Существует несколько вариантов численного моделирования сварных швов. Отказ от предположения малости перемещений и переход к большим деформациям значительно усложняют расчёты. Однако имеется возможность различного описания сетки КЭ, использования других кинематических вариаций и соответствующих моделей. Используемые в повседневной практике различные геометрические модели - 2D и 3D, имеют различную степень приближения к реальным результатам. Чаще всего используется пластическая модель материала, не зависящая от скорости нагружения, с критерием текучести по Фон-Мизесу. Ниже описывается два подхода для описания сварных швов. Остаточные напряжения, вызванные сваркой, расчётной моделью не учитываются.
Сварка - Непосредственное соединение пластин
Первый подход состоит в моделировании сварного шва между пластинами путём прямого объединения узлов сетки пластин в окрестностях шва. Нагрузка передаётся с одной пластины на другую через специальные ограничения, в основу которых заложена формулировка Лагранжа для усилий и деформаций. Это называется многоузловым объединением (multi point constraint - MPC), связывающим узлы сетки одной пластины с узлами другой. Но при этом узлы сеток не соединяются напрямую друг с другом. Преимуществом такого подхода является возможность стыковки несогласующихся сеток КЭ (разной крупности). Таким образом, данный способ позволяет замоделировать срединную поверхность присоединяемой пластины с небольшим смещением, с некоторым приближением к реальному положению сварного шва и его толщине. Передача нагрузки на сварной шов происходит через МРС, таким образом находятся напряжения в сечении сварного шва. Этому стоит уделять особое внимание при вычислении напряжений в пластине под сварным швом и при моделировании тавровых соединений.
Сварка – Упругопластические элементы с перераспределением пластических деформаций
Модель с многоузловым объединением не учитывает жёсткость сварного шва, а напряжения вычисляются с большим запасом. Пики напряжений, возникающие на концах сварных швов, в углах и закруглениях, влияют на прочность всего сварного шва, хотя отдельные его участки могут быть менее нагруженными. Для устранения этого эффекта была разработана улучшенная модель сварных швов. Суть её в том, что между пластинами добавляются специальные упругопластические элементы, учитывающие положение сварного шва, его ориентацию и толщину. Добавляемый эквивалентный объёмный КЭ сварного шва имеет размеры, соответствующие размеру сварного шва. Материал данного объёмного элемента работает нелинейно, поведение шва считается упругопластическим. Момент появления пластического течения при упруго-идеально-пластической работе отслеживается по величинам напряжений в сечении сварного шва. Пики напряжений перераспределяются вдоль большей части сварного шва.
Оценка напряжений в сварном шве
Пластическая модель сварных швов даёт истинные значения напряжений, и необходимости в дальнейшей интерполяции результатов нет. Вычисленные значения напрямую используются для проверок. В этом случае больше нет необходимости занижать прочность сварных швов с ломаной осью, швов у неподкреплённых полок и длинных швов.
Ограничения между конечными элементами сварки и узлами сетки
Сварные швы общего вида, использующие пластическое распределение, могут быть непрерывными, частичными или прерывистыми. Непрерывные сварные швы устраиваются по всей заданной грани, частичный сварной шов задаётся так же, но со смещениями в начале и конце, а при задании прерывистых швов можно назначать длины привариваемых участков и зазоры между ними.