ПРОДУКТ:Модуль «Усталость материала»

Анализируйте много- и малоцикловые режимы усталости с помощью модуля «Усталость материала»

Малоцикловая усталость, возникающая в результате пластической деформации вблизи отверстия, продемонстрированная в виде логарифма от усталостной долговечности. Показан также график зависимости деформаций от напряжений для нескольких первых циклов нагружения.

Анализ усталости для различных конструкций и областей применения

Когда конструкция подвергается циклическому нагружению, постепенное накопление повреждений, которое называется усталостью материала, может привести к разрушению при нагрузке меньшей, чем статический предел прочности. В среде COMSOL Multiphysics можно выполнить численный анализ усталости в модуле «Усталость материала», представляющем собой расширение модуля «Механика конструкций». Модуль «Усталость материала» содержит набор моделей усталости. Применимость той или иной модели зависит от материала детали и типа нагружения.

Классические методы оценки многоцикловой и малоцикловой долговечности с помощью кривой усталости (stress-life methods/strain-life methods) основываются на зависимости амплитуды напряжения или деформации от усталостной долговечности. Также, используя методы критической плоскости на основе анализа напряжений или деформаций, можно оценивать малоцикловый и многоцикловый режимы усталости при сложном нагружении. При работе с нелинейными материалами для моделирования термической усталости можно использовать методы на основе учёта энергии или модели типа Коффина-Мэнсона. При наличии переменных нагрузок накопленное повреждение можно рассчитать по истории нагружений и пределу выносливости.

Цикл усталостной нагрузки может быть смоделирован для твёрдых тел, пластин, оболочек, многотельных конструкций, для случаев термических напряжений и деформаций, и даже для пьезоэлектрических устройств. Для повышения эффективности расчётов при работе с усталостью, возникающей в различных частях детали, оценку усталости можно проводить по областям, границам, линиям и точкам.

Дополнительные иллюстрации

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

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

Паяное соединение при поверхностном монтаже резистора. Срок службы спрогнозирован благодаря оценке рассеиваемой энергии ползучести в одном цикле анализа термической усталости.

Кривая усталости

При анализе усталости классическими методами строится кривая усталости, на которой демонстрируется зависимость амплитуды напряжений или деформаций от циклической долговечности. Эти модели предоставляют набор методов, в которых кривая усталости может быть задана различными способами. Эти модели подходят для пропорциональной нагрузки, когда, например, нагрузка колеблется между двумя значениями при одном и том нагруженном состоянии. Среди методов оценки многоцикловой долговечности с помощью кривых усталости выделяют следующие: классическая S-N кривая, модель Баскина и приближенная S-N кривая. Для оценки малоцикловый долговечности с помощью кривых усталости используйте модель на основе E-N кривой, модель Коффина-Мэнсона и комбинированную модель Баскина и Коффина-Мэнсона.

Модели критической плоскости на основе анализа напряжений и деформаций

В моделях критической плоскости осуществляется поиск плоскости, в которой с наибольшей вероятностью могут появиться и распространиться усталостные трещины. В модуле «Усталость материала» эти модели представлены как на основе анализа напряжений, так и деформаций. При многоцикловой усталости, когда пластичность ограничена, обычно используют модели на основе анализа напряжений. В этом модуле они рассчитываются по критериям Финдли, Матаке и нормального напряжения. Это позволяет рассчитать накопленные повреждения и сравнить их с пределом выносливости.

Модели, основанные на анализе деформаций, при определении критической плоскости предоставляют возможность оценить деформации или комбинации деформаций и напряжений. После определения критической плоскости оценивается количество циклов до разрушения. В модуле используются модели Смита - Ватсона - Топпера, Фатеми - Сочи и Ванга - Брауна. Эти модели обычно используются при малоцикловой усталости, когда деформации велики. Для учёта пластичности при быстром линейно-упругом моделировании используются приближения на основе правила Нойбера и метода Хоффмана - Сигера. Кроме того, есть возможность рассмотреть полный упругопластический цикл усталости, используя возможности модуля «Нелинейные материалы».

Визуализация расчетов усталости

Модуль «Усталость материала» рассчитывает количество циклов до разрушения и повреждения в материале. При моделировании накопленных повреждений распределение напряжений от приложенной случайной нагрузки может быть визуализировано совместно с относительным повреждением материала. Такое моделирование показывает вклад конкретной усталостной нагрузки в общее повреждение. Распределение напряжений представляется как функция от амплитуды напряжения и среднего напряжения.