Модуль Усталость материала (Fatigue)
Модуль Усталость материала (Fatigue)
Программное обеспечение для анализа малоцикловой и многоцикловой усталости материалов, связанной с напряжениями и деформациями
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.
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.
Vibration Fatigue
Vibration fatigue is an evaluation method based on a frequency-domain analysis making results available for a number of frequencies. It is used for predicting the results from a common type of experiment where a structure is subjected to an excitation with increasing frequency, sometimes called a sine sweep analysis. The following settings are available for vibration fatigue analyses:
- A certain time spent at each frequency
- A certain number of cycles spent at each frequency
- A linear increase of frequency
- A logarithmic increase of frequency
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 ...
Cycle Counting in Fatigue Analysis - Benchmark
A benchmark model of the Rainflow counting algorithm compares results between ASTM and COMSOL fatigue module using a flat tensile test specimen. An extension is made for the cumulative damage calculation following the Palmgren-Miner model and results are compared with analytical expressions.
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 ...
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 ...
High-Cycle Fatigue Analysis of a Cylindrical Test Specimen
A benchmark model for the fatigue module. A cylindrical test is subjected to non-proportional loading. Three stress based models: Findley, Matake, Normal stress, are compared to analytical values and to each other. The non-smooth behavior of the Matake model is captured and discussed.
Fatigue Response of a Random Non-Proportional 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 ...
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 ...
