Analysieren Sie die strukturelle Ermüdung mit dem Fatigue Module

Ein Flussdiagramm, das zeigt, wie man ein Ermüdungsmodell auswählt, indem man mit der Belastungsart beginnt.

Identifizierung von Lastzyklen zur Bestimmung des Ermüdungsmodells

Bevor Sie eine Ermüdungsanalyse durchführen, müssen Sie bestimmen, welches Ermüdungsmodell Ihrem Fall genau entspricht. Möglicherweise wissen Sie aufgrund früherer Fälle, welches Ermüdungsmodell zu verwenden ist. Wenn nicht, können Sie sich für ein Modell entscheiden, welches auf den Belastungsbedingungen und dem erwarteten Ermüdungsversagen basiert. Im Allgemeinen lassen sich die Belastungszyklen in die folgenden Fälle unterteilen: Proportionale, nicht-proportionale und Lasten mit variabler Amplitude.

Bei proportionaler Belastung ändert sich die Ausrichtung der Hauptspannungen und -dehnungen während des Belastungszyklus nicht; für HCF wird ein Spannungs-Lebensdauer-Modell und für LCF ein Dehnungs-Lebensdauer-Modell verwendet. Bei nichtproportionaler Belastung ändern sich die Richtungen der Hauptspannungen und -dehnungen: für HCF wird ein spannungsbasiertes Modell und für LCF ein dehnungsbasiertes Modell verwendet. In einigen Fällen reicht die Spannung oder Dehnung allein nicht aus, um die Ermüdungseigenschaften zu charakterisieren, in diesem Fall können energiebasierte Modelle verwendet werden.

Bei Belastungen mit variabler Amplitude, bei denen es keinen konstanten Zyklus gibt, wird die gesamte Belastungshistorie (oder ein ausreichend repräsentativer Teil) berücksichtigt; in diesem Fall würden Sie ein Ermüdungsmodell mit kumulativen Schäden verwenden. Schließlich gibt es eine Option zur Modellierung der Ermüdung durch zufällige Schwingungen, welche die spektrale Leistungsdichte (PSD) als Eingabe verwendet.

Ausführen einer Ermüdungsanalyse in COMSOL Multiphysics^®

Sobald Sie die Art des Lastzyklus und das geeignete Ermüdungsmodell bestimmt haben, können Sie eine Ermüdungsanalyse in COMSOL Multiphysics^® einrichten und durchführen. Als Eingabe verwendet das Fatigue Module die Ergebnisse einer strukturmechanischen Analyse, bei der die Spannungen und Dehnungen berechnet wurden. Die Ergebnisse, auf denen die Ermüdungsauswertung basiert, können aus den folgenden Arten von Analysen stammen:

Stationär
- Lastfälle
- Parametrischer Sweep
Zeitabhängig
Frequenzbereich
Zufällige Vibration (PSD)

Die Ergebnisse Ihrer Ermüdungsanalyse hängen von dem gewählten Ermüdungsmodell ab. Es handelt sich entweder um eine Lebensdauervorhersage in Form der Anzahl der Zyklen bis zur Ermüdung oder um einen Nutzungsfaktor, der angibt, wie nahe ein bestimmter Lastzyklus an der Ermüdungsgrenze liegt. Energiebasierte Analysen liefern eine Lebensdauerprognose und eine Dichte der abgeleiteten Ermüdungsenergie.

Ein Felgenmodell, das die Spannung in der Prisma-Farbtabelle zeigt.

Features und Funktionalitäten im Fatigue Module

Finden Sie verschiedene Arten von Ermüdungsmodellen zur Bewertung der strukturellen Integrität von Komponenten, die wiederholten Belastungen ausgesetzt sind.

Eine Nahaufnahme der stressbasierten Einstellungen und eines Felgenmodells im Grafikfenster.

