Fatigue Module

Zur spannungs- und dehnungsbasierten Ermüdungsanalysen im nieder- und hochzyklischen Bereich (LCF und HCF)

Fatigue Module

Niederzyklische Ermüdung durch plastische Verformung in der Nähe einer Bohrung. Abgebildet ist der Logarithmus der Lebensdauer in Abhängigkeit der Anzahl der Zyklen zusammen mit einer Spannungs-Dehnungs-Kurve für die ersten Lastzyklen.

Ermüdungsanalyse für viele verschiedene Strukturen und Anwendungen

Wenn Strukturen wiederholten Be- und Entlastungen ausgesetzt sind, können sie aufgrund von Materialermüdung bereits bei Lasten unter der statischen Lastgrenze versagen. Virtuelle Ermüdungsanalysen werden in der COMSOL Multiphysics-Umgebung mit dem Fatigue Module, ein Zusatzmodul des Structural Mechanics Module, ausgeführt. Mit den spannungs- und dehnungsbasierten Methoden mit kritischer Ebene können Sie die nieder- und hochzyklische Ermüdung auswerten. Bei Anwendungen mit nichtlinearen Materialien können Sie energiebasierte Methoden oder Modelle des Typs Coffin-Manson verwenden, um thermische Ermüdung zu simulieren. Wenn Sie mit variablen Lasten zu tun haben, können Sie aus dem Lastverlauf und der Ermüdungsgrenze eine kumulierte Schadensanalyse berechnen. Ein Ermüdungslastzyklus kann für Volumenkörper, Platten, Wandungen, mehrere Körper, Anwendungen mit thermischen Spannungen und Verformungen und sogar für piezoelektrische Geräte simuliert werden. Um die Recheneffizienz bei Ermüdung unter der Oberfläche oder auf Oberflächen initiiert zu verbessern, kann eine Ermüdungsauswertung in Gebieten, auf Rändern, Linien und in Punkten durchgeführt werden.

Spannungs- und dehnungsbasierte Modelle mit kritischer Ebene

Modelle mit kritischer Ebene suchen nach einer Ebene, die besonders anfällig für Rissbildung und Rissausbreitung und daher ein ermüdungskritischer Bereich ist. Diese Modelle sind im Fatigue Module sowohl für spannungs- als auch dehnungsbasierte Ansätze verfügbar. Im Bereich der hochzyklischen Ermüdung mit sehr geringer Plastizität werden in der Regel spannungsbasierte Modelle verwendet. Im Fatigue Module werden sie nach den Findley-, Normalspannungs- und Matake-Kriterien berechnet. Diese ermitteln die Ermüdungsausnutzung, die dann mit der Ermüdungsgrenze verglichen wird.

Dehnungsbasierte Modelle werten beim Definieren einer kritischen Ebene Dehnungen oder Kombinationen aus Spannung und Dehnung aus. Nachdem die kritische Ebene identifiziert wurde, wird die Anzahl der Zyklen bis zum Versagen prognostiziert. Das Fatigue Module enthält die Modelle Smith-Watson-Topper (SWT), Fatemi-Socie und Wang-Brown. Diese Modelle werden in der Regel für niederzyklische Ermüdung mit großen Dehnungen verwendet. Zur Verfügung stehen auch die Neuber-Regel und die Hoffmann-Seeger-Methode, mit denen Sie die Auswirkung der Plastizität in einer schnellen linear-elastischen Simulation näherungsweise berechnen können. Bei Verwendung des Nonlinear Structural Materials Module ist es außerdem möglich, einen vollständigen elastoplastischen Ermüdungszyklus zu berücksichtigen.

