Модуль Усталость материала (Fatigue)

Программное обеспечение для анализа малоцикловой и многоцикловой усталости материалов, связанной с напряжениями и деформациями

Модуль Усталость материала (Fatigue)

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. 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. 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. 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).

Анализ накопленных повреждений

Случайные нагрузки создают в конструкции напряжения разной величины. Анализ накопленных повреждений в модуле усталости позволяет не только выявлять общие тенденции в истории напряжений, но и рассчитывать накопленное повреждение от каждого из них. Историю напряжений можно оценивать по основным напряжениям или напряжениям фон Мизеса, а знак определяется согласно принципу гидростатических нагрузок. Затем история нагружений обрабатывается по алгоритму Rainflow, а повреждение оценивается согласно правилу линейного накопления повреждений Пальмгрена - Майнера. Влияние коэффициента пластической деформации (R-значения) учитывается ограничением кривой усталости (S-N).

Если при анализе случайных нагружений количество событий нагружения велико, моделирование цикла нагружения занимает много времени. Это время можно значительно сократить, исключив из моделирования нелинейные эффекты. В этом случае цикл напряжений можно прогнозировать путем суперпозиции, которая выбирается при анализе накопленных повреждений. Применение этого метода позволяет не только сократить продолжительность вычислений, но и значительно уменьшить размер модели, которую необходимо хранить для оценки усталости.

Тепловая усталость

Температурное расширение и сжатие материалов приводят к концентрации напряжений и накоплению деформаций, которые могут вызвать разрушение. Модуль усталости содержит несколько инструментов для моделирования этих явлений. Цикл теплового нагружения можно моделировать, используя физические интерфейсы теплового напряжения, Джоулева нагрева и теплового расширения. Для оценки тепловой усталости можно использовать несколько моделей. 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 рассеянием энергии, модели оценки усталости также могут быть изменены пользователем с целью оценки выражений для деформации или энергии при расчете усталости.

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.

Standing Contact Fatigue

Cycle Counting in Fatigue Analysis - Benchmark

Fatigue Response of a Random Non-Proportional Load

Fatigue Analysis of a Wheel Rim

Fatigue Analysis of a Nonproportionally Loaded Shaft with a Fillet

Rolling Contact Fatigue in a Linear Guide

Energy-Based Thermal Fatigue Prediction in a Ball Grid Array

High-Cycle Fatigue Analysis of a Cylindrical Test Specimen

Frame Fatigue Life

Notch Approximation to Low-Cycle Fatigue Analysis of Cylinder with a Hole