Spannungs- und dehnungsbasierte Modelle

Für mehrachsige Fälle verwenden viele der gängigsten Ermüdungskriterien einen Ansatz zur Berechnung der Ermüdung auf der kritischen Ebene. Bei diesem Ansatz wird die Ebene identifiziert, auf der ein Spannungs- oder Dehnungsausdruck maximiert wird. Verschiedene Ermüdungsmodelle verwenden unterschiedliche Spannungs- oder Dehnungsausdrücke, und das Fatigue Module bietet sowohl spannungs- als auch dehnungsbasierte Modelle.

Im Bereich der hochzyklischen Ermüdung, wo plastische Dehnungen vernachlässigbar sind, werden spannungsbasierte Modelle – Findley, Normal stress, Matake oder Dang Van – verwendet, um einen Ermüdungsnutzungsfaktor zu berechnen, der mit der Ermüdungsgrenze verglichen wird.

In Situationen, in denen plastische Dehnungen nicht mehr vernachlässigt werden können, sind dehnungsbasierte Modelle verfügbar. Sie verwenden Dehnungsausdrücke oder Ausdrücke, die Spannung und Dehnung kombinieren, um die Anzahl der Zyklen bis zum Ermüdungsbruch zu berechnen. Die Modelle Smith-Watson-Topper (SWT), Fatemi-Socie und Wang-Brown sind in der Regel für Ermüdungssituationen mit geringer Zykluszahl relevant.

Eine Nahaufnahme des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Cumulative Damage und einem dünnwandigen Rahmenmodell im Grafikfenster.

Modell für kumulative Schädigung

In Fällen, in denen der Lastzyklus nicht konstant ist, wird die Belastung durch einen vollständigen Spannungsverlauf und nicht durch einen einzelnen konstanten Spannungszyklus beschrieben. Sie können die Funktion Cumulative Damage verwenden, um die Ermüdung einer Struktur zu bewerten, die entweder variablen Lasten oder einer zufälligen Belastung ausgesetzt ist, bei der die entsprechenden Spannungen mit Hilfe der Rainflow-Zählung gesammelt werden. Sobald die Spannungsverteilung bekannt ist, wird die lineare Schädigungsregel nach Palmgren-Miner verwendet, um die kumulative Schädigung anhand einer S-N-Kurve zu berechnen. Die Ergebnisse sind ein Ausnutzungsfaktor, der angibt, wie nahe der Lastzyklus an der Ermüdungsgrenze liegt, gezählte Spannungszyklen, die die Verteilung des Spannungsniveaus der aufgebrachten Last zeigen, und der relative Ausnutzungsfaktor, der den Beitrag jedes Spannungsniveaus zur gesamten Ermüdungsausnutzung zeigt. Zur Visualisierung der gezählten Spannungszyklen und der relativen Ermüdungsausnutzung können Matrix-Histogramme geplottet werden.

Eine Nahaufnahme der Einstellungen für die Zufallsschwingungen und ein Halterungsmodell im Grafikfenster.

Schwingungsermüdung

Wenn eine Struktur Schwingungen ausgesetzt ist, kann dies zu Ermüdung führen. Schwingungen können grob in deterministische oder zufällige Prozesse unterteilt werden. Das Fatigue Module enthält Funktionen zur entsprechenden Bewertung der Ermüdung.

Die Analyse der harmonischen Schwingungsermüdung basiert auf den Ergebnissen eines Sweeps im Frequenzbereich. Hier geben Sie zusätzlich den Frequenzverlauf an, z. B. die Zeit, die bei jeder Frequenz verbracht wurde, oder eine Änderungsrate der Frequenzzeit. Das Ergebnis ist ein Nutzungsfaktor, der angibt, wie viel von der Lebensdauer durch die Zyklen im Frequenz-Sweep verbraucht wurde.

Die Zufallsschwingung Ermüdungsanalyse basiert auf den Ergebnissen einer Zufallsschwingung Analyse, bei der die Belastung durch PSD repräsentiert wird. Die Funktion Random Vibration in dem Fatigue Interface kann verwendet werden, um ein beliebiges lineares Spannungsmaß zu definieren und liefert mehrere verschiedene Ergebnisse, welche aus der PSD-Antwort hervorgehen. Diese helfen Ihnen, die Struktur im Hinblick auf das Risiko eines Ermüdungsversagens zu bewerten.