Weitere Bilder

  • Hochzyklische Ermüdungsanalyse für eine nichtproportionale Last mit der Methode der kritischen Ebene. Hochzyklische Ermüdungsanalyse für eine nichtproportionale Last mit der Methode der kritischen Ebene.
  • Die Verteilung der Spannungszyklen an einem bestimmten Punkt in einem Matrix-Histogramm, welche anhand des Rainflow-Zählalgorithmus berechnet wurde. Auf der horizontalen Achse sind die Spannungsmittel und auf der vertikalen Achse die Spannungsamplituden dargestellt. Die Verteilung der Spannungszyklen an einem bestimmten Punkt in einem Matrix-Histogramm, welche anhand des Rainflow-Zählalgorithmus berechnet wurde. Auf der horizontalen Achse sind die Spannungsmittel und auf der vertikalen Achse die Spannungsamplituden dargestellt.
  • Eine Probe mit mittigem Ausschnitt wird einer Zufallslast von 1.000 Lastereignissen ausgesetzt. Die Spannungsverteilung wird mit dem Rainflow-Zählalgorithmus berechnet, die Schätzung des Schadens erfolgt anhand der Palmgren-Miner-Regel für die lineare Schadensakkumulation. Eine Probe mit mittigem Ausschnitt wird einer Zufallslast von 1.000 Lastereignissen ausgesetzt. Die Spannungsverteilung wird mit dem Rainflow-Zählalgorithmus berechnet, die Schätzung des Schadens erfolgt anhand der Palmgren-Miner-Regel für die lineare Schadensakkumulation.
  • Lötstelle eines oberflächenmontierten Widerstands. Lebensdauervorhersage auf der Basis der abgegebenen Kriechenergie in einem thermischen Ermüdungszyklus. Lötstelle eines oberflächenmontierten Widerstands. Lebensdauervorhersage auf der Basis der abgegebenen Kriechenergie in einem thermischen Ermüdungszyklus.

Thermische Ermüdung

Materialdehnungen oder -kontraktionen aufgrund von Temperaturänderungen führen Spannungen und Dehnungen ein, die zum Versagen führen können. Das Fatigue Module bietet eine Reihe von Tools, um dies in einer thermischen Ermüdungsmodellierung zu untersuchen. Der thermische Lastzyklus kann unter Verwendung des Thermische Spannung und des Joulesche Erwärmung und thermische Ausdehnung Physikinterfaces simuliert werden. Thermischer Ermüdungsbruch kann mit verschiedenen Ermüdungsmodellen ausgewertet werden. Bei nichtlinearen Materialien umfasst dies das Coffin-Manson-Modell und die energiebasierten Morrow und Darveaux Beziehungen. Zusätzlich zu den verfügbaren Optionen für unelastische Dehnungen oder abgeführt Energien können die Modelle zur Ermüdungsbewertung auch vom Benutzer geändert werden, um Spannung oder energieabhängige Ausdrücke bei der Berechnung der Ermüdung auszuwerten.

Kumulative Schadensanalyse

Zufallslasten verursachen bei einer Struktur eine Vielzahl von Spannungen unterschiedlicher Größenordnung. Die kumulative Schadensanalyse im Fatigue Module identifiziert nicht nur die Gesamtentwicklung im Spannungsverlauf, sondern berechnet auch den kumulierten Schaden aus jedem Lastereignis. Der Spannungsverlauf lässt sich anhand der Hauptspannung oder Von-Mises-Spannung bewerten. Ein Vorzeichen wird aus der Haupt- oder hydrostatische Spannung bestimmt. Der Lastverlauf wird dann mit dem Rainflow-Zählalgorithmus verarbeitet und der Schaden wird anhand der Palmgren-Miner-Regel für die lineare Schadensakkumulation berechnet. Der Effekt des thermischen Widerstands (R) fließt über die einschränkende Wöhlerkurve ein.

Wenn die Analyse mit Zufallslast viele Lastereignisse aufweist, nimmt die Simulation des Lastzyklus sehr viel Zeit in Anspruch. Dieser Zeitaufwand lässt sich erheblich reduzieren, wenn die nichtlinearen Effekte in der Simulation außer Betracht gelassen werden. In diesem Fall kann der Spannungszyklus mithilfe von Superposition beschrieben werden, die in der kumulativen Schadensanalyse zur Auswahl steht. Durch die Nutzung dieser Technik verkürzt sich nicht nur die Berechnungszeit. Auch die Größe des Modells, das für die Ermüdungsbewertung gespeichert werden muss, wird erheblich reduziert.

Visualisieren der Ermüdungsberechnungen

Im Fatigue Module werden die Anzahl der Zyklen bis zum Versagen und die Ermüdungsausnutzung berechnet. In kumulativen Schadenssimulationen kann die Spannungsverteilung einer angewendeten Zufallslast zusammen mit der relativen Ermüdungsausnutzung angezeigt werden. Diese Simulation zeigt den Anteil einer bestimmten Ermüdungslast an der gesamten Ermüdungsausnutzung, was in diesem Fall als Schaden betrachtet wird. Die Spannungsverteilung wird als Funktion von Spannungsamplitude und Spannungsmittel dargestellt.

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