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基于FKM规范的静强度及 疲劳强度评估

王庆艳 安世中德咨询（北京）有限公司

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2 课程目标

本次课程，希望能够使学员对德国FKM规范的评估流程有深入掌握，同时熟悉FKM

inside ANSYS软件的功能及操作过程。

掌握FKM规范针对非焊接件和焊接件的静强度及疲劳强度评估流程

熟悉FKM inside ANSYS软件的功能、特色与优势

熟悉基于FKM inside ANSYS软件采用名义应力法进行焊缝静强度及疲劳强度的分析流程

和面向工程的应用。

熟悉基于FKM inside ANSYS软件采用局部应力法的焊缝静强度及疲劳强度的评估流程和

面向工程的应用。 安世亚太

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3 课程目录

FKM规范静强度及疲劳强度评估理论

- 静强度评估

- 疲劳强度评估

FKM inside ANSYS新版本及功能

- 支持的ANSYS版本

- 关键功能的解释说明

FKM规范与FKM inside ANSYS软件评估流程及应用实例

- 非焊接件静强度及疲劳强度评估实例

- 采用名义应力法对焊缝进行静强度及疲劳强度评估实例

- 采用热点应力法对焊缝进行静强度及疲劳强度评估实例

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4

需求和问题

有限元应力计算准确性依赖经验，和应力测试在应力集中处有不小的误差

（1）有限元仿真分析和试验误差的相互校核，不同类型分析不同层级的误差范围。（2）仿真分析的错误应用，对产品的理解，物理的判断，工程经验，误差来源。（3）应力测试手段（应变片，应变花，非接触式。。）。

