Po co nCode skoro jest Ansys Fatigue Tool?

Jednym z najmniej intuicyjnych problemów inżynierskich w projektowaniu jest zmęczenie materiału. Teoria odstrasza, Excel nie pomaga, a konieczność dostępu do rzetelnych danych materiałowych dodatkowo utrudnia sprawę. Tymczasem powtarzające się cykle obciążenia o małej amplitudzie mogą spowodować zniszczenie konstrukcji.

Rzeczywistość jest taka, że jeżeli na produkt działa obciążenie dynamiczne, to najpewniej jest on wystawiony na działanie cyklicznie zmieniających się obciążeń, które z biegiem czasu mogą powodować mikropęknięcia w materiale. Czasami pęknięcia pozostają niezmienione, a innym razem rosną i wywołują awarię. Żeby przewidzieć takie zachowanie konstrukcji, należy przeprowadzić analizę zmęczeniową.

W wielu wypadkach zwykły Excel potrafi uspokoić skołatane serce konstruktora. Problem w tym, że przy bardziej złożonych schematach obciążenia lub przy chęci optymalizacji konstrukcji proste narzędzia nie wystarczą. Ansys ma w swoim portfolio narzędzie Fatigue Tool (rys. 1) i można z niego z powodzeniem korzystać, ale w gruncie rzeczy przypomina ono Excel wykonujący stosunkowo proste operacje na wynikach z symulacji wytrzymałościowej.

Ze względu na ograniczenia tego modułu postanowiono wdrożyć w Ansys narzędzia, które pozwalają na wykonywanie symulacji zmęczeniowych dokładniej, szybciej i w prostszy sposób, bezpośrednio w Ansys Mechanical – i mowa tutaj o Ansys nCode DesignLife (rys. 2).

Rys. 2. Ansys nCode DesignLife: a) sposób podłączenia, b) analiza

W tym artykule odpowiemy na pytanie, kiedy wystarczy Fatigue Tool, a kiedy warto sięgnąć po Ansys nCode DesignLife. Przy okazji omówimy główne różnice pomiędzy tymi modułami.

Spis treści

1. Analiza zmęczeniowa oparta na metodzie Stress Life (krzywe S-N)
2. Analiza zmęczeniowa oparta na metodzie Strain Life (krzywe E-N)
3. Analiza zmęczeniowa połączeń spawanych – Shell and Solid Seam Weld
4. Analiza zmęczeniowa w dziedzinie częstotliwości
5. Współczynniki korekcji materiału
6. Współczynnik korekcji karbu względem gradientu naprężenia (Stress Gradients Method)
7. Inne możliwości oprogramowania Ansys nCode DesignLife
8. Podsumowanie

Analiza zmęczeniowa oparta na metodzie Stress Life (krzywe S-N)

Fatigue Tool jest dobrym narzędziem w przypadku analizy zmęczeniowej metodą Stress Life dla obciążeń proporcjonalnych o stałej amplitudzie. Możliwe jest również analizowanie zmęczenia z pojedynczym obciążeniem proporcjonalnym o zmiennej amplitudzie, z dwoma obciążeniami nieproporcjonalnymi o stałej amplitudzie lub jednym obciążeniem nieproporcjonalnym o stałej amplitudzie nałożonym na obciążenie stałe. Pamiętajmy, że obciążenie proporcjonalne oznacza, że kierunek naprężeń głównych nie zmienia się w czasie, a przy obciążeniu nieproporcjonalnym występuje zmiana kierunku naprężenia głównego. Często jest to spowodowane nieliniowym kontaktem lub warunkiem brzegowym, obciążeniem przemiennym nałożonym na obciążenie statyczne, bądź naprzemiennymi obciążeniami między różnymi przypadkami obciążeń. Brak możliwości analizowania większej liczby obciążeń nieproporcjonalnych o stałej amplitudzie czy analizowania obciążeń nieproporcjonalnych o zmiennej amplitudzie jest niewątpliwie dużym ograniczeniem w przypadku Fatigue Tool.

