений в этих точках разный, поэтому и методика оценки для них своя.

Два характерных места усталостного разрушения углового сварного шва: корень шва и граница сплавления (toe)

Сварные швы в модели представляют четырехугольными оболочечными элементами, толщина которых равна толщине шейки шва, а нормаль направлена наружу. Через усилия и моменты в узлах этих элементов вычисляются мембранные и изгибные напряжения по формулам, приведенным ниже, отдельно для корня и для границы сплавления.

КЭ-представление углового сварного шва: оболочечные элементы, узел на линии шва и вектор нормали

Определение напряжений на границе сплавления шва через погонные усилия и момент в узле

Определение напряжений в корне шва: линеаризация напряжений по толщине на мембранную и изгибную составляющие

Две SN-кривые вместо одной

Ключевая особенность методики Volvo в том, что усталостная прочность оценивается не по одной кривой Велера, а по двум, отдельно для мембранной и отдельно для изгибной составляющей напряжений. Между ними при необходимости выполняется интерполяция в зависимости от того, какая составляющая преобладает в конкретной точке.

Принцип методики: изгибная SN-кривая и мембранная SN-кривая дают разный запас по циклам при одинаковой амплитуде напряжений

Каждая из двух кривых при этом описывается не одним, а двумя участками с разным наклоном, точка перелома соответствует переходу от малоцикловой к многоцикловой области.

Двухучастковая SN-кривая: коэффициент наклона меняется в точке перехода Nc1

В разобранном примере параметры кривых заданы следующими значениями:

Нагружение и результат

История нагрузки в расчете длилась 2545 секунд и подавалась в два этапа: сначала прогонялся первый расчетный случай, затем второй и третий, наложенные друг на друга. Такая последовательность важна, усталостное повреждение накапливается по факту фактической истории нагружения, а не по огибающей отдельных случаев.

По результатам расчета минимальная долговечность в конструкции получена на границе сплавления одного из швов и составила 2488 циклов.

Огибающая эквивалентных напряжений по Мизесу по всей раме

Огибающая напряжений в зоне максимальной концентрации, максимум 63,4 МПа

Распределение долговечности по всей раме: критическая зона выделена синим цветом (нижний диапазон шкалы)

Долговечность в критической зоне шва крупным планом

Само по себе число мало о чем говорит без контекста целевого ресурса конструкции, но методика позволяет сразу увидеть, какой из десятков швов в узле является слабым звеном, и перепроектировать именно его, не трогая остальные. Это заметно дешевле, чем стенды с реальными циклами нагружения на ранней стадии проекта, хотя и не отменяет их на финальной валидации.