Image courtesy of National Optical Astronomy Observatory, operated by the Association of Universities for Research in Astronomy, under cooperative agreement with the National Science Foundation.

Основи на изследванията за умора на материалите със SolidWorks Simulation

2 © 2006 SolidWorks Corp. Confidential.

При металите:

– Явление предизвикано от многократно повтарящи се натоварвания.

– Настъпва внезапно, без видими белези и деформации.

– Микро-пукнатини вследствие наличните дефекти в кристалната решетка

– Обикновено стартира от малки прорези или дефекти явяващи се концентратори на напреженията.

– Зависи от множество разнообразни фактори

Какво е умора?

3 © 2006 SolidWorks Corp. Confidential.

Защо са важни анализи на умора?

Традиционно се използва правилото ‘Design for Strength’

В реалната работа натоварванията рядко са статични по своята природа – обикновено винаги има циклична промяна

‘Design for Life’ в комбинация с ‘Design for Strength’

4 © 2006 SolidWorks Corp. Confidential.

Методи за предвиждане

Stress Life (SN) – Напреженията в конструкциите са под от границата на пропорционалност на

материала.

Strain Life (EN) – Напреженията, на които е подложена конструкцията са над границата на

пропорционалност на материала.

Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) – Поведение на микро-пукнатините.

В SolidWorks Simulation

се използва Stress Life

(SN) методът

5 © 2006 SolidWorks Corp. Confidential.

Класификация - HCF и LCF умора

Високо-циклична Ниско-циклична

Ниски напрежения Големи напрежения

1000 – 106 цикъла 10 – 100,000 цикъла

Stress Life (S-N) метод Strain-Life (E-N) метод

Брой цикли на живот Възникване на пукнатини

Няма пластична деформация Големи пластични деформации

6 © 2006 SolidWorks Corp. Confidential.

Напрежения

max

min

S

SR

2

1minmax SSSmean

2

1minmax SSSalt

Коеф. на асиметрия :

Средно напрежение:

Амплитуда:

minSmeanS

maxS

altS

0R0mean S

1R0mean S

7 © 2006 SolidWorks Corp. Confidential.

S-N Криви

Множество образци,

подложени на физически

тестове

S-N Крива – Брой цикли

до повреда (N) за

различни напрежения (S)

8 © 2006 SolidWorks Corp. Confidential.

S-N Криви в SolidWorks Simulation

Ръчно въвеждане или

импортиране на таблични данни

Материалите с

дефинирани SN

криви са

маркирани с (SN)

9 © 2006 SolidWorks Corp. Confidential.

Линейна хипотеза за натрупване на повреди

Фактор на повреда ( C ) – за напрежение S1, животът е N1 цикъла.

Факторът на повреда за 1 цикъл на S1 е 1/N1

За L1 цикъла на S1 съответно C е L1/N1

Правило на Miner:

Повреда вследствие умора при C = 1.0.

10 © 2006 SolidWorks Corp. Confidential.

Отрицателно Sm

Нулево Sm

Положително Sm

Брой цикли, logN 2*106

Напреж

ение

, lo

gS

a

време

sm< 0

sm= 0

sm> 0

Напреж

ение

, S

a

0

• Напреженията на опън

намаляват живота

• Напрежениета на натиск

имат лек положителен

ефект.

• Повечето S–N криви се

дефинират за Sm = 0

Ефект на знака на средното напрежение

11 © 2006 SolidWorks Corp. Confidential.

0 0.5

1

0.5

1

-0.5

Soderberg

alt fatigue,

alt

S

S

ultimate

mean

S

S

yieldmean SS ultimatemean SS

1alt fatigue,

alt S

S

Goodman

Gerber

Методи за корекция при R ≠ -1

Gerber – пластични материали

Goodman – крехки материали

Soderberg – по-консервативен

12 © 2006 SolidWorks Corp. Confidential.

Типове натоварвания

Константна

амплитуда

Случаен

характер

13 © 2006 SolidWorks Corp. Confidential.

Обработка

Rainflow counting метод (най-популярен и широко използван)

Time

14 © 2006 SolidWorks Corp. Confidential.

Съществуват множество фактори променящи

лабораторната S-N крива от спрямо реалния модел:

• Състояние на повръхнината ks

• Размери kl

• Тип на натоварването km

• Работна температура kt

• Достоверност на S-N кривата kr

• Концентратори kf

Сумарен фактор = ks * kl* km * kt * kr * kf

Фактори засягащи границата на умора

15 © 2006 SolidWorks Corp. Confidential.

Изследвания за умора в SW Simulation

Едно или повече статични изследвания

– Материали със специфицирани SN криви

– Решение

Дефиниране на изследване на умора (Fatigue Study)

– Указване на характера на натоварването (константен или променлив)

– Натоварвания на база статичните изследвания

Едно или повече събития (повторения на съответните статични изследвания)

– Настройка на параметри:

Взаимодействие между циклите с различни напрежения

Корекции на напрежението (ако R ≠ -1)

Метод за калкулиране за амплитудата на напреженията

Фактор влияещ в/у границата на умора

– Резултати само върху повърхнината на модела или в обема

Решение и резултати

16 © 2006 SolidWorks Corp. Confidential.

Резултати

2

1

Life plot:

Damage plot:

Factor of safety:

Biaxiality indicator: Дистрибуция на

Брой цикли на натоварване до повреда вледствие

умора.

Количеството живот, консумиран вследствие умора.

FOS<1 (наличие на повреда), FOS>1 (останал живот)

(σ3 е игнорирано)

Брой цикли на тест

Цикли живот до повреда Повреда =

17 © 2006 SolidWorks Corp. Confidential.

Пример – константна амплитуда

Един милион цикъла

– Налягане от 6.9 Мpa

– Нагряване от флуида – 1500 W/ m2

Термично изследване за получаване разпределението на температурите

Статично изследване за получаване на

температурните напрежения

Статично изследване за получаване на

напраженията от налягането

Изследване на умора с две събития –

статичните излседвания