Elementy żeliwne odlewane grawitacyjnie w formach piaskowych na skutek powolnego i nierównomiernego chłodzenia cechują zmienne własności wytrzymałościowe, jak i zmęczeniowe na przekroju elementu. Często także elementy te zawierają niewielkie wady odlewnicze jak mikro-pustki, rzadzizny i wtrącenia, które mocno obniżają własności zmęczeniowe.
Zadaniem inżynierów z MESco było wykonanie analizy ytwałości zmęczeniowej wirtualnego prototypu przeciw-wibracyjnego koła pasowego stosowanego w silnikach samochodowych, wykonanego metodą odlewania grawitacyjnego i określenie wpływu pojawiających się w jego objętości pustek. Obliczenia wytrzymałości zostały wykonane w Ansys Mechanical i Ansys nCode.
Trwałość zmęczeniowa
Opierając się na wynikach symulacji odlewania dostarczonej przez firmę KOM-ODLEW z programu MAGMA przypisano zmienne właściwości materiałowe (moduł Younga i granicę plastyczności) do elementów siatki MES w Ansys Rys1. Na potrzeby analizy zmęczeniowej wykonano wielokrokową, nieliniową symulację obciążenia montażowego i obciążenia zmiennego pochodzącego od naciągu pasa, wyznaczając dokładne sekwencje historii naprężeń w komponencie.
Następnie korzystając z makr transferu własności materiałowych, utworzono podzbiory zawierające różne własności zmęczeniowe oraz informację o położeniu pustek i mikro-wad pochodzące również z programu MAGMA. (Rys. 2.) Zbiory te, jak i wyniki analizy wytrzymałości wykorzystano w programie nCode Design Life do przypisania odpowiednich współczynników modyfikujących wytrzymałość zmęczeniową. Tak przygotowany model posłużył do określenia rzeczywistej trwałości zmęczeniowej elementu na wymaganym poziomie bezpieczeństwa.
Symulacja zmęczeniowe
Obliczenia trwałości zmęczeniowej były wymagane do kolejnego etapu: symulacja zmęczenia. Rysunki przedstawiają wybrany element i wyznaczony dla niego współczynnik bezpieczeństwa przy 10e7 cykli pracy w dwóch przypadkach, Rys 3 gdy przyjęto jednorodność rozkładu właściwości materiałowych oraz Rys 4 gdy właściwości przypisano stosując rzeczywisty niejednorodny ich rozkład na przestrzeni modelu.
Z powodu wymagań uzyskania dużej pewności wyniku w obliczeniach wytrzymałości przyjęto położenie krzywej zmęczeniowej odpowiadające 99.9% pewności. Z tego powodu trwałość zmęczeniowa w regionie rowka jest mniejsza niż oczekiwana. Stąd także minimalny współczynnik bezpieczeństwa jest mniejszy od jedności. Warto jednak zwrócić uwagę, że dzięki zastosowanej technice minimalna wartość współczynnika bezpieczeństwa dla zadanej historii obciążenia została podniesiona 3.9 razy pomiędzy oboma symulacjami. W tej sytuacji wymagana jest jedynie niewielka zmiana lokalnego promienia geometrii. Uwagę zwraca również odmienna mapa rozkładu współczynnika bezpieczeństwa, zwłaszcza w regionie otworu centralnego, pozwalająca wnioskować o możliwościach dalszej optymalizacji kształtu.
Opisana procedura pozwala na jeszcze większą wirtualizację procesu projektowego i poprawę wiarygodności uzyskanych wyników. Symulacja włączona w odpowiednim punkcie procesu projektowego, daje możliwość zmniejszenia współczynników bezpieczeństwa, co skutkuje zwiększeniem konkurencyjności finalnych produktów.