Istnieje kilka możliwości traktowania spoin w modelach numerycznych. Duże odkształcenia sprawiają, że analiza mechaniczna jest bardziej złożona, a możliwe jest stosowanie różnych opisów siatki, różnych zmiennych kinetycznych i kinematycznych oraz modeli konstytutywnych. Powszechnie stosuje się różne typy geometrycznych modeli 2D i 3D, a tym samym elementów skończonych o różnych poziomach dokładności. Najczęściej stosowanym modelem materiałowym jest standardowy model plastyczności niezależnej od prędkości odkształcenia, oparty na kryterium plastyczności von Misesa. Opisano dwa podejścia stosowane dla spoin. W modelu obliczeniowym nie uwzględnia się naprężeń własnych ani odkształceń wywołanych spawaniem.
Obciążenie jest przenoszone przez więzy siła-odkształcenie oparte na sformułowaniu Lagrange'a na przeciwległą blachę. Połączenie nazywane jest więzem wielopunktowym (MPC) i wiąże węzły elementów skończonych krawędzi jednej blachy z drugą. Węzły elementów skończonych nie są połączone bezpośrednio. Zaletą tego podejścia jest możliwość łączenia siatek o różnych gęstościach. Więz umożliwia modelowanie powierzchni środkowej połączonych blach z przesunięciem, które uwzględnia rzeczywistą konfigurację spoiny i grubość gardła. Rozkład obciążenia w spoinie jest wyznaczany z MPC, dzięki czemu naprężenia są obliczane w przekroju gardła. Ma to istotne znaczenie dla rozkładu naprężeń w blasze pod spoiną oraz dla modelowania teowników.
Plastyczna redystrybucja naprężeń w spoinach
Model oparty wyłącznie na więzach wielopunktowych nie uwzględnia sztywności spoiny, a rozkład naprężeń jest zachowawczy. Koncentracje naprężeń pojawiające się na końcach krawędzi blach, w narożach i zaokrągleniach, decydują o nośności na całej długości spoiny. Aby wyeliminować ten efekt, między blachami wprowadzany jest specjalny element sprężysto-plastyczny. Element ten uwzględnia grubość gardła spoiny, jej położenie i orientację. Zastępczy element bryłowy spoiny jest wstawiany z odpowiednimi wymiarami spoiny. Stosowana jest nieliniowa analiza materiałowa, a zachowanie sprężysto-plastyczne w zastępczym elemencie bryłowym spoiny jest wyznaczane. Stan plastyczności jest kontrolowany przez naprężenia w przekroju gardła spoiny. Koncentracje naprężeń są redystrybuowane na dłuższą część długości spoiny.
Sprężysto-plastyczny model spoin daje rzeczywiste wartości naprężeń i nie ma potrzeby uśredniania ani interpolacji naprężeń. Wartości obliczone w najbardziej wytężonym elemencie spoiny są używane bezpośrednio do sprawdzenia normowego składnika spoiny. W ten sposób nie ma potrzeby redukowania nośności spoin wielokierunkowo zorientowanych, spoin do niesztywnionych półek ani spoin długich.
Więz między elementem spoiny a węzłami siatki
Spoiny ogólne, przy zastosowaniu plastycznej redystrybucji, mogą być ustawione jako ciągłe, częściowe i przerywane. Spoiny ciągłe obejmują całą długość krawędzi, częściowe pozwalają użytkownikowi na ustawienie odsunięć od obu stron krawędzi, a spoiny przerywane można dodatkowo definiować z zadaną długością i przerwą.