Fatigue Module

Per l'analisi di fatica a elevato numero di cicli e oligociclica, basata su sollecitazione interna e deformazione

Fatigue Module

Fatica oligociclica prodotta dalla deformazione plastica vicino a un foro, che illustra il logaritmo della vita utile in termini di numero di cicli e una curva sforzo-deformazione per i primi cicli di carico.

Analisi di fatica per diverse strutture e applicazioni di vario tipo

Strutture sottoposte a cicli ripetuti di carico e scarico possono cedere anche sotto carichi inferiori al limite statico per effetto della fatica meccanica. È possibile eseguire l'analisi di fatica virtuale nell'ambiente di COMSOL Multiphysics utilizzando il Fatigue Module, un componente aggiuntivo dello Structural Mechanics Module. I metodi del piano critico basati sia sulle sollecitazioni sia sulle deformazioni consentono di valutare il regime di fatica a elevato numero di cicli e di fatica oligociclica. Nel caso di applicazioni che considerino materiali non lineari è possibile utilizzare metodi energetici oppure modelli del tipo Coffin-Manson per simulare la fatica termica.

Nel caso di carichi variabili, il danno accumulato può essere calcolato dalla storia di carico e dal limite di fatica. Il ciclo di carico a fatica può essere simulato in corpi solidi, piastre, gusci, sistemi multicorpo, applicazioni con sollecitazione e deformazione termica e persino in dispositivi piezoelettrici. Quando si trattano fenomeni di fatica che hanno inizio in superficie o in zone subsuperficiali, al fine di aumentare l'efficienza computazionale, è possibile effettuare valutazioni di fatica su domini, supefici, linee e punti.

Modelli di piano critico basati su sollecitazione interna e deformazione

I modelli di piano critico cercano il piano più propenso alla formazione/ nucleazione di cricche e alla loro propagazione quando questo è soggetto a fatica. Queste formulazioni sono disponibili nel Fatigue Module per entrambi i modelli basati su sollecitazione interna e deformazione. Nel caso di fatica a elevato numero di cicli, dove la plasticità è molto limitata, si utilizzano solitamente i modelli basati sulla sollecitazione interna. Nel Fatigue Module, questi vengono calcolati tramite i criteri di Findley e di Matake e di sollecitazione normale, che considerano il fattore di utilizzo a fatica e lo confrontano con il limite di fatica.

I modelli basati sulla deformazione valutano le deformazioni o le combinazioni di deformazioni e sollecitazioni in fase di definizione di un piano critico. Una volta identificato il piano critico, si può prevedere il numero dei cicli a rottura. Il Fatigue Module mette a disposizione i modelli di Smith-Watson-Topper (SWT), Fatemi-Socie e Wang-Brown, che solitamente sono utilizzati per lo studio della fatica oligociclica in presenza di elevate deformazioni. La regola di Neuber e il metodo di Hoffmann-Seeger sono disponibili per approssimare l'effetto della plasticità in una simulazione di tipo elastico-lineare. È anche possibile considerare l'intero ciclo di fatica elastoplastica con l'utilizzo del Nonlinear Structural Materials Module.

Altre immagini:

  • Analisi di fatica a elevato numero di cicli di un carico non proporzionale mediante i metodi del piano critico. Analisi di fatica a elevato numero di cicli di un carico non proporzionale mediante i metodi del piano critico.
  • La distribuzione dei cicli di sollecitazione in un certo punto, calcolata dall'algoritmo di conteggio Rainflow (regola del serbatoio) mediante un istogramma matriciale. L'asse orizzontale rappresenta le sollecitazioni medie mentre le ampiezze della sollecitazione sono distribuite sull'asse verticale. La distribuzione dei cicli di sollecitazione in un certo punto, calcolata dall'algoritmo di conteggio Rainflow (regola del serbatoio) mediante un istogramma matriciale. L'asse orizzontale rappresenta le sollecitazioni medie mentre le ampiezze della sollecitazione sono distribuite sull'asse verticale.
  • Una struttura con apertura centrale è sottoposta a un carico casuale composto da 1000 eventi di carico. La distribuzione delle sollecitazioni è calcolata con l'algoritmo di conteggio Rainflow (regola del serbatoio) e il danno è stimato utilizzando la regola di Palmgren-Miner (accumulo del danno lineare). Una struttura con apertura centrale è sottoposta a un carico casuale composto da 1000 eