W konstrukcjach, które podlegają cyklicznym obciążeniom, z biegiem czasu (czyli wraz ze wzrostem liczby cykli) mogą się pojawiać mikropęknięcia, a następnie – widoczne uszkodzenia. Dlatego też tego typu produkty powinny być weryfikowane pod kątem wytrzymałości zmęczeniowej już na etapie projektu. Co prawda można liczyć na to, że pęknięcia nie wystąpią lub, jeśli już wystąpią, nie będą propagować, jednak od nadziei zdecydowanie lepsza jest pewność.
Przekonanie o potrzebie wykonywania obliczeń wytrzymałościowych jest coraz silniejsze – warto więc pokazać, w jaki sposób można je wykonywać w środowisku Ansys. Od dłuższego czasu firmy Ansys i nCode współpracują ze sobą, aby zaoferować swoim Klientom rozwiązania zapewniające wiarygodną ocenę wytrzymałości zmęczeniowej. Efektem tej współpracy jest Ansys nCode DesignLife – narzędzie służące do obliczenia wytrzymałości zmęczeniowej, dostępne bezpośrednio w środowisku Ansys Mechanical. Moduł ten umożliwia wykonywanie analizy typu Stress Life, gdzie wykorzystywane są naprężenia sprężyste oraz krzywe S-N, przedstawiające zależność pomiędzy liczbą cykli do zniszczenia, a naprężeniem. Można również wykonać symulacje typu Strain Life, gdzie wykorzystywane są odkształcenia sprężysto-plastyczne i równanie przedstawiające zależność cyklu życia od poziomu odkształcenia. Dodatkowo w Ansys nCode DesignLife można przeprowadzić następujące analizy trwałości i zmęczenia materiału: analizy zmęczeniowe w dziedzinie częstotliwości, analizę zmęczeniową połączeń spawanych, analizę zmęczeniową Spot Welds, analizę zmęczeniową żeliwa szarego, a także analizę zmęczeniową kompozytów z krótkimi włóknami. W niniejszym artykule przedstawiono funkcjonalności analiz typu Stress Life i Strain Life w Ansys nCode DesignLife w przypadku podłączenia dodatku do analizy Static Structural.
Spis treści
- Uruchomienie Ansys nCode DesignLife
- Obliczenia wytrzymałościowe w praktyce
- Wyniki dostępne w Ansys nCode DesignLife
- Podsumowanie
Uruchomienie Ansys nCode DesignLife
Bloczek Mechanical Embedded DesignLife odnajdziemy w głównym oknie projektu Ansys Workbench – w rozwijanym menu narzędziowym (tzw. Toolbox, rys. 1). Dane wejściowe do analizy trwałości zmęczeniowej w Ansys DesignLife można wczytać przez podłączenie bloczka do analizy Static Structural (rys. 2), Transient Structural, LS-Dyna, Modal lub Harmonic Response. W interfejsie Ansys Mechanical pojawi się wówczas wstążka pozwalająca na zdefiniowanie wyników analizy zmęczeniowej. Natomiast w drzewie projektu będzie dostępna do zdefiniowania analiza zmęczeniowa nCode DesignLife (rys. 3). Składa się ona z następujących narzędzi: Analysis Setting, Selection Group, Load Mapper oraz Materials.
Na pierwszym etapie, w ramach narzędzia Analysis Settings, należy wybrać w komórce Analysis Type rodzaj analizy: Stress Life (SN), Strain Life (EN), Shell Seam Weld, Solid Seam Weld, Spot Weld, Gray Iron, Safety Factor lub Short Fiber Composite.
Obliczenia wytrzymałościowe w praktyce
W przypadku analizy Stress Life należy wybrać rodzaj korekcji naprężeń średnich (rys. 4). W narzędziu Mean Stress Correction dostępne są następujące opcje:
- Interpolate – metoda stosowana w przypadku dysponowania wieloma krzywymi S-N,
- FKM, Goodman Tension Only oraz Gerber Tension Only – metody oparte na przesunięciu pojedynczej zdefiniowanej krzywej S-N (zwykle ze średnim naprężeniem równym zero), wykorzystywane w celu uwzględnienia średnich efektów naprężeń.
