Fatigue Module

Spannungs- und dehnungsbasierte hoch- und niedrigzyklische Ermüdung mit dem Fatigue Module analysieren

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, einem Zusatzmodul des Structural Mechanics Module, ausgeführt, das eine Sammlung von Ermüdungsmodellen enthält. Die Anwendbarkeit jedes Modells hängt von Faktoren wie Material und Belastungsart ab. Die klassischen Methoden der Spannungs- und Dehnungslebensdauer beziehen eine Spannung oder Dehnungsamplitude auf eine Ermüdungslebensdauer. 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.

Weitere Bilder:

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.

Lötstelle eines oberflächenmontierten Widerstands. Lebensdauervorhersage auf der Basis der abgegebenen Kriechenergie in einem thermischen Ermüdungszyklus.

Ermüdungskurve

Bei der Analyse der Ermüdung mit klassischen Methoden bezieht sich die Spannung bzw. die Dehnungsamplitude über eine Ermüdungskurve auf die Ermüdungslebensdauer. Die Modelle für die Spannungslebensdauer und die Dehnungslebensdauer bieten eine Sammlung von Methoden, mit denen die Ermüdungskurve auf verschiedene Weise definiert werden kann. Diese Modelle eignen sich für die proportionale Belastung, wenn z.B. eine einzelne Last zwischen zwei Werten oszilliert. Sie können die hochzyklische Ermüdung mit den Spannungs-Lebensdauer-Modellen behandeln, welche die klassische S-N-Kurve, das Basquin-Modell und eine ungefähre S-N-Kurve enthalten. Sie können Ermüdungsvorhersagen mit niedrigen Zyklen erstellen, indem Sie die Dehnungs-Lebensdauer-Modelle verwenden, welche die E-N-Kurve, Coffin-Manson und das kombinierte Basquin- und Coffin-Manson-Modell enthalten.

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.

Visualisieren Ihrer 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.