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5

需求和问题

应力结果合理后，破坏、强度评估或安全系数不知道如何评估 （1）强度理论非常复杂（2）材料相关性较大（3）加工工艺的影响，结构的影响

强度理论的统一表达式：

][11, r

][)( 3212, r

][ r

][313, r

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6

需求和问题

静强度强度的影响系数不知道如何给定 （1）静强度评估的影响系数不知道如何给定（2）难以形成标准的分析流程（3）可靠性评估由此受到影响

疲劳强度分析缺乏数据库 （1）材料数据的S-N曲线（2）疲劳影响因子系数给定（3）耐久性评估由此受到影响

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7 FKM规范简介

• FKM标准：《Analytical Strength Assessment of Components in Mechanical

Engineering》

• 编制方：德国机械工程研究委员会

• 用途：用于评估钢和铝材料的焊接和非焊接构件的静强度和疲劳强度问题，同时考虑了大多数

对构件强度（静态和动态）产生影响的因素（表面状况、残余应力、结构细节等），使用利用

度对焊接和非焊接构件的疲劳问题进行评估，对于有限和无限寿命阶段都可以获得相应的数值。

FKM标准

焊接结构

名义应力法 局部应力法

非焊接结构

名义应力法 局部应力法

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8

FKM静强度和疲劳评估的流程和主要思路

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9 FKM规范简介

• 采用名义应力法进行静强度评估的限制条件

− 应力集中因子不能太高，合适的限制值为Kt=5；

− 材料有足够的延展性，建议A≥6

− 材料：

铣锻钢，GS（德国标准，类似于GB）

GJS,GJM等级以及高延展率（A≥6）铝材料（锻或者铸合金）

− 只适用于机加工表面处理（例如喷丸，冷轧），其他例如采用化学处理或者热表面硬化等，需要采

用局部应力法

• 温度影响

− 针对温度较高的短期或者长期影响，需要首先基于较高温度下的屈服强度计算短期影响的静强度

− 在长期高温情况下，需单独再进行高温强度影响评估（蠕变强度，1%蠕变极限）；

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10 静强度评估流程

静强度校核过程

过程说明

① 强度校核过程如右图所示，通过应用有

限元分析方法、工程计算方法和试验检测

得到评估部位的最大使用应力Smax

② 根据材料特性和结构设计参数得到部件局

部的强度极限Ssk，然后根据安全因子

Jges获得部件的强度安全欲度ask

Ask小于1，则部件在外部载荷作用下被评估部位满足强度要求，否则不满足强度要求

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11 特征工作应力

• 计算等效应力及多轴度

− 等效应力：基于构件组件进行计算

− 多轴度：用于计算等效应力的临界值（构件的静强度）

• 应力状态：

− 平面应力状态：𝜎𝑥; 𝜎𝑦;𝜏 = 𝜏𝑥𝑦

− 三向应力状态： 𝜎1; 𝜎2; 𝜎3

• 非焊接构件

− 等效应力计算：

韧性材料（steel, cast steel and wrought aluminum alloys with 𝑓𝜏=0.577）

半韧性或者脆性材料（采用组合强度假设）

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12 特征工作应力

• 非焊接构件

− 等效应力计算：

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13 特征工作应力

• 焊接构件

− 母材及热影响区HAZ

韧性材料：3.1.3

可焊铸件：3.1.5~3.1.8（基于主应力进行

计算）

− 焊缝

− 结构应力法（局部名义应力）：

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14 材料属性

• 非焊接构件

− 材料试件：

标准试件直径𝑑0 = 7.5mm

半成品直径𝑑𝑒𝑓𝑓,𝑁

半径为𝑑𝑒𝑓𝑓,𝑁的标准值𝑅𝑚,𝑁 以及𝑅𝑝,𝑁

构件直径𝑑𝑒𝑓𝑓

𝑅𝑚,𝑁及𝑅𝑝,𝑁参见5.1章节

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15 材料属性

• 非焊接构件

− 各向异性因子（Anisotropy factor）：

材料经铣削、滚压、锻造等工艺处理后，

主方向的材料强度要高于垂直方向的材料

强度。与加工方向平行的方向称为主方向，

而与加工方向垂直的方向称为横向。通常

情况，材料的强度是沿主方向定义的，

KA的取值如下表（Table3.2.4）所示：

• 非焊接构件

− 压缩与剪切强度因子（Compression strength factor

and shear strength factor）：材料压缩和剪切时的

强度与材料拉伸时抗拉强度的差异。

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16 材料属性

• 非焊接构件

− 温度因子（Temperature factors）：将

材料工作环境温度分为常温、低温和高温，

其强度通常随温度增加而降低。常温条件

下，可忽略温度对材料强度的影响，即：

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17 材料属性

• 焊接构件

− 材料强度与母材相同

− 不考虑几何尺寸因子𝐾𝑑及各项

异性因子𝐾𝐴

− 针对母材材料为Milled steel

以及cast steel的构件，强度

极限与厚度相关

（Table5.1.24）

− 针对母材材料为Aluminum的

构件，强度极限与材料状态相

关（Table5.1.25）

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18 材料属性

• 焊接构件

− 压缩强度因子：参照非焊接构件（table3.2.5）

− 剪切强度因子：参照table3.2.8

− 温度因子：参考非焊接构件(3.2.1.7章节)

− 软化因子：针对由铝合金制成的焊接构件，特

别是针对应变硬化或者热处理合金，由于焊接

过程产生的热量会导致强度减小。所以引入软

化铝因子（参照table5.1.25）

针对焊缝的剪切及抗拉强度的区别采用焊接因子𝛼𝑊,𝜏进行区分，不采用剪切因子𝑓𝜏

针对𝑅𝑚与𝑅𝑝的软化铝因子是不同的，例如

𝜌𝑊𝐸𝑍 ≈ 0.5, for𝑅𝑝，𝜌𝑊𝐸𝑍 ≈ 0.68, for𝑅𝑚，在

表中采用二者的平均值进行评估𝜌𝑊𝐸𝑍 ≈ 0.62

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19 设计参数

• 概述

− 针对焊接构件与非焊接构件单独确定设计因子

截面因子𝑛𝑝𝑙：结构某个局部区域出现屈服并不会导致整体结构的破坏，通过利用截面因子以充分考虑应力

敏感截面或区域的应力梯度对结构强度的影响。截面因子定义为敏感截面或区域的最大理想弹性应力与材

料屈服强度的比值

灰口铸铁因子𝐾𝑁𝐿：用于解释GJL的与其他材料不同的拉伸和压缩行为

焊接因子𝛼𝑤：考虑焊缝与焊缝周边材料（母材及热影响区）强度的缩减因子

针对焊接构件，针对BM、HAZ以及W区域可以单独确定 安世亚太

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20 设计参数

• 非焊接构件

− 截面因子Section factor：缺口处的应力梯

度的影响（采用塑性极限载荷或者临界局部

应变进行限制）

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21 设计参数

• 焊接构件

− 截面因子：

针对BM、HAZ以及W，截面因子相同

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22 设计参数

• 焊接构件

− 截面因子：

针对BM、HAZ以及W，截面因子相同

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23 设计参数

• 焊接构件

− 焊接因子：

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24 构件静强度

• 概述:

