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.
Анализ накопленных повреждений
Случайные нагрузки создают в конструкции напряжения разной величины. Анализ накопленных повреждений в модуле Усталость материала позволяет не только выявлять общие тенденции в истории напряжений, но и рассчитывать накопленное повреждение от каждого из них. Историю напряжений можно оценивать по главным напряжениям или напряжениям по Мизесу, а знак определяется согласно принципу гидростатической нагрузки. Затем история нагружений обрабатывается по алгоритму Rainflow, а повреждение оценивается согласно гипотезе линейного суммирования повреждений Пальмгрена - Майнера. Влияние коэффициента асимметрии (R-value) учитывается через ограничение кривой усталости (S-N кривой).
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 путём суперпозиции, которая выбирается при анализе накопленных повреждений. Применение этого метода позволяет не только сократить время вычислений, но и значительно уменьшить размер модели, которую необходимо хранить для оценки усталости.
Термическая усталость
Температурное расширение и сжатие материалов приводят к возникновению концентрации напряжений и накоплению деформаций, которые могут вызвать разрушение. Модуль «Усталость материала» содержит несколько инструментов для моделирования этих явлений. Цикл теплового нагружения можно моделировать, используя физические интерфейсы Thermal Stress, Joule Heating и Thermal Expansion. Для оценки термической 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 диссипацией энергии, модели оценки усталости также могут быть изменены пользователем для оценки выражений для деформации или энергии при расчёте усталости.
Вибрационная усталость
Вибрационная усталость - это метод оценки, основанный на анализе в частотной области, вычисляющем результаты для ряда частот. Он используется для прогнозирования результатов эксперимента, в котором структура подвергается возбуждение с возрастающей частотой, иногда называемому анализом синусоидальной развертки. Для анализа вибрационной усталости доступны следующие настройки:
- Точное время, проведённое на каждой частоте
- Точное количество циклов, проведённой на каждой частоте
- Линейное увеличение частоты
- Логарифмическое увеличение частоты
Ключевые особенности
- Кривые усталости
- Анализ накопленных повреждений
- Многоцикловая усталость
- Малоцикловая усталость
- Методы оценки многоцикловой долговечности с помощью кривых усталости
- Методы оценки малоцикловой долговечности с помощью кривых усталости
- Основанные на напряжениях методы
- Основанные на деформациях методы
- Энергетический метод
- Термическая усталость
- Вибрационная усталость
- Метод критической плоскости
- Критерий S-N-кривой
- Критерий Баскина
- Критерий приближенной S-N-кривой
- Критерий E-N кривой
- Критерий Коффина-Мэнсона
- Комбинированный критерий Баскина и Коффина-Мэнсона
- Критерий Финдли
- Критерий Матаке
- Критерий нормальных напряжений
- Критерий Фатеми-Сочи
- Критерий Смита-Уотсона-Топпера (SWT)
- Критерий Уонга-Брауна
- Поправка средних напряжений Морроу
- Критерий Дарво
- Критерий Морроу
- Метод "дождя"
- Правило линейного разрушения Палмгрина-Майнера
- Приближенные методы анализа усталостной долговечности упруго-пластических материалов
Frame Fatigue Life
Analyzing fatigue with simulation, rather than running fatigue experiments, is a much quicker way to determine whether a certain design will fail after repeated loading and unloading. This application allows you to evaluate the fatigue life of a frame with a cutout. It is useful for understanding the concept of fatigue and how to build an ...
Fatigue Analysis of a Wheel Rim
A fatigue analysis is performed on a wheel rim. The Findley fatigue criterion is examined. The submodeling technique is utilized performed a detailed study on the critical part of a spike. At first a study of the full model is made. The critical part is identified and a submodel is reanalyzed. The road load, which rotates around the wheel, is ...
Fatigue Response of a Random Nonproportional Load
A frame with a central cutout is subjected to a random load consisting of 1000 load events. The external load, recorded using three strain gauges, is simulated using superposition of three unit loads. The stress state around the cutout is obtained with the Rainflow cycle counting algorithm. The damage is estimated using the Palmgren-Miner linear ...
Notch Approximation to Low-Cycle Fatigue Analysis of Cylinder with a Hole
A load carrying component of a structure is subjected to multi-axial cyclic loading during which localized yielding of the material occurs. In this model you perform a low cycle fatigue analysis of the part based on the Smith-Watson-Topper (SWT) model. Due to localized yielding, you can use two methods to obtain the stress and strain ...
Elastoplastic Low-Cycle Fatigue Analysis of Cylinder with a Hole
A load carrying component of a structure is subjected to multi-axial cyclic loading during which localized yielding of the material occurs. In this model you perform a low cycle fatigue analysis of the part based on the Smith-Watson-Topper (SWT) model. Due to localized yielding, you can use two methods to obtain the stress and strain ...
Fatigue Analysis of a Nonproportionally Loaded Shaft with a Fillet
This example shows how to perform a High Cycle Fatigue (HCF) analysis with a non-proportional load history caused by a transversal force and a torque which are applied in different combinations. Three different fatigue models (Findley, Matake, and Dang Van) are compared.
Standing Contact Fatigue
A standing contact fatigue test is a procedure used for testing crack growth on the subsurface level. In such a test, a spherical object is pressed against the tested materials and cycled between a high and low compressive load. No translational movement between the two occurs. After a period of time, surface cracks can be observed on the flat ...
Rolling Contact Fatigue in a Linear Guide
When a linear guide is loaded above the manufacturer's specification limit, one concern is whether the contact loads will introduce fatigue spalling. In this system analysis, the entire guide has been analyzed and the mostly damaging contact load has been identified to occur on a rail raceway. Since spalling is initiated by a fatigue crack on the ...
Thermal Fatigue of a Surface Mount Resistor
A surface mount resistor is subjected to thermal cycling. The difference in the thermal expansion of different materials will introduce stresses in the structure. The solder which connects the resistor with the printed circuit board is seen as the weakest link in the assembly. It responds nonlinearly to changes in both temperature and time. In ...
Energy-Based Thermal Fatigue Prediction in a Ball Grid Array
In a cooling system, a microelectronic component has been identified as the critical link. Since the power is repeatedly switched on and off, the component is subjected to thermal cycling. As a results a crack grows through a solder joint and disconnects the chip from the printed circuit board so that the component loses its operational ...
Каждая компания имеет уникальные требования к моделированию.
Свяжитесь с нами, чтобы точно определить, подойдет ли программный пакет COMSOL Multiphysics® для решения ваших инженерных или научных задач. Обсудив основные аспекты с одним из наших менеджеров, вы получите личные рекомендации и подробные примеры, которые помогут вам сделать верный выбор и подобрать подходящую конфигурацию продуктов и тип лицензии.
Просто нажмите кнопку "Связаться с COMSOL", укажите свои контактные данные, сформулируйте вопросы и отправьте нам эту заявку. Наша цель — ответить вам в течение одного рабочего дня!
Следующий шаг
Запрос информации о программе