W kolejnym kroku, w komórce MultiAxial Assessment definiuje się rodzaj oceny wieloosiowego stanu naprężenia, który dostarcza informacji o tym, jak zmienia się stan naprężenia w historii obciążenia. W przypadku ustawienia opcji na None należy określić w komórce Combination Method (rys. 5) jakie wyniki naprężeń mają być bezpośrednio porównywane z krzywą S-N. Dostępne opcje to: Abs Max Principal, Signed von Misses oraz Critical Plane. W przypadku ustawienia trybu Auto wykorzystywane jest podejście dwuprzebiegowe, które zastępuje ustawienia w Combination Method. W pierwszym przejściu Solver wykorzystuje naprężenia Abs Max Principal (metoda Normal) do przeprowadzania oceny zmęczenia. W drugim przejściu Solver może użyć innej metody kombinacji naprężeń, jeśli wartości nieproporcjonalności i/lub dwuosiowości leżą poza zakresami określonymi dla metody Normal (rys. 6). Zalecane jest używanie trybu Auto, ponieważ w razie wystąpienia obciążeń nieproporcjonalnych zostaną one odpowiednio uwzględnione w trakcie drugiego przebiegu.
Możliwość wyboru korekcji naprężeń średnich jest również zapewniona w analizie Strain Life – dostępne są opcje Morrow oraz SWT (Smith, Watson, Topper). W podejściu Morrowa modyfikowana jest tylko część elastyczna krzywej odkształcenia w funkcji liczby cykli do zniszczenia, natomiast w podejściu SWT – część elastyczna i plastyczna.
Ważną opcją w analizie Strain Life jest korekcja sprężysto-plastyczna (Elastic-plastic Correction), która służy do oszacowania całkowitego odkształcenia sprężysto-plastycznego na podstawie naprężenia i odkształcenia sprężystego, które zostały wyznaczone w analizie Static Structural lub Transient Structural. Metoda zaimplementowana w Ansys nCode DesignLife to metoda Neubera, przeznaczona dla przypadku obciążenia jednoosiowego i metoda Hoffmanna-Seegera, która rozszerza metodę Neubera i uwzględnia proporcjonalne obciążenia wieloosiowe (rys. 7). Dodatkową funkcjonalnością w Ansys nCode DesignLife jest możliwość zaimplementowania bezpośrednio odkształcenia sprężysto-plastycznego z analizy sprężysto-plastycznej. Ta ważna funkcjonalność pozwala na uzyskiwanie dużo dokładniejszych wyników, które będą się bardziej pokrywać z rzeczywistością, niż te szacowanie za pomocą metody Neuber’a lub Hoffmanna-Seegera.
Kolejna opcja w metodzie Strain Life – MultiAxial Assessment – pozwala na wybór rodzaju oceny wieloosiowego stanu naprężenia. W przypadku użycia w analizie Strain Life ustawienia None – należy określić w komórce Combination Method, jakie wyniki naprężeń mają być poddane korekcji sprężysto-plastycznej. Dostępne opcje to: Abs Max Principal, Signed von Misses i Critical Plane. W przypadku ustawienia trybu Auto wykorzystywane jest podejście dwuprzebiegowe, które zastępuje ustawienia w Combination Method i Elastic-plastic Correction. W pierwszym przejściu Solver wykorzystuje naprężenia Abs Max Principal (metoda Normal) i przeprowadza korekcje Hoffmanna-Seegera, natomiast w drugim przejściu może użyć innej metody kombinacji naprężeń, jeśli wartości nieproporcjonalności i/lub dwuosiowości leżą poza zakresami określonymi dla metody Normal.
