Усталость материала

Модели на основе анализа напряжений и деформаций

Для многоосных случаев многие из наиболее популярных критериев усталости используют метод критической плоскости для расчёта усталости. Такой подход подразумевает определение плоскости, на которой максимально выражено напряжение или деформация. В разных моделях усталости используются разные выражения от напряжений или деформаций, а в модуле «Усталость материала» представлены модели, основанные как на напряжениях, так и на деформациях.

Для многоцикловых режимов усталости, где пластические деформации пренебрежимо малы, используются модели Финдли, Нормальных напряжений, Матаке, или Данг Вана на основе напряжений. Они позволяют рассчитать коэффициент повреждения и сравнить их с пределом выносливости.

Для случаев, где пластическими деформациями нельзя пренебречь, доступны модели на основе деформаций. Они используют выражения деформации или выражения, которые содержат и напряжение и деформацию, для расчёта количества циклов до усталостного разрушения. Модели Смита - Ватсона - Топпера, Фатеми - Сочи, и Ванга - Брауна обычно применяются в случаях малоцикловой усталости.

Модель накопленных повреждений

В случаях, когда цикл нагрузки не постоянный, нагружение описывается полной историей напряжений, а не одним циклом постоянного напряжения. Вы можете использовать опцию Cumulative Damage для оценки усталости конструкции, которая подвергается либо переменным нагрузкам, либо «случайным» нагрузкам, где соответствующие напряжения группируются с помощью метода «дождя». Когда распределение напряжений известно, повреждение оценивается согласно гипотезе линейного суммирования повреждений Пальмгрена - Майнера с использованием кривой усталости (S-N кривой). Результатом является коэффициент повреждений, который говорит насколько близок цикл нагрузки к пределу усталости; подсчитанные циклы напряжения, демонстрирующие распределение напряжений определённого уровня при приложенной нагрузке; и относительный коэффициент повреждения, демонстрирующий вклад напряжения каждого уровня в общий коэффициент повреждения. Для визуализации посчитанных циклов напряжений и относительного коэффициента повреждения может быть использована матричная гистограмма.

Вибрационная усталость

Если конструкция подвергается вибрациям, это может привести к усталости. В общем случае вибрации можно разделить на детерминированные и случайные. Модуль «Усталость материала» содержит опции для оценки усталости в каждом из указанных случаев.

Анализ усталости при гармонических вибрациях или колебаниях основывается на результатах расчёта в частотной области в заданном диапазоне частот. При анализе усталости вы дополнительно указываете дополнительные настройки, например, время, проведенное на каждой частоте, или скорость изменения частоты во времени. Результатом будет являться коэффициент повреждения, который указывает, какая часть усталостной долговечности была израсходована циклами в заданном диапазоне частот.

Анализ усталости при случайных вибрациях основывается на результатах анализа случайной вибрации, где нагрузка представляется в виде спектральной плотности мощности (СПМ). Опция Random Vibration в физическом интерфейсе Fatigue позволяет задать любую меру линейного напряжения и получить различные результаты с помощью СПМ-отклика. Проведенное с такими настройками исследование даст возможность оценить конструкцию с точки зрения риска усталостного разрушения.

Модели, основанные на кривой усталости

Stress-life и strain-life модели в модуле «Усталость материала» представляют собой набор методов, в которых амплитуды напряжения или деформации связаны с усталостной долговечностью посредством кривой усталости. Эти модели хорошо подходят в случае пропорциональной нагрузки, например, когда отдельная нагрузка колеблется между двумя значениями. Для моделирования многоцикловой нагрузки с помощью кривой усталости доступны следующие методы: классическая S-N кривая, модель Баскина и приближенная S-N кривая. Для оценки малоцикловой нагрузки доступны модель на основе E-N кривой, модель Коффина-Мэнсона и комбинированная модель Баскина и Коффина-Мэнсона.

Энергетические методы

Модуль «Усталость материала» содержит две модели на основе энергии: Морроу и Дарво. Эти модели используют, чтобы объединить вклад напряжений и деформаций в энергию, которая высвобождается или рассеивается во время цикла нагрузки.

Эти модели, как правило, подходят для примеров, связанных с нелинейными материалами в режиме малоцикловой усталости. Так как энергия может быть вычислена различными способами, эти модели можно использовать как в моделях с пропорциональной, так и с непропорциональной нагрузкой.

Модели, основанные на энергии, зависят от диссипации энергии. Диссипация энергии означает, что энергия поглощается материалом и не может быть восстановлена. Такое поведение демонстрируют неупругие материалы, и его можно смоделировать, объединив модуль «Усталость материала» с модулем «Нелинейные материалы» или модулем «Геомеханика».

Мультифизика для комплексного анализа

Расширение или сжатие материала из-за изменений температуры приводит к концентрации напряжений и накоплению деформаций, которые могут привести к разрушению. Разрушение от термической усталости можно оценить с помощью нескольких моделей усталости. Для материалов с нелинейными характеристиками применяется модель Коффина - Мэнсона, а также энергетические уравнения Морроу и Дарво. В дополнение к имеющимся вариантам для неупругих деформаций или вариантам с диссипацией энергии модели усталости также могут быть изменены пользователем для оценки выражений для деформации или энергии при расчёте усталости.

Для учёта пластичности при быстром линейно-упругом моделировании можно использовать приближения на основе правила Нойбера и метода Хоффмана - Сигера. Есть возможность рассмотреть полный упругопластический цикл усталости, дополнительно используя возможности модуля «Нелинейные материалы».

Для оценки усталости в многотельных системах и твердотельных роторах модуль «Усталость материала» можно использовать совместно с инструментами модуля «Динамика многотельных систем» и модуля «Роторная динамика».