− 区分焊接构件及非焊接构件

− 构件静强度定义为参考点处的临界等效应力

• 非焊接构件

• 焊接构件

− 概述：针对BM、HAZ以及W基于不同的材料（steel and aluminum）单独进行计算

− 母材及热影响区（BM以及HAZ）

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25 构件静强度

• 焊缝

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26 安全因子

• 总的安全因子

Chap5.7

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27 静强度评估

• 概述

− 计算等效应力的利用度

− 利用度为等效应力与参考点处的允许的静态应力的比值

− 允许的静态应力是临界应力𝜎𝑆𝐾与总安全因子的比值

− 需要确认应力状态是否有较高的多轴度，如果多轴度超过极限值，需额外对静水强度进行评估

− 注意：在大多数情况下，特别参考点处于结构自由面时，静水应力不需要进行评估。

− 相关利用度：所有利用度的最大值满足要求即满足要求。

− 针对焊接结构:BM、HAZ以及W需要单独进行评估

• 非焊接构件

− 等效应力利用度计算

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28 静强度评估

• 焊接构件

− 概述：针对焊接构件，母材、热影响区及焊

缝需单独进行评估

− 母材及热影响区

• 焊接构件

− 焊缝

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29 疲劳强度评估流程

疲劳强度评估流程

过程说明

① 疲劳强度评估流程如右图所示，通过应用

有限元分析方法、工程计算方法和试验检

测得到评估部位的疲劳应力幅Sa

② 根据材料特性、疲劳应力谱（平均应力、

应力幅和循环次数）和结构设计参数得到

部件局部的强度极限SBK，然后根据安全

因子获得部件的强度安全欲度aBK

aBK小于1，则部件在外部载荷作用下被评估部位满足强度要

求，否则不满足强度要求

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30 特征工作应力

• 疲劳强度评估：

− 预定操作的应力谱；

− 特殊事件或者误操作在静强度中进行评估

− 循环次数大于104

• 应力谱：

− 应力谱参数：应力幅；平均应力；

− Steps：1~i

• 非焊接构件：

− 平面应力状态

− 三向应力状态

• 焊接构件

− 母材、热影响区及焊缝需单独考虑

− 两种方法：结构应力法；缺口应力法 安世亚太

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31 特征工作应力

• 应力谱及常幅S-N曲线

− 材料S-N曲线：应力幅及载荷循环次数之

间的关系

− ModelⅠ：横幅S-N曲线，只有一个拐点，

𝑁 > 𝑁𝐷为水平段

− ModelⅡ：横幅S-N曲线，有2个拐点，

𝑁 > 𝑁𝐷,Ⅱ为水平段

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32 材料属性

• 非焊接构件

− 标准构件值（完全相反的轴向应力或者剪

应力）

• 非焊接构件

− 疲劳强度因子（𝑓𝑊,𝜎；𝑓𝑊,𝜏）：将抗拉强度转化为完

全相反的应力的疲劳强度极限

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33 材料属性

• 焊接构件

− 标准构件值（完全相反的轴向应力或者剪

应力）

− 针对焊接构件标准值没有特殊的指定，差

别主要体现在结构细节、连接类型以及焊

缝设计上。

− 针对（conditionally weldable

steel ,stainless steel , weldable cast

iron material），谨慎参考。

− 温度因子

• 温度因子

− 考虑温度的增加对完全相反应力状态下疲劳强度的影

响，同时适用于非焊接结构及焊接结构

− 常温情况

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34 材料属性

• 温度因子

− 低温情况：温度低于正常温度的下限的温

度，不在本指南考虑的范围之内

− 高温情况

针对钢及铸铁材料温度高于正常温度的上限，

但低于500℃需要考虑温度的影响

针对铝合金材料温度高于正常温度的上限，

但低于200℃需要考虑温度的影响

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35 设计参数

• 概述

− 设计参数的影响采用设计因子进行考虑

− 区分非焊接构件及焊接构件

• 非焊接构件

− 设计因子

• 非焊接构件

− 塑性缺口因子的估计

基于公式进行计算

基于表格查询获得近似值

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36 设计参数

• 焊接构件

− 概述：针对焊接构件，需要考虑下列设计参数：

疲劳等级：参考IIW规范、Eurocode3以及

Eurocode9

疲劳等级转化因子

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37 构件疲劳强度

• 概述（计算步骤）

− 计算平均应力为0时的构件的疲劳强度

（chapter4.4.1）

− 考虑平均应力因子的构件疲劳强度

（chapter4.4.2）

− 考虑变幅疲劳因子的构件疲劳强度

（chapter4.4.3）

• 平均应力为0时的构件的疲劳强度

− 非焊接构件

• 平均应力为0时的构件的疲劳强度

− 焊接构件

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38 构件疲劳强度

• 考虑平均应力因子的构件的疲劳强度

− 非焊接构件

强度极限计算公式

平均应力敏感度系数

残余应力因子

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39 构件疲劳强度

• 考虑平均应力因子的构件的疲劳强度

− 焊接构件

强度极限计算公式

平均应力敏感度系数

残余应力因子（关于高、中、低的定义参见P49）

高

中

低

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40 构件疲劳强度

• 考虑变幅疲劳因子的构件的疲劳强度

− 非焊接构件

− 焊接构件

− 最大幅值限制

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41 构件疲劳强度

• 考虑变幅疲劳因子的构件的疲劳强度

− 变幅疲劳强度因子计算

变幅应力谱计算

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42 安全因子

