COMSOL Fatigue Module 6.3
DESCRIPCIÓN
En el entorno COMSOL Multiphysics los cálculos de fatiga estructural se realizan con el módulo Fatigue Module. Este módulo está disponible como una extensión del módulo Structural Mechanics Module, y dispone tanto de fatiga de ciclo alto como de ciclo bajo. Para fatiga de ciclo alto o basada en tensión el módulo Fatigue Module proporciona los métodos Findley, Matake, y de tensión Normal.
Fatigue Module también proporciona los métodos Smith-Watson-Topper, Wang-Brown, y Fatemi-Socie para el ciclo bajo, o fatiga basada en deformación. La regla de Neuber y el método Hoffmann-Seeger están disponibles para cálculos rápidos y aproximados de fatiga en materiales elastoplásticos. Además también es posible considerar la evaluación de fatiga en materiales completamente elastoplásticos cuando se combina el Fatigue Module con el módulo Nonlinear Structural Materials Module.
El postprocesado de los resultados en el Fatigue Module incluyen la visualización del ciclo de vida por fatiga basado en el número de ciclos hasta el fall, así como en cálculos del factor de fatiga por uso.
SECTORES
- Fatiga basada en tensión
- Fatiga basada en deformación
- Fatiga de ciclo alto
- Fatiga de ciclo bajo
- Método Findley
- Método Matake
- Método de tensión normal
- Método Fatemi-Socie
- Método Smith-Watson-Topper (SWT)
- Método Wang-Brown con corección de tensión media Morrow
VERSIONES
6
NOVEDADES
La versión 6.0 trae una nueva función para evaluar la fatiga bajo vibraciones aleatorias y tipos de curva S-N adicionales
Fatiga bajo vibraciones aleatorias
En carga aleatoria, las cargas se definen mediante una representación estadística en forma de densidad espectral de potencia (PSD). Este es un enfoque de modelado útil en situaciones en las que las cargas que actúan sobre una estructura ya no se pueden expresar de manera determinista. La respuesta al estrés calculada PSD permite extraer cantidades significativas para la evaluación de la fatiga. La nueva funcionalidad de Vibración aleatoria en la interfaz Fatiga calcula un factor de uso de fatiga durante un período de tiempo específico y calcula la vida de fatiga total de una estructura cuando se somete a una carga PSD. Estas cantidades se calculan utilizando la regla de suma de daños de Palmgren-Miner, y pueden utilizarse diferentes modelos de conteo cíclico y distintos criterios de evaluación de la fatiga. Dependiendo de las características de la carga PSD subyacente, puede elegirse entre dos modelos de conteo cíclico: el modelo Dirlik, para carga de banda ancha, o el modelo Bendat, para carga de banda estrecha.
Para calcular el daño por fatiga, el conteo cíclico se complementa con un modelo para la evaluación de la fatiga:
- Modelo de Basquin
- Una curva S-N aproximada (parametrizada)
- Una curva S-N, especificada como función de interpolación, por ejemplo
En la funcionalidad Vibración aleatoria, puede definirse cualquier medida de tensión lineal en la que basar los cálculos de fatiga, o puede seleccionarse una medida de Tensión de von Mises equivalente multiaxial (EVMS) interna. La funcionalidad de Vibración aleatoria proporciona varios resultados diferentes que emanan de la carga PSD. Estos ayudan a evaluar la estructura con respecto al riesgo de falla por fatiga. En la siguiente figura, se muestran el número de picos por unidad de tiempo y el RMS de la tensión.
Vida a fatiga en una geometría de soporte.
Tipos de curvas S-N adicionales en daño acumulativo
La función de daño acumulativo se ha ampliado con tipos de curvas S-N adicionales en esta versión de software. Además de utilizar una curva S-N para la carga de amplitud (alterna) (con una corrección de tensión media analítica opcional), ahora se dispone de la opción de proporcionar la dependencia de la relación de carga o la dependencia de la tensión media directamente. Esto es útil en situaciones en las que se tiene acceso a datos experimentales que abarcan los efectos del estrés medio. Los tipos de curvas SN disponibles son:
- Curva S-N con dependencia del valor R
- Curva S-N con dependencia del estrés medio
- Curva S-N para tensión de amplitud
Nuevos modelos tutoriales
Bracket Fatigue Random Vibration
Resultado de un cálculo de la vida a fatiga, utilizando el modelo de conteo cíclico de Dirlik.
5.4
NOVEDADES
Evaluación de fatiga para membranas
Ahora esta disponible la evaluación de fatiga también para tensiones y deformaciones calculadas en la interfaz Membrane. Esto también puede utilizarse para obtener resultados más precisos en los contornos de cuerpos sólidos. En este caso se añade una membrana muy fina únicamente utilizada para evaluación de la tensión, en la parte superior del sólido.
Corrección de tensión media
En el método Stress-Life, ahora es posible tener en cuenta el efecto de la tensión media. Se dispone de tres métodos: Goodman, Gerber, y Soderberg.
