查看缝焊反作用力

显示缝焊合力和应力的表格。

显示每个焊缝的总接触力和平均应力，但也可以按单位长度计算缝焊合力和喉管应力。此评估的数据点数量由焊缝长度自动确定。单位长度的合力和应力可用于缝焊设计标准，特别是 Eurocode 3（EN 1993-1-8：Eurocode 3：钢结构设计，第 4.5.3 部分）。

力/力矩

在项目树中，打开分析工作台。
在工作台工具栏上，选择 > Weld forces > Seam weld reactions。
在缝焊反作用力对话框中，选择“力/力矩”选项卡。
点击 Evaluate 以计算所有焊缝沿焊缝长度的力/力矩分量。这可以估算模型中所有焊缝的峰值（最大值和最小值）。
将所需的阈值设置为每单位长度的力的失效准则。
评估后，点击 Validate 可查看每个焊缝的状态。
选择任意列标题对表格进行排序。
选择任何一行，以便在图形中显示力和力矩摘要及其矢量。
可选： 使用 (Zoom) 将模型视窗聚焦在选定的焊缝上。
查看焊缝长度上每单位长度的焊缝反作用力曲线图。
1. 对于反作用力类型，从下拉菜单中选择目标反作用力类型。
2. 选择 Show。
  选定的反作用力将绘制在新窗口中。
在绘图窗口中，选择 Save as 将结果另存为图像或文本文件。

应力

在项目树中，打开分析工作台。
在工作台工具栏上，选择 > Weld forces > Seam weld reactions。
在缝焊反作用力对话框中，选择“应力”选项卡。
可选： 激活选项 Include bending moments in stress evaluation，可以在计算应力时将载荷引起的弯矩计算在内。

提示：如果焊缝载荷受到相对于焊缝垂直轴的弯矩或扭转的影响，建议激活 Include bending moments in stress evaluation 选项。
可选： 启用 Use absolute values for maximum stress evaluation，确保应力计算考虑最大绝对值（不论正负）。
点击 Evaluate 以计算所有焊缝沿焊缝长度的各种应力分量。

图 1.

下面的等式是根据弯曲理论得出的：

由法向力 ( $F_{z}$ ) 在焊缝垂直方向产生的法向应力：
$σ_{⊥} = \frac{F_{z}}{A_{T}}$

由弯矩 ( $M_{x}$ ) 在焊缝垂直方向产生的法向应力：
$σ_{⊥} = \frac{M_{x} r_{y}}{I_{w x}}$

由剪切力 ( $F_{x}$ ) 在焊缝垂直方向产生的剪切应力：
$τ_{⊥} = \frac{F_{x}}{A_{T}}$

由剪切力 ( $F_{y}$ ) 在焊缝平行方向产生的剪切应力：
$τ_{∥} = \frac{M_{z} r_{y}}{J_{T}}$

由力矩 ( $M_{z}$ )在焊缝垂直方向产生的剪切应力：
$τ_{⊥} = \frac{M_{z} r_{y}}{J_{T}}$

由力矩 ( $M_{z}$ )在焊缝平行方向产生的剪切应力：
$τ_{∥} = \frac{M_{z} r_{x}}{J_{T}}$

用于计算各组件最大应力的等式：

沿焊缝垂直方向的最大法向应力、
$σ_{⊥ m a x} = \frac{F_{z}}{A_{T}} + \frac{M_{z} r_{y}}{I_{w x}}$

沿焊缝垂直方向的最大剪切应力、
$τ_{⊥ m a x} = \frac{F_{x}}{A_{T}} + \frac{M_{z} r_{y}}{J_{T}}$

沿焊缝平行方向的最大剪切应力，
$τ_{∥ m a x} = \frac{F_{y}}{A_{T}} + \frac{M_{z} r_{x}}{J_{T}}$

其中，

$σ_{⊥}$

法向应力垂直于焊缝方向

$τ_{⊥}$

剪切应力垂直于焊缝方向

$τ_{∥}$

剪切应力平行于焊缝方向

A_T

焊缝喉厚区域

F_x, F_y, F_z

力分量通过缝焊与零件接触产生的反作用力求解得出

M_x, M_y, M_z

力矩分量通过缝焊与零件接触产生的反作用力矩求解得出

r_y

从焊缝中心到沿焊缝长度计算应力位置的距离

r_x

焊缝喉厚的宽度

I_w

焊缝的转动惯量

J_w

焊缝的极转动惯量

等效应力根据以下等式计算：
$σ_{e q u i v a l e n t} = {[{σ_{⊥}}^{2} + 3 ({τ_{⊥}}^{2} + {τ_{∥}}^{2})]}^{0.5}$

等效应力应小于计算出的标准值。根据 EN 1993-1-8 Eurocode 3 的示例给出了以下等式：
${[{σ_{⊥}}^{2} + 3 ({τ_{⊥}}^{2} + {τ_{∥}}^{2})]}^{0.5} \leq \frac{f_{u}}{(β_{w} γ_{M 2})}$

对于根据 Eurocode 示例计算的标准值，术语如下所述，其中，

f_u

较弱连接零件的标称极限拉伸应力

$β_{w}$

适当的相关因子
将所需的阈值设置为应力（法向应力、剪切应力和等效应力）的失效准则。
评估后，点击 Validate 可查看每个焊缝的状态。
对于平均应力计算，可通过选中 Include weld section stresses来激活将每个焊缝分割为更多截面的功能。然后输入 Section length to throat thickness ratio的值。
该值可确保焊缝不受特定焊接标准的约束。
选择任意列标题对表格进行排序。
可选： 使用 (Zoom) 将模型视窗聚焦在选定的焊缝上。
查看焊缝长度上每单位长度的焊缝应力曲线图。
1. 对于反作用力类型，从下拉菜单中选择目标应力类型。
2. 选择 Show。
  沿焊缝长度的选定应力将绘制在新窗口中。
在绘图窗口中，选择 Save as 将结果另存为图像或文本文件。

案例研究 1

计算采用双面角焊缝连接梁的焊缝沿喉厚方向的应力分量：沿 +Z 轴施加 30 KN 的垂直力，并将其约束在底板处。

其中一条焊缝的力和力矩可从如下所示的“反作用力 / 接触力”对话框中获取。

表 1.
F_X =	6.75E+03	N
F_Y =	1.10E+00	N
F_Z =	-1.50E+04	N
M_X =	-80.1880	Nmm
M_Y =	-16587.0000	Nmm
M_Z =	-906.4200	Nmm

如下表所示，根据全局坐标系对焊缝喉部的力和力矩进行解析。

表 2.
$F_{x}' = F_{X} \times 0.707 + F_{Z} \times 0.707$	-5832.0430	N
$F_{y}' = F_{Y}$	1.1022	N
$F_{z}' = F_{Z} \times 0.707 + F_{X} \times 0.707$	-1.54E+04	N
$M_{x}' = M_{X} \times 0.707 + M_{Z} \times 0.707$	-697.5319	Nmm
$M_{y}' = M_{Y}$	-16587.0000	Nmm
$M_{z}' = - M_{X} \times 0.707 + M_{Z} \times 0.707$ M_z' = -M_X0.707+M_Z0.707	-584.146024	Nmm

现在，计算焊缝喉部的法向应力和剪切应力。

注：由力矩引起的应力可以忽略不计。

垂直于轴向的法向应力：

σ_{⊥} = \frac{F_{z}}{A_{T}}

σ_{⊥} = \frac{- 15400}{353.55}

σ_{⊥} = - 43.5 MPa

其中，

$A_{T}$: $Weld length \times weld throat width = 100 \times 3.5355 = 353.55 {mm}^{2}$

垂直于轴向的剪切应力：

τ_{⊥} = \frac{F_{x}'}{A_{T}}

τ_{⊥} = \frac{- 5832.43}{353.55}

τ_{⊥} = - 16.495 MPa

平行于剪切的剪切应力：

τ_{∥} = \frac{F_{y}}{A_{T}}

τ_{∥} = \frac{1.1022}{353.55}

τ_{∥} = 0.00311 MPa

等效应力：

σ_{e q u i v a l e n t} = {[{σ_{⊥}}^{2} + 3 ({τ_{⊥}}^{2} + {τ_{∥}}^{2})]}^{0.5}

σ_{e q u i v a l e n t} = 52.03 MPa

表 3. SimSolid 与手工计算值的比较
应力分量	SimSolid (MPa)	分析 (MPa)	增量 (%)
σ_⊥	44.03	43.50	1
τ_⊥	16.70	16.50	1
σ_equivalent	52.90	52.03	<2