Ansys nCode DesignLife nie ma takich ograniczeń co do budowania historii obciążeń proporcjonalnych i nieproporcjonalnych. Dodatkowo nieproporcjonalność jest uwzględniana automatycznie, więc użytkownik nie musi być pewny czy ona występuje, czy też nie. W przypadku Fatigue Tool zła interpretacja obciążenia może poważnie zmienić wyniki, co z kolei może doprowadzić do zniszczenia konstrukcji w o wiele krótszym czasie.

Krzywe S–N przedstawiają zależność długości życia od amplitudy naprężenia sprężystego. Zgodnie z daną krzywą S–N należy określić, które wyniki naprężenia z analizy będą z nią porównywane. W Fatigue Tool możliwości są następujące: sześć składowych naprężeń, Max Shear, Max Principal, Equivalent (von Mises) oraz Signed von Mises. Natomiast w Ansys nCode DesignLife można wybrać: Signed von Mises, Abs Max Principal oraz Critical Plane. W obu programach opcje są porównywalne. Największą zaletą Ansys nCode DesignLife jest dodatkowa opcja Critical Plane, powszechnie zalecana w przypadku wielokierunkowego obciążenia nieproporcjonalnego. Co ważne, w Ansys nCode DesignLife jest możliwość automatycznego włączenia opcji Critical Plane tylko w regionach, w których występuje nieproporcjonalność, natomiast w pozostałych obszarach pobierane będą naprężenia Abs Max Principal. Jest to metodyka zalecana w większości norm.

Kolejną różnicą pomiędzy narzędziem Fatigue Tool, a oprogramowaniem Ansys nCode DesignLife jest typ obciążenia. W obydwu przypadkach występuje możliwość tworzenia historii obciążenia za pomocą stałej amplitudy (Constant Amplitude) i zmiennej amplitudy (Time Series). Natomiast w Ansys nCode DesignLife są jeszcze trzy dodatkowe możliwości tworzenia historii obciążenia.

• Time Step Load to historia obciążenia, która powstaje na podstawie obciążeń zdefiniowanych w kolejnych krokach czasowych w przeprowadzonej wcześniej analizie statycznej lub dynamicznej w dziedzinie czasu (Transient Strucktural). Uzyskane naprężenia są bezpośrednio mapowane jako historia obciążenia.
• Duty Cycle Load to specjalny typ historii obciążenia, który 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 (rys. 3). Przykładowo: cykl pracy może zawierać: 80 powtórzeń obciążenia typu Constant amplitude, następnie 120 powtórzeń obciążenia typu Time step i pięć powtórzeń typu Time series. Dodatkowo są trzy metody kombinacji przetwarzania historii obciążenia, tj.: Independent, Fast i Full. Metody te pozwalają na dokładne określenie, co się dzieje pomiędzy kombinacjami różnych historii obciążeń. Oczywiście w Fatigue Tool jest opcja Fatigue Combination, która umożliwia tworzenie cyklu pracy konstrukcji jako kombinacji kilku różnych historii obciążeń, ale pozwala ona wyznaczyć tylko całkowite uszkodzenie jako sumę szkód z każdego zdarzenia i ma ograniczone zastosowanie.

• Nowością nCode w wersji 2025R1 jest obciążenie typu Hybrid, które umożliwia tworzenie cyklu pracy konstrukcji jako kombinacji kilku typów historii obciążeń (Constant amplitude, Time series, Time step, Temperature) z różną częstotliwością, które są nakładane na siebie, a nie rozpatrywane sekwencyjnie jak w typie Duty Cycle Load. Największą zaletą tej opcji jest nałożenie cyklu obciążenia mechanicznego na cykl obciążenia termicznego (rys. 4).

Często w analizie zmęczeniowej trzeba ustawić określony rodzaj korekcji naprężeń średnich. Opcje dostępne w narzędziu Fatigue Tool i Ansys nCode DesignLife to Goodman, Gerber oraz Interpolate stosowana w przypadku wielu krzywych S–N. Dodatkowo w Fatigue Tool jest metoda Solderberg i Asme, a w Ansys nCode – metoda FKM, która pojawia się w normach czy zalecaniach, co może być bardzo przydatne w wykonywaniu analiz zgodnie z normami.

