Обновления модуля Усталость материала

Пользователи модуля Усталость материала в COMSOL Multiphysics® версии 5.2a получат возможность использовать новую модель Данг Вана, подготовленную для быстрого и точного моделирования сжимающих нагрузок, контактной усталости, подповерхностной усталости и раскалывания. Были добавлены новые и расширенные учебные модели, иллюстрирующие варианты приложения новой функции. Более подробная информация об обновлениях модуля Усталость материала представлена ниже.

Моделирование подповерхностной усталости

Семейство моделей усталости материала на основе напряжения было дополнено моделью Данг Вана. Новая модель позволяет включить восприимчивость состояния сжатия в расчет усталостной прочности посредством гидростатического напряжения. Модель Данг Вана подходит для оценки сжимающих нагрузок и контактной усталости. Данная модель может использоваться для расчета подповерхностной усталостной прочности вплоть до момента раскалывания, которое наблюдается, например, в конструкции подшипников и направляющих.

Расчетная подповерхностная усталость в материале с упрочненной поверхностью (на основе модели Данг Вана). Расчетная подповерхностная усталость в материале с упрочненной поверхностью (на основе модели Данг Вана).
Расчетная подповерхностная усталость в материале с упрочненной поверхностью (на основе модели Данг Вана).

Расчет по модели Данг Вана можно производить для одномерных, двухмерных и трехмерных сущностей. Однако при моделировании подповерхностной усталости лучше всего подходит расчет на уровне трехмерных областей. Но усталостный анализ может потребовать больше времени, поскольку самые большие напряжения обычно наблюдаются на глубине 10–100 мкм под поверхностью и точное решение требует плотной дискретизации на всем интервале глубин. Кроме того, если контактная нагрузка передается по криволинейным поверхностям, также требуется плотная сетка по двум измерениям поверхности. Однако расчеты можно с легкостью параллелизовать, и при проведении вычислений на нескольких процессорах время расчетов уменьшается.

Путь к примерам, демонстрирующим моделирование подповерхностной усталости и использование модели Данг Вана, в Библиотеке приложений:

Fatigue_Module/Stress_Based/standing_contact_fatigue
Fatigue_Module/Stress_Based/shaft_with_fillet
Fatigue_Module/Stress_Based/linear_guide

Параметризация моделей усталости

Большинство настроек модели усталости было параметризовано. Это значит, что настройкам модели усталости могут быть назначены параметры и переменные, а их воздействие на модель может быть оценено с помощью параметрического исследования. Единственными опциями, которые не могут быть параметризованы, являются Number of mean value bins (Количество элементов разрешения по среднему значению) и Number of range bins (Количество элементов разрешения по дальности) из состава инструмента Cumulative Damage (Накопленное повреждение).

Путь в Библиотеке приложений к примеру, демонстрирующему использование параметризации в модели усталости:

Fatigue_Module/Stress_Life/bracket_fatigue

Параметрическое исследование коэффициента напряжения, используемое для изменения кривой SN для различных условий окружающей среды и производственных условий. Параметрическое исследование коэффициента напряжения, используемое для изменения кривой SN для различных условий окружающей среды и производственных условий.

Параметрическое исследование коэффициента напряжения, используемое для изменения кривой SN для различных условий окружающей среды и производственных условий.

Новая учебная модель: Постоянная контактная усталость

Испытание на постоянную контактную усталость используется для исследования роста трещин на подповерхностном уровне. Данное испытание предусматривает размещение сферического объекта с приложением давления к исследуемому материалу. После этого к сферическому объекту последовательно прикладываются большие и малые сжимающие нагрузки. Смещения одного объекта относительно другого не происходит.

После определенного времени на поверхности плоского объекта возникают трещины, однако при дальнейшем исследовании данного компонента выявляются множественные трещины на подповерхностном уровне. Обычно поверхность выполняется закаленной, что приводит к изменению ее характеристик по сравнению с характеристиками материала остальной части объекта. Процесс поверхностной закалки оказывает влияние на прочность материала, степень общей закалки объекта и его усталостные характеристики. В то же время в толще объекта проявляются остаточные напряжения.