注：弯曲应力因可忽略不计而未予考虑，因此采用平均应力值进行比较。

案例研究 2

计算采用双面角焊缝连接梁的焊缝沿喉厚方向的应力分量：如下图所示，在垂直板的基面沿 Z 轴施加 1e7 N-mm 的力矩，并将其约束在底板处。

其中一条焊缝的力和力矩可从如下所示的“反作用力 / 接触力”对话框中获取。

表 4.
F_X =	-106.6800	N
F_Y =	-30063.0000	N
F_Z =	-186.7100	N
M_X =	97416.0000	Nmm
M_Y =	-2053.5000	Nmm
M_Z =	-4685100.0000	Nmm

如下表所示，根据全局坐标系对焊缝喉部的力和力矩进行解析，

表 5.
$F_{x}' = F_{X} \times 0.707 + F_{Z} \times 0.707$	-207.4267	N
$F_{y}' = F_{Y}$	-30063.0000	N
$F_{z}' = F_{Z} \times 0.707 + F_{X} \times 0.707$	-56.6	N
$M_{x}' = M_{X} \times 0.707 + M_{Z} \times 0.707$	-3243492.5880	Nmm
$M_{y}' = M_{Y}$	-2053.5000	Nmm
$M_{z}' = - M_{X} \times 0.707 + M_{Z} \times 0.707$ M_z' = -M_X0.707+M_Z0.707	3381238.812	Nmm

现在，计算焊缝喉部的法向应力和剪切应力。

注：由于缝焊受到扭转的影响，因此要同时考虑力和力矩引起的应力。

垂直于轴向的法向应力：

σ_{⊥} = \frac{F_{z}'}{A_{T}}

σ_{⊥} = \frac{- 56.6}{353.55}

σ_{⊥} = - 0.16 MPa

其中，

$A_{T}$: $Weld length \times weld throat width = 100 \times 3.5355 = 353.55 {mm}^{2}$

垂直于弯曲的法向应力：

σ_{⊥} = \frac{M_{x}' \times r_{y}}{I_{w x}}

σ_{⊥} = \frac{- 3243492.588 \times 50}{368.285}

σ_{⊥} = - 550.44 MPa

最大垂直法向应力：

σ_{⊥} = \frac{F_{z}'}{A_{T}} + \frac{M_{x}' \times r_{y}}{I_{w x}}

σ_{⊥ m a x} = - 550.60 MPa

垂直于剪切的剪切应力：

τ_{⊥} = \frac{F_{x}'}{A_{T}}

τ_{⊥} = \frac{- 207.43}{353.55}

τ_{⊥} = - 0.59 MPa

垂直于扭转的剪切应力

τ_{⊥} = \frac{M_{z}' \times r_{y}}{J}

τ_{⊥} = \frac{3381238.812}{294996.11}

τ_{⊥} = 573.09 MPa

最大垂直剪切应力：

τ_{⊥ m a x} = \frac{F_{x}'}{A_{T}} + \frac{M_{z}' \times r_{y}}{J}

τ_{⊥ m a x} = 572.5 MPa

平行于剪切的剪切应力：

τ_{∥} = \frac{F_{y}'}{A_{T}}

τ_{∥} = \frac{- 30063}{353.55}

τ_{∥} = - 85 MPa

平行于扭转的剪切应力：

τ_{∥} = \frac{M_{z}' \times r_{x}}{J}

τ_{∥} = \frac{3381238.812 \times 1.767}{294996.11}

τ_{∥} = 20.25 MPa

最大平行剪切应力：

τ_{∥ m a x} = \frac{F_{y}'}{A_{T}} + \frac{M_{z}' \times r_{x}}{J}

τ_{∥ m a x} = - 64.75 MPa

等效应力：

σ_{e q u i v a l e n t} = {[σ_{⊥ m a x} + 3 (τ_{∥ m a x})]}^{0.5}

σ_{e q u i v a l e n t} = 1139.76 MPa

表 6. SimSolid 与手工计算值的比较
应力分量	SimSolid (MPa)	分析 (MPa)	增量 (%)
σ_⊥max	556.79	550.60	1
τ_⊥max	560.80	572.5	2
σ_equivalent	1129.37	1139.76	<1

注：在应力计算中纳入了弯曲应力，因此我们考虑了转角位置 (r_y) ，因为该位置会产生最大应力。与SimSolid缝焊反作用力表中的最大值进行对比。