Модуль Усталость материала (Fatigue)

Analyze Stress- and Strain-Based High- and Low-Cycle Fatigue with the Fatigue Module

Малоцикловая усталость в результате пластической деформации вблизи отверстия характеризуется логарифмической зависимостью от срока службы (количества рабочих циклов) и описывается графиком зависимости деформации от напряжения для первых нескольких циклов нагружения.

Анализ усталости для разнообразных конструкций и областей применения

Если конструкции подвергаются циклическому приложению и снятию нагрузки, то в результате усталости материала возможно его разрушение при меньшей нагрузке, чем статический предел прочности. Виртуальный анализ усталости можно выполнять в среде COMSOL Multiphysics, в модуле Fatigue (Усталость), представляющем собой расширение модуля механики конструкций (Structural Mechanics Module). Используя методы критической плоскости на основе напряжения и деформации, можно оценивать малоцикловый и многоцикловый режимы усталости. При работе с нелинейными материалами можно использовать методы на основе учета энергии или модели типа Коффина-Мэнсона для моделирования тепловой усталости.

При наличии переменных нагрузок накопленное повреждение можно рассчитать по истории нагружений и пределу усталостной прочности. Цикл усталостной нагрузки может быть смоделирован для твердых тел, пластин, оболочек, многотельных конструкций, для случаев тепловых напряжений и деформаций, и даже для пьезоэлектрических устройств. Для повышения эффективности расчетов при работе с усталостью, возникающей под поверхностью или на поверхности, оценку усталости можно проводить по областям, границам, линиям и точкам.

Дополнительные изображения с примерами:

Анализ многоцикловой усталости при непропорциональном нагружении с использованием методов критической плоскости.

Распределение циклов напряжения в определенной точке вычисляется алгоритмом Rainflow и выводится в виде матричной гистограммы. Средние напряжения показаны на горизонтальной оси, амплитуды напряжений - на вертикальной.

Паяное соединение при поверхностном монтаже резистора. Срок службы спрогнозирован исходя из рассеиваемой энергии ползучести в одном цикле анализа тепловой усталости.

Fatigue Curve

When analyzing fatigue through classical methods, the stress or the strain amplitude relates to the fatigue lifetime via a fatigue curve. The stress-life and the strain-life models provide a collection of methods where the fatigue curve can be defined in a variety of ways. These models are suitable for proportional loading when, for example, a single load oscillates between two values. You can address the high-cycle fatigue with the stress-life models containing the classical S-N curve, Basquin model, and an approximate S-N curve. You can make low-cycle fatigue prediction using the strain-life models containing the E-N curve, Coffin-Manson, and Combined Basquin and Coffin-Manson model.

Модели критической плоскости на основе напряжений и деформаций

В моделях критической плоскости осуществляется поиск плоскости, в которой с наибольшйе вероятностью могут появляться и распространяться усталостные трещины. В модуле усталости эти модели представлены на основе как напряжений, так и деформаций. При многоцикловой усталости, когда пластичность сильно ограничена, обычно используются модели на основе напряжений. В этом модуле они рассчитываются по критериям Финдли, Матаке и нормального напряжения. Это позволяет рассчитать усталостный коэффициент использования и сравнить его с усталостным пределом прочности.

Модели, основанные на деформации, при определении критической плоскости оценивают деформации или сочетания деформаций и напряжений. После определения критической плоскости прогнозируется количество циклов до разрушения. В модуле усталости используются модели Смита - Ватсона - Топпера (Smith - Watson - Topper, SWT), Фатеми - Соси и Ванга - Брауна. Эти модели обычно используются при малоцикловой усталости, когда деформации велики. Для аппроксимации эффекта пластичности при быстром линейно-упругом моделировании используются правило Нойбера и метод Хоффмана - Сигера. Кроме того, имеется возможность рассмотреть полный упругопластический усталостный цикл, используя модуль нелинейных конструкционных материалов (Nonlinear Structural Materials Module).

Визуализация расчетов усталости

Модуль Fatigue рассчитывает количество циклов до разрушения и усталостный коэффициент использования. При моделировании накопленных повреждений распределение напряжений от приложенной случайной нагрузки может быть представлено визуально вместе с относительным коэффициентом использования. Такое моделирование показывает вклад конкретной усталостной нагрузки в общий усталостный коэффициент использования, который в данном случае соответствует повреждению. Распределение напряжений представляется как функция амплитуды напряжения и среднего напряжения.