Можно отчетливо наблюдать три слоя материала в зависимости от влияния усталости. Наиболее близкая к поверхности область обладает прочным внешним слоем, в то время как в центре характеристики материала остаются неизменными. Между этими областями находится переходный слой, в котором присутствуют значительные изменения как характеристик материала, так и остаточных напряжений. Все эти эффекты включаются в моделирование цикла нагрузки.

В данном примере усталость моделируется с помощью модели Данг Вана. В результате мы видим напряжения, являющиеся комбинацией остаточного состояния после процесса закалки и структурного отклика на пластическую деформацию вследствие давления сферического объекта. Явление пластичности возникает только во время первого цикла приложения нагрузки, так как последующие циклы являются упругими по своей природе. Второй цикл приложения нагрузки в таком случае может рассматриваться в качестве стабильного цикла приложения нагрузки и использоваться в дальнейшем исследовании усталости.

Путь в Библиотеке приложений к учебной модели, демонстрирующей явление постоянной контактной нагрузки:

Fatigue_Module/Stress_Based/standing_contact_fatigue

Действующее напряжение в материале с упрочненной поверхностью при пиковой нагрузке. Наибольшие величины напряжения расположены непосредственно под поверхностью. Кроме того, наблюдается локальный максимум напряжения на границе соприкосновения переходного слоя и сердечника. Действующее напряжение в материале с упрочненной поверхностью при пиковой нагрузке. Наибольшие величины напряжения расположены непосредственно под поверхностью. Кроме того, наблюдается локальный максимум напряжения на границе соприкосновения переходного слоя и сердечника.

Действующее напряжение в материале с упрочненной поверхностью при пиковой нагрузке. Наибольшие величины напряжения расположены непосредственно под поверхностью. Кроме того, наблюдается локальный максимум напряжения на границе соприкосновения переходного слоя и сердечника.

Новая учебная модель: Rolling Contact Fatigue in a Linear Guide (Контактная усталость при прокатке линейной направляющей)

При нагружении линейной направляющей сверх рекомендованной производителем величины существует опасность, что контактные нагрузки приведут к усталостному выкрашиванию. Данный системный анализ рассматривает направляющую целиком, определяя наиболее повреждающие контактные нагрузки для железнодорожного полотна. Поскольку в основе выкрашивания лежит усталостная трещина на подповерхностном уровне, производится оценка усталости на основе модели Данг Вана.

Оценка усталости в результате приложения движущейся контактной нагрузки к изогнутой поверхности требует наличия управляемой сетки. Размер ячейки должен быть мелким настолько, чтобы корректно решать уравнение контактного давления на поверхность. Так как мы анализируем прокатный контакт, контактное давление изменяется динамически вдоль всей поверхности, именно поэтому контактная зона должна состоять из небольших элементов. Более того, самые значительные напряжения сдвига находятся на подповерхностном уровне, что требует мелкой сетки для всей толщи модели.

Метод работы в столь непростой ситуации представлен в данной модели.

Путь в Библиотеке приложений к учебной модели, демонстрирующей контактную усталость при прокатке линейной направляющей:

Fatigue_Module/Stress_Based/linear_guide

Сетка, используемая для моделирования линейной направляющей, подверженной контактной усталости при прокатке. Сетка, используемая для моделирования линейной направляющей, подверженной контактной усталости при прокатке.

Сетка, используемая для моделирования линейной направляющей, подверженной контактной усталости при прокатке.

Обновленная учебная модель: Fatigue Analysis of a Non-Proportionally Loaded Shaft with a Fillet (Анализ усталости непропорционально нагруженного вала с пояском)

Данная учебная модель была дополнена функцией прогнозирования усталости на основании модели Данг Вана. Результаты, полученные из трех моделей напряжения (Финдли, Матаке и Данг Вана), последовательно сравниваются друг с другом; различия результатов рассматриваются в документации.

Путь в Библиотеке приложений к обновленной учебной модели:

Fatigue_Module/Stress_Based/shaft_with_fillet

Обновленная учебная модель: Bracket — Fatigue Evaluation (Кронштейн — оценка усталости)

Учебная модель для оценки усталости кронштейна была расширена с помощью параметрического исследования. В расширении пошагово представлен процесс выполнения параметрического исследования анализа усталости — это позволит вам научиться работать с данной функцией.

Путь в Библиотеке приложений к обновленной модели кронштейна:

Fatigue_Module/Stress_Life/bracket_fatigue