Eine Nahaufnahme der Stress-Life-Einstellungen und eines Motormodells im Grafikfenster.

Stress- und Strain-Life Modelle

Die Stress-Life und Strain-Life Modelle im Fatigue Module bieten eine Sammlung von Methoden, bei denen die Spannungs- oder Dehnungsamplitude über eine Ermüdungskurve mit der Lebensdauer in Beziehung steht. Diese Modelle eignen sich für proportionale Lasten, wenn z. B. eine einzelne Last zwischen zwei Werten oszilliert. Für die Simulation von High-Cycle-Fatigue enthält das Modul die Modelle S-N curve, Basquin, und ein Approximate S-N curve stress-life Modell. Für das Low-Cycle-Fatigue Regime stehen die E-N curve, Coffin-Manson, und Combined Basquin and Coffin-Manson strain-life Modelle zur Verfügung.

Eine Nahaufnahme des Model Builders mit dem hervorgehobenen Energy-Based Knoten und dem Modell eines oberflächenmontierten Widerstands im Grafikfenster.

Energiebasierte Modelle

Im Fatigue Module sind zwei energiebasierte Modelle enthalten: Morrow und Darveaux, welche verwendet werden, um die Wirkung von Spannung und Dehnung zu Energie zu kombinieren, die während eines Belastungszyklus freigesetzt oder abgeführt wird.

Diese Modelle eignen sich in der Regel für Anwendungen, bei denen nichtlineare Werkstoffe im Bereich der niederzyklischen Ermüdung (LCF) eingesetzt werden. Da die Energie auf unterschiedliche Weise berechnet werden kann, können diese Modelle sowohl für Anwendungen mit proportionaler als auch mit nichtproportionaler Belastung verwendet werden.

Die energiebasierten Modelle hängen von der dissipierten Energie ab. Energiedissipation bedeutet, dass die Energie vom Material verbraucht wird und nicht wiederhergestellt werden kann. Dieses Verhalten wird von unelastischen Materialien gezeigt und kann durch die Kombination des Ermüdungsmoduls mit dem Nonlinear Structural Materials Module oder dem Geomechanics Module modelliert werden.

Eine Nahaufnahme der Einstellungen für die thermische Ausdehnung und ein Leiterplattenmodell im Grafikfenster.

Multiphysik für erweiterte Analysen

Materialausdehnungen oder -kontraktionen aufgrund von Temperaturänderungen führen zu Spannungskonzentrationen und Dehnungen, die zu einem Versagen führen können. Thermisches Ermüdungsversagen kann mit verschiedenen Ermüdungsmodellen bewertet werden. Für nichtlineare Werkstoffe gehören dazu das Coffin-Manson-Modell und die energiebasierten Morrow- und Darveaux-Beziehungen. Zusätzlich zu den verfügbaren Optionen für inelastische Dehnungen oder dissipierte Energien können die Ermüdungsbewertungsmodelle auch vom Benutzer modifiziert werden, um Dehnungs- oder Energieausdrücke bei der Ermüdungsberechnung auszuwerten.

Sie können die Neubersche Regel und die Hoffmann-Seeger-Methode verwenden, um den Effekt der Plastizität in einer schnellen linear-elastischen Simulation zu approximieren. In Kombination mit dem Nonlinear Structural Materials Module ist es möglich, einen vollständigen elastoplastischen Ermüdungszyklus zu berücksichtigen.

Zur Berechnung des Ermüdungsrisikos in Mehrkörpersystemen und Festkörperrotoren kann das Fatigue Module mit dem Multibody Dynamics Module bzw. Rotordynamics Module kombiniert werden.

Fatigue Module

Identifizierung von Lastzyklen zur Bestimmung des Ermüdungsmodells

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