Analiza zmęczeniowa oparta na metodzie Strain Life (krzywe E-N)

W przypadku analizowania zmęczenia konstrukcji na podstawie metody Strain Life narzędzie Fatigue Tool można zastosować tylko do obciążeń proporcjonalnych o stałej amplitudzie. Natomiast w oprogramowaniu Ansys nCode DesignLife nie ma ograniczeń co do typu tworzenia historii obciążenia. Można wykonywać wszystkie rodzaje obciążenia opisane w metodzie Stress Life.

W obydwu modułach korzystamy z analizy sprężystej, a następnie szacujemy całkowite odkształcenie sprężysto-plastyczne w oparciu o naprężenie i odkształcenie sprężyste. W Fatigue Tool zaimplementowana jest metoda Neubera. Natomiast w Ansys nCode Design Life – metoda Neubera lub Hoffmanna-Seegera, która rozszerza metodę Neubera i uwzględnia proporcjonalne obciążenia wieloosiowe.

Dodatkową funkcjonalnością w Ansys nCode DesignLife jest możliwość importu odkształcenia sprężysto-plastycznego bezpośrednio z analizy. Ta ważna cecha pozwala na uzyskiwanie dużo dokładniejszych wyników, które będą się lepiej pokrywać z rzeczywistością niż wyniki szacowane za pomocą metody Neubera (rys. 5).

Rys. 5. Porównanie wyników trwałości dla: a) metody Neubera, b) materiału sprężysto-plastycznego bez umocnienia

W obydwu pakietach w przypadku zastosowania metody Neubera należy wybrać naprężenia sprężyste do oszacowania odkształcenia sprężysto-plastycznego. Zarówno w Ansys Fatigue Tool, jak i w Ansys nCode DesignLife przy analizie typu Strain Life jest możliwość wyboru korekcji naprężeń średnich. Dostępne są opcje Morrow oraz SWT.

Analiza zmęczeniowa połączeń spawanych – Shell and Solid Seam Weld

W Ansys nCode DesignLife wbudowana jest opcja do przewidywania zmęczenia połączeń spawanych dla modeli powłokowych oraz bryłowych. Analiza zmęczeniowa połączeń spawanych dla modeli bryłowych jest oparta na metodzie Structural Stress (ASME Boiler and Pressure Vessel Code), natomiast dla modeli powłokowych – na metodzie Volvo/Chalmers/HBM. Do określenia żywotności połączenia spawanego wykorzystuje się dwie krzywe S–N (krzywą zginania i krzywą membranową). W narzędziu Fatigue Tool nie ma takiej bezpośredniej metody wyznaczania zmęczenia połączeń spawanych.

Analiza zmęczeniowa w dziedzinie częstotliwości

W obydwu modułach można wykonywać analizy zmęczeniowe w dziedzinie częstotliwości. Opcja zmęczenia wibracyjnego umożliwia symulację testów na stole wytrząsarkowym przy obciążeniu losowym (PSD) lub sinusoidalnym. Główną różnicą pomiędzy narzędziami są metody zliczania cykli drgań losowych (PSD). Fatigue Tool oferuje: Narrow Band, Steinberg i Wirsching. Natomiast w Ansys nCodeDesign Life dostępne są: Lalanne, Dirlik, Narrow Band i Steinberg. Wybór metody zależy od tego, jak konserwatywne podejście jest opisane w normie lub metodyce, jednak w przemyśle najczęściej stosowane są metody Lalanne, Dirlik oraz Steinberg.

Współczynniki korekcji materiału

W Fatigue Tool oraz w Ansys nCode DesignLife można ustawić współczynnik korekcji materiału w metodach Stress Life i Strain Life. W narzędziu Fatigue Tool współczynnik ustawia się samodzielnie. Zależy on od wielu czynników, więc do ustawiania potrzebne są odpowiednie informacje. Natomiast w Ansys nCode DesignLife można uwzględnić współczynnik korekcji powierzchni wyznaczony automatycznie na podstawie wprowadzonego typu materiału oraz metody wykończenia powierzchni (rys. 6). Ponadto Ansys nCode DesignLife ma 226 materiałów, które zawierają krzywe zmęczeniowe do wykorzystania w analizie Stress Life lub Strain Life.