Evaluación de fatiga mejorada para placas
Cuando se realiza la evaluación de la fatiga en placas, ahora es posible especificar directamente que las tensiones o deformaciones se tomen de la parte superior o de la inferior. La tercera opción es la misma que en las versiones anteriores - la posición del grosor se toma de la localización del resultado por defecto especificada en la interfaz Shell.
5.3
NOVEDADES
Los usuarios de Fatigue Module encontrarán en la versión 5.3 una nueva manera de evaluar el daño de la fatiga que se utiliza para simular una estructura sujeta a excitación armónica.
Fatiga por vibración
Vibration fatigue es un nuevo tipo de método de evaluación para los daños por fatiga y está disponible como una elección en la interfaz de Fatiga. Este método está basado en un análisis en el dominio de la frecuencia que contiene resultados para un número de frecuencias. La fatiga por vibración podría utilizarse para predecir resultados para un tipo de experimento común donde una estructura está sujeta a una excitación con una frecuencia creciente, a veces llamado análisis de barrido en seno. Se dispone de los siguientes tipos de descripciones para la fatiga por vibración:
- Un cierto tiempo empleado en cada frecuencia
- Un cierto número de ciclos utilizado en cada frecuencia
- Un incremento lineal de la frecuencia
- Un incremento logarítmico de la frecuencia
Ventana de ajustes para una evaluación de fatiga por vibración donde la fatiga vibracional se aplica a través de un incremento logarítmico de la frecuencia en el menú desplegable de histórico de Frecuencias.
5.2a
NOVEDADES
El módulo Fatigue Module 5.2a trae el nuevo modelo Dang-Van, apropiado para el modelado rápido y preciso de cargas compresivas, fatiga de contacto, fatiga de subsuperficie y desconchamiento. Varios nuevos modelos tutoriales ampliados demuestran las aplicaciones de esta nueva funcionalidad.
Modelado de fatiga de subsuperficie
La familia de modelos de fatiga basada en tensión se ha ampliado para incluir el modelo de Dang-Van. Este nuevo modelo incorpora la sensibilidad del estado compresivo en la predicción de fatiga vía tensión hidrostática. El modelo de Dang-Van es, por tanto, adecuado para la evaluación de cargas compresivas y para fatiga de contacto. El modelo puede predecir el desarrollo de la fatiga de subsuperficie antes de que se observe desconchamiento en, por ejemplo, aplicaciones de rodamientos y raíles.
Fatiga de subsuperficie en un material de superficie templada, evaluada basándose en el modelo de Dang-Van.
El modelo Dang-Van puede evaluarse en entidades en 1D, 2D, y 3D. Pero, cuando se modela fatiga de subsuperficie, es más adecuado una evaluación en el nivel de dominio 3D. El análisis de fatiga puede, sin embargo, llegar a ser temporalmente muy largo, ya que las tensiones más altas normalmente están localizadas a unos 10-100 micras por debajo de la superficie, y una solución precisa requiere una discretización fina a través de la profundidad. Adicionalmente, si la carga de contacto se transfiere a lo largo de superficies curvadas, de nuevo se requiere una malla fina a lo largo de las dos dimensiones de la superficie. Sin embargo, los cálculos son fácilmente paralelizados y el tiempo de evaluación decrece cuando se calcula sobre múltiples procesadores.
Parametrización de los modelos de fatiga
La mayoría de las opciones de configuración del modelo de fatiga han sido parametrizados. Esto significa que pueden asignarse parámetros y variables a ajustes del modelo de fatiga y su influencia en la fatiga puede ser evaluada en un estudio paramétrico. Solamente dos opciones no pueden ser parametrizadas: El Número de clases de valor medio y el Número de clases de rango en la funcionalidad de Daño acumulativo.
Un estudio paramétrico del factor de tensión utilizado para modificar la curva SN para diferentes condiciones ambientales y de fabricación.
Nuevo modelo tutorial: Fatiga de contacto permanente
Un análisis de fatiga de contacto permanente es un procedimiento utilizado para verificar el crecimiento de las grietas a nivel de subsuperficie. En este tipo de test, se presiona un objeto esférico contra los materiales testados y se realizan ciclos de carga compresiva alta y baja. No existen movimientos transaccionales entre ambos.
Después de un periodo de tiempo, las grietas de superficie pueden ser observadas en la superficie del objeto plano, mientras que un análisis más extenso del componente revela múltiples grietas presentes a nivel de subsuperficie. La superficie originalmente está endurecida, lo que cambia las propiedades del material de la superficie en comparación a las propiedades del material del resto del objeto. Este procedimiento de endurecimiento de la superficie afecta a las propiedades de resistencia del material, endurecimiento, y fatiga del objeto, a la vez que también se introducen tensiones residuales a través de la profundidad del objeto.
Se pueden observar tres capas distintas de material afectado por la fatiga. La más cercana a la superficie, la muestra tiene una fuerte capa de carcasa, mientras que en el núcleo el material no ve afectadas las propiedades del material. Entre estas capas existe una capa de transición donde tanto las propiedades del material como la tensión residual tienen fuertes gradientes. Todos estos efectos se incorporan en la simulación del ciclo de carga.