• 总的安全因子

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43 疲劳强度评估

• 概述

• 不同应力类型利用度可单独计算（参见规范4.6.1章节）

• 可以基于组合应力进行评估（参见规范4.6.2章节）

• 单独应力

− 非焊接构件

• 单独应力

− 焊接构件

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44 疲劳强度评估

• 组合应力的利用度计算

− 非焊接构件及焊接构件的母材及热影响区

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45 疲劳强度评估

• 组合应力的利用度计算

− 非焊接构件及焊接构件的母材及热影响区

− 焊接构件

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46 课程目录

FKM规范静强度及疲劳强度评估理论

- 静强度评估

- 疲劳强度评估

FKM inside ANSYS新版本及功能

- 支持的ANSYS版本

- 关键功能的解释说明

FKM规范与FKM inside ANSYS软件评估流程及应用实例

- 非焊接件静强度及疲劳强度评估实例

- 采用名义应力法对焊缝进行静强度及疲劳强度评估实例

- 采用热点应力法对焊缝进行静强度及疲劳强度评估实例

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47

产品定位

FKM规范 ANSYS Workbench

FKM inside ansys

WB/FKM WB/FKM-weld

基于FKM规范的非焊接体结构自动化的设计评估软件工具

基于FKM规范的焊接壳体/实体结构自动化的设计评估软件工具

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48 基础准备：材料库

材料库：

FKM规范内附录中材料数据已录入；

支持新建材料数据及对库内数据的编辑修改

母材材料库 焊缝材料库

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49 基础数据准备：应力谱编辑器

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50 WB/FKM计算流程

Scope

Assessment

Definition

Assessment

Visualization

Assessment

Information

Definition

Results

Load Case Definition

Global Parameters

Local Parameters

Mode:Static/Fatigue

Type

Maximum utilisation

Mean utilisation

Deviation of Utilisation

Assessment ID

Generate Report:yes/no

By：

Time

Result Set

Maximum Over Time

Time of Maximum

Minimum

Maximum

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51 WB/FKM-Weld计算流程

Geometry

Definition

Assessment

Definition

Assessment

Visualization

Assessment

Information

Definition

Results

Geometry Selection

Geometry Selection Info

Load Case Definition

Global Parameters

Mode:Static/Fatigue/Segmentation

Type

Sections

Maximum utilisation

Normal Stress-amplitude-perpendicular

Normal Stress-amplitude-parallel

Shear stress-amplitude(Mpa)

Normal Stress-mean-value-perpendicular

Normal Stress-mean-value-parallel

Shear stress-mean value

Assessment ID

By：

Time

Result Set

Maximum Over Time

Time of Maximum

Minimum

Maximum

All Sections

Maximum over Section

Only critical welds 安世亚太

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52 评估部位选择

针对壳模型的选择及属性设置

母材：支持以下四种选择方式

Geometry Selection

Named Selection

Custom Domain Selection

All Bodies

焊缝：区分壳及实体

壳：

– 焊缝选择：支持基于接触关系、部件关系以及网格连接关系焊缝，同时支持手动选择焊缝

– 属性及截面信息定义

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53 评估部位选择

焊缝：区分壳及实体

实体：采用结构树的方式定义焊缝，支持如下形式

实体焊缝形式

无焊缝：焊接构件各部分作为一个body，无焊线

无焊缝：焊接构件各部分采用接触关系连接，无焊线

建立焊缝：焊接构件各部分作为一个body，建立焊线

建立焊缝：焊接构件各部分采用接触关系连接，建立焊线

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54 评估部位选择

焊缝：区分壳及实体

实体

– 采用结构树的方式定义焊缝

– 静强度及疲劳强度评估设置

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55 评估部位选择

评估工况

自动加载ANSYS中所有计算工况

工况间可以进行组合

对于评估设定疲劳评估方法

– 有限寿命评估

– 应力谱评估

– 无限寿命评估

对于评估设定过载类型

– F1

– F2

– F3

– F4

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56 结果评估

结果评估：组件利用度

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57 计算报告

可以基于关键节点或者是用户自定义的组件生成计算报告，计算报告中包括输入数据、中间过程计算数据以及结果数据。结果数据可以明确的看到计算得到静强度最大利用率的工况以及疲劳评估最大利用率的循环工况。如下图所示为计算报告的部分数据截取：