Współczynnik korekcji karbu względem gradientu naprężenia (Stress Gradients Method)

Powszechnie wiadomo, że trwałość zmęczeniowa jest obniżona o wartość zmęczeniowego współczynnika działania karbu K_f. Wartość tego współczynnika jest generalnie mniejsza niż współczynnika koncentracji naprężeń sprężystych K_t, który jest bezpośrednio uwzględniany w analizie MES. Różnica między K_f i K_t zależy od rodzaju materiału oraz geometrii i wielkości karbu.

Ansys nCode Design Life pozwala skorygować naprężenia o zmęczeniowy współczynnik działania karbu. Wyznacza znormalizowany gradient naprężenia (rys. 7), 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. 8). Na koniec koryguje naprężenia o ten współczynnik.

Dzięki tej opcji można uzyskać dużo dokładniejsze wyniki, które będą się lepiej pokrywać z rzeczywistością. Co ważniejsze, opcja ta pozwala na wyznaczenie trwałości konstrukcji zgodnie z zapisami FKM Guidline, gdzie istotnym elementem jest uwzględnienie zmęczeniowego współczynnika karbu. Fatigue Tool nie ma takiej funkcji.

Inne możliwości oprogramowania Ansys nCode DesignLife

Dodatkowo w Ansys nCode DesignLife można przeprowadzić następujące analizy zmęczeniowe: Spot Welds, żeliwa szarego, a także kompozytów z krótkimi włóknami.

Podsumowanie

Z punktu widzenia inżyniera kluczowa różnica między Fatigue Tool a Ansys nCode DesignLife dotyczy możliwości modelowania bardziej realnych scenariuszy zmęczeniowych. Fatigue Tool świetnie się sprawdza w prostych analizach opartych na metodach Stress Life i Strain Life przy proporcjonalnych obciążeniach o stałej amplitudzie. W bliższych rzeczywistości scenariuszach, np. z wieloma obciążeniami nieproporcjonalnymi, analizami sprężysto-plastycznymi czy złożonymi historiami obciążenia (Time Step, Duty Cycle) niezastąpiony okazuje się Ansys nCode DesignLife.

Kolejne przewagi Ansys nCode DesignLife to opcje automatycznego rozpoznawania nieproporcjonalności, bogata biblioteka materiałów i funkcja automatycznego uwzględniania współczynników korekcji powierzchni. Ponadto tylko w DesignLife można przeprowadzać zaawansowane analizy połączeń spawanych (Shell i Solid Seam Weld), połączeń punktowych (Spot Weld) czy materiałów specjalnych, np. żeliw szarych lub kompozytów. Można też uwzględniać współczynnik korekcji karbu.

W praktyce inżynierskiej wybór odpowiedniego narzędzia zmęczeniowego przekłada się bezpośrednio na jakość i wiarygodność wyników – a tym samym na bezpieczeństwo i trwałość projektowanych konstrukcji. Ansys Fatigue Tool będzie optymalnym wyborem w analizach szybkoprzygotowalnych i powtarzalnych, gdzie kluczowa jest efektywność. Natomiast Ansys nCode DesignLife to rozwiązanie dla tych, którzy stawiają na najwyższy poziom realizmu, chcąc uchwycić rzeczywiste zachowanie materiału pod złożonymi warunkami eksploatacyjnymi. To narzędzie, które pozwala inżynierowi podejmować decyzje oparte na pogłębionej analizie i minimalizować ryzyko zmęczeniowego uszkodzenia jeszcze na etapie wirtualnego prototypowania.

Autor: Marek Zaremba, MESco Sp. z o.o.

Obserwuj nas w mediach społecznościowych i bądź na bieżąco

Zapraszamy do udziału w szkoleniu „Analizy zmęczeniowe w Ansys nCode DesignLife„

Jeśli zainteresował Cię ten artykuł, mierzysz się ze złożonymi historiami obciążeń, musisz używać zaawansowanych metod łączenia cykli obciążenia i nie jesteś pewny, czy w twojej konstrukcji są obciążenia proporcjonalne, czy nieproporcjonalne – to dwudniowy kurs Ansys nCode DesignLife jest dla Ciebie.

Już jesienią startujemy z nowym szkoleniem, które wyjaśnia wszystkie te problemy. Na szkoleniu omówimy analizy zmęczeniowe dla metod Stress life oraz Strain life. Przedstawione zostaną również możliwości biblioteki materiałowej i korekcji powierzchniowej dla danego materiału.