En este ejemplo, se simula la fatiga utilizando el modelo Dang-Van. Los resultados muestran tensiones combinación del estado residual del proceso de endurecimiento y la respuesta estructural a la deformación plástica derivada de la abolladura del objeto esférico. La plasticidad solo tiene lugar durante el primer ciclo de carga, mientras que los subsecuentes ciclos de carga son elásticos en naturaleza. El segundo ciclo de carga puede por lo tanto ser visto como un ciclo de carga estable y es utilizado en el subsecuente estudio de fatiga.
La tensión efectiva en un material con endurecimiento de superficie en el pico de carga. Las tensiones más altas se encuentran justo debajo de la superficie. También existe un máximo local de tensión en la interfaz entre la capa de transición y el núcleo.
Nuevo modelo tutorial: Fatiga de contacto de rodadura en una guía lineal.
Cuando se carga una guía lineal por encima del límite de la especificación del fabricante, una de las preocupaciones es si las cargas de contacto introducirán desconchamiento por fatiga. En este análisis del sistema, se ha analizado la guía completa y se ha identificado que la carga más dañina ocurre en un conducto del carril. Como el desconchamiento se inicia por grietas de fatiga a nivel de subsuperficie, se realiza una evaluación de fatiga basada en el modelo Dang-Van.
La evaluación de la fatiga de una carga de contacto móvil en una superficie curva requiere una malla controlada. Los tamaños de los elementos deben ser lo suficientemente pequeños para resolver correctamente la presión del contacto sobre la superficie. Y, como estamos analizando un contacto de rodadura, la presión del contacto es dinámica a lo largo de la superficie así que todo el área del contacto itinerante debe constar de elementos pequeños. Además, las tensiones de cizalladura más grandes en un análisis de contacto se encuentran en el nivel de la subsuperficie, por lo que también se requiere una malla fina a lo largo de la profundidad del modelo.
En este modelo se muestra una técnica para manejar este tipo de problemática.
Malla utilizada en una simulación de una guía lineal sujeta a fatiga de contacto de rodadura.
Modelo tutorial actualizado: Análisis de fatiga de un eje no proporcionalmente cargado con un filete
Este modelo tutorial se ha ampliado con la predicción de fatiga basada en el modelo de Dang-Van. Los resultados de los tres modelos basados en tensión, Findley, Matake, y Dang-Van, son comparados subsecuentemente entre sí y se discuten las diferencias en la documentación.
Modelo tutorial actualizado - Abrazadera — Evaluació de fatiga
El modelo tutorial de la Evaluación de fatiga de una abrazadera se ha ampliado con un estudio paramétrico. La ampliación muestra, paso a paso, cómo realizar un estudio paramétrico de un análisis de fatiga, lo que es un buen punto de arranque para aprender cómo utilizar esta funcionalidad.
5.2
Ayuda mejorada al seleccionar un modelo de fatiga
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La documentación para el módulo Fatigue Module se ha ampliado con un capítulo que trata de cómo seleccionar un modelo de fatiga apropiado para situaciones diferentes. Se sabe que es una tarea complicada incluso para analistas con experiencia. |
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5.1
NOVEDADES
Nueva app: cuadro con recorte sujeto a carga aleatoria
En esta aplicación, se calcula la vida de fatiga de un cuadro con un recorte sujeto a una historia de carga compleja. Los parámetros geométricos pueden variarse. Las historias de la carga y las curvas S-N pueden leerse de archivos de texto.
Una aplicación de un cuadro con un recorte que es sujeto a una historia de cargas compleja puede simular curvas S-N. Las dimensiones de la geometría pueden ser modificadas.
5.0
Nuevo tipo de estudio de fatiga
Se ha añadido un nuevo tipo de estudio de fatiga. Tiene las siguientes ventajas:
- Puede seleccionarse un ciclo de carga desde el análisis paramétrico o dependiente del tiempo subyacente. Ya no existe necesidad de correr un estudio extra separado para un ciclo único.
- No se resolverá ninguna otra interfaz física para un estudio de Fatiga.
Modelos de fatiga de estrés-vida útil
Se ha añadido una nueva familia de modelos de fatiga llamada Stress-Life. Está dedicada al cálculo del número de ciclos de fatiga, basado en el rango de estrés. Existen tres modelos:
- Curva S-N
- Basquin
- Curva S-N aproximada
Modelo de Fatiga deformación-vida útil
Se ha añadido una nueva familia de modelos de fatiga llamada Strain-Life. Está dedicada al cálculo del número de ciclos de fatiga, basado en el rango de deformación. Existen tres modelos:
- Curva E-N
- Coffin-Manson (ya disponible en la versión 4.4, pero movido a esta familia de modelos)
- Basquin y Coffin-Manson combinado
Variables de distribución en 3D
La relación de aspecto para la opción de altura del Histograma de Matriz se ha adaptado para ajustarse con las dimensiones restantes. Esta opción es utilizada cuando se presentan variables de distribución en un análisis de daños acumulativos, cuentas de ciclos de tensión, y uso de fatiga relativa para visualizar resultados en 3D.
COMSOL Structural Mechanics Module 6.3
COMSOL Multiphysics 6.3