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58 课程目录

FKM规范静强度及疲劳强度评估理论

- 静强度评估

- 疲劳强度评估

FKM inside ANSYS新版本及功能

- 支持的ANSYS版本

- 关键功能的解释说明

FKM规范与FKM inside ANSYS软件评估流程及应用实例

- 非焊接件静强度及疲劳强度评估实例

- 采用名义应力法对焊缝进行静强度及疲劳强度评估实例

- 采用热点应力法对焊缝进行静强度及疲劳强度评估实例

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59

非焊接构件静强度评估实例展示

基于名义应力法的焊缝静强度及疲劳评估实例展示

基于热点应力法的焊缝静强度及疲劳评估实例展示

非焊接构件疲劳强度评估实例展示

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60 计算实例：焊缝

其他壳焊缝及实体焊缝静强度及疲劳强度评估实例

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61 客户价值

FKM规范是德国机械标准协会根据机械产品在实际工程中的应用情况，统计出来的关于极限强度和疲劳强

度的使用规则，在欧洲多个工业领域（例如轨道交通、风机、通用机械及能源等领域）已得到大范围的应

用

FKM规范考虑了机械产品各个方面的影响因素，对于非焊接结构，FKM标准考虑了构件材料、表面粗糙度、

表面处理情况、残余应力情况、载荷情况等影响因素；对于焊接结构，FKM标准考虑了构件材料、焊接接

头细分类别（FAT值）、表面处理情况、残余应力情况、载荷情况等影响因素。FKM标准提供了常见的表面

处理方法，并针对这些方法给出了表面处理因子的上、下限

WB-FKM/WB-FKM-WELD工具包基于有限元分析结果，自动嵌入FKM规范要求的静强度计算和疲劳强度计算流

程和方法，将ANSYS计算应力结果和相关物理量传递给工具包，在ANSYS Workbench内计算并显示评估的静

强度及疲劳强度利用度

WB-FKM/WB-FKM-WELD工具包构建了FKM规范中的图形化的材料库（包含了FKM规范中的所有材料）及在载荷

库，相关参数可进行编辑修改，并可以设置载荷组合

基于WB-FKM/WB-FKM-WELD工具包用户无须手动预先选择评估的热点区域，可以自动计算模型中的每个节点，

从而允许工程师确定关键热点区域，计算分析得到静强度及疲劳强度的利用度，节省材料

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62 客户价值

FKM规范2020 V6th针对焊接构件的评估进行了更加系统的说明，针对焊接构件区分母材、热影响

区以及焊缝区，FKM inside ANSYS软件可针对焊缝进行针对性评估。

FKM inside ANSYS软件在功能上实现了对FKM规范焊缝评估内容的全面覆盖，既支持名义应力法

（壳模型），也支持局部应力法（实体模型），其中局部应力法采用的是热点应力法。

FKM inside ANSYS软件针对焊缝模型处理方式灵活。针对壳模型，无需建立焊缝，支持根据接触、

部件以及网格间连接关系快速检索焊缝。针对实体模型，采用结构树方式管理焊缝，无论焊缝是

否建立都可以采用热点应力法完成评估，同时在焊趾处无需对节点位置进行特殊处理，程序可以

自动进行插值，完成焊趾处热点应力的计算，大大提高计算效率。

FKM inside ANSYS软件计算报告内容系统全面，首先对输出关键位置利用率的工况或工况组合

（针对疲劳评估）进行了说明，针对多工况评估可以快速找到关键工况或关键工况组合，其次输

入输入、中间过程计算出来的参数（例如名义应力或热点应力，各修正系数以及修正后的强度极

限等）都可以显示在计算报告中。

FKM inside ANSYS软件计算焊缝静强度和疲劳强度，智能快速，计算效率高，计算结果可靠性好，

减少人为带来的繁琐公式和数字迭代引起的计算效率低下，避免人为计算导致的计算错误。

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大咖慧，顾名思义，汇集众多大咖智慧。

是由安世亚太打造的一个以设计、仿真、增材制造等领域技术

和行业专家为主的智慧学习平台。目前主要通过线上培训、研

讨等方式，由行业相关领域资深专家与学员们分享交流最新技

术和应用研究成果。

如有任何需求、建议，请关注订阅号（peraglobal），给我们留言

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