Ansys nCode Design Life pozwala również uwzględnić skorygowane naprężenia o zmęczeniowy współczynnik działania karbu (Stress Gradients). Oprogramowanie nCode wyznacza znormalizowany gradient naprężenia (rys. 8), który uwzględnia wpływ wielkości przedmiotu oraz karbu na granicę zmęczeniową. Następnie uwzględnia oddziaływanie zmęczeniowego współczynnika karbu zgodnie z krzywymi korekcji gradientu naprężeń opisanymi w wytycznych FKM Guideline (rys. 9). Na koniec koryguje naprężenia o ten współczynnik. Dzięki zastosowaniu tej opcji można uzyskać dużo dokładniejsze wyniki, które będą się bardziej pokrywać z rzeczywistością, a co ważniejsze, opcja ta pozwala na wyznaczenie trwałości konstrukcji zgodnie z zapisami FKM Guidline, gdzie istotnym elementem jest uwzględnienie zmęczeniowego współczynnika karbu.
Kolejne dostępne opcje to włączenie lub wyłączenie wyznaczania współczynnika bezpieczeństwa (Calculate Safety Factory) oraz możliwość skalowania wyników naprężeń (Scale Factory).
Narzędzie Selection Group służy do definiowania rozpatrywanych części konstrukcji, a Load Mapper – do tworzenia historii obciążenia na podstawie naprężeń lub odkształceń. W analizach Stress Life i Strain Life można tworzyć historię obciążenia typu: Constant Amplitude, Time Series, Time Step (rys. 10), Duty Cycle Load i Hybrid.
Constant Amplitude Load to historia obciążenia o stałej amplitudzie, w której wykorzystuje się skalowanie, aby utworzyć dwupunktową historię naprężeń na podstawie przeprowadzonej wcześniej analizy, którą wybiera się w polu Environment. Obciążenie zmienia się między wartościami minimalnymi i maksymalnymi – np. przyjęcie współczynników Max i Min factors (1 i -1) skutkuje utworzeniem obciążenia obustronnie tętniącego (rys. 11).
W przypadku opcji Time Series Load historia obciążenia pochodzi z zaimportowanego pliku, zawierającego punkty danych historii obciążenia. Następnie te wartości zostają przeskalowane przez naprężenia uzyskane z wybranej, przeprowadzonej wcześniej analizy (wybranej w polu Environment) i z danego kroku czasowego (wybranego w polu Time). Dodatkowo można wprowadzić współczynnik skalujący obciążenie (Scale Factory) i wyświetlić przeskalowany wykres historii obciążenia (rys. 12).
Dla warunków obciążenia o niestałej amplitudzie należy określić minimalne, maksymalne i średnie naprężenie oraz związaną z nią liczbę cykli. W Ansys nCode DesignLife wykorzystywany jest algorytm Rainflow Cycle Counting, przekształcający historię nieregularnych naprężeń na bloki prostszych cykli naprężeń, które można wykorzystać do obliczeń zmęczeniowych. Każdy blok reprezentuje liczbę cykli o podobnych średnich naprężeniach i podobnych amplitudach naprężeń.
W przypadku opcji Time Step Load historia obciążenia powstaje na podstawie danego przypadku obciążenia, zdefiniowanego w konkretnym kroku czasowym przeprowadzonej wcześniej analizy. Uzyskane naprężenie jest bezpośrednio mapowane jako historia obciążenia (rys. 13).
Specjalny typ historii obciążenia – Duty Cycle Load – umożliwia tworzenie cyklu pracy konstrukcji jako kombinacji kilku typów historii obciążeń (Constant Amplitude, Time Series oraz Time Step) o różnej liczbie powtórzeń, które występują po sobie. Przykładowo cykl pracy może zawierać: dziesięć powtórzeń obciążenia typu Constant Amplitude, a następnie dwa powtórzenia obciążenia typu Time Series. Istnieją trzy metody kombinacji przetwarzania historii obciążenia (rys. 14):
- Independent – metoda umożliwiająca analizowanie każdego zdarzenia osobno, przy czym całkowita szkoda stanowi sumę szkód każdego zdarzenia,
- Fast – metoda podobna do metody Independent, ale wszystkie wydarzenia są tu przetwarzane w sposób ciągły,
- Full – metoda, w której wszystkie wydarzenia są przetwarzane całościowo, łącznie ze wszystkimi powtórzeniami.
Kolejnym typem historii obciążeń jest metoda Hybrid, która umożliwia tworzenie cyklu pracy konstrukcji jako kombinacji kilku różnych typów historii obciążeń (Constant amplitude, Time series, Time step, Temperature) o różnej liczbie powtórzeń, które są nakładane na siebie, a nie rozpatrywane sekwencyjnie, jak w typie Duty Cycle Load. Największą zaletą tej opcji jest możliwość nałożenia cyklu obciążenia mechanicznego na wolny wzrost temperatury.
Za pomocą narzędzia Materials można zmodyfikować materiał używany w analizach trwałości zmęczeniowej i technologię wykonania oraz uwzględnić typ wykończenia powierzchni. Po wybraniu tego narzędzia należy określić fragmenty geometrii przeznaczone do modyfikacji pod względem materiałowym oraz wybrać materiał bazowy, który będzie zmieniany. W przypadku analizy Strain Life można ustawić: Strength Coefficient, Strength Exponent, Ductility Coefficient, Ductility Exponent, Cyclic Strength Coefficient, Cyclic Strain Hardening Exponent, Young’s Modulus, Poisson’s Ratio i Tensile Ultimate Strength, a w przypadku analizy Stress Life: S-N Curve, Stress Offset, Scale Factor, Young’s Modulus, Poisson’s Ratioi Tensile Ultimate Strength. Dodatkowo można uwzględnić współczynnik korekcji powierzchni, który zostanie wyznaczony automatycznie na podstawie wprowadzonego typu materiału i metody wykończenia powierzchni. Dostępne są następujące typy materiałowe: Gray Cast Iron, Nodular Cast Iron, Malleable Cast Iron, Cast Steel, Steel, Aluminum i Cast Aluminum. Wśród metod wykończenia powierzchni znajdują się: Polished, Ground, Machined, Poor machined, As rolled i As cast (rys. 15).
Wyniki dostępne w Ansys nCode DesignLife
Po przeprowadzeniu analizy zmęczeniowej można wybrać, za pomocą wstążki Ansys nCode DesignLife (rys. 16), następujące wyniki: Life, Damage, Life Safety Factor, Other Results, Damage Matrix oraz Rainflow Matrix. Wynik Life przedstawia kontur liczby cykli, który spowoduje uszkodzenie konstrukcji (rys. 17), a wynik Damage – uszkodzenie obliczone na podstawie jednego powtórzenia historii obciążenia. W ramach Other Results można zdefiniować Max i Min Stress oraz Alternating Stress (rys. 18), Mean biaxiality ratio, Non-propotionality, Max i Min Strain. W przypadku zastosowania historii obciążeń jako Time Series dodatkowo można wyświetlić histogram Rainflow Matrix, przedstawiający bloki, z których każdy reprezentuje liczbę cykli o podobnych średnich naprężeniach i podobnych amplitudach naprężeń, a także histogram Damage Matrix, w którym każdy z bloków reprezentuje częściowe uszkodzenie konstrukcji (rys. 19). Dodatkowo w przypadku włączenia opcji Stress Gradients można zdefiniować Max i Min normalized stress gradient oraz Max i Min notch sensitive.
Podsumowanie
Obliczenia wytrzymałości zmęczeniowej z wykorzystaniem nCode DesignLife pozwala na szybką ocenę wpływu różnych materiałów i historii obciążeń na trwałość zmęczeniową konstrukcji w dobrze znanym i przyjaznym środowisku Ansys Mechanical. Otwiera to szerokie możliwości optymalizowania geometrii pod kątem oczekiwanego czasu życia produktu, zanim powstanie jego fizyczny prototyp. Ansys nCode DesignLife stanowi kompleksowe rozwiązanie dla konstruktorów, którzy stoją przed wyzwaniem polegającym na wyeliminowaniu awarii zmęczeniowych na etapie nie tylko projektowania, ale i rozwoju produktu.
Autor: Marek Zaremba, MESco Sp. z o.o.
Obserwuj nas w mediach społecznościowych i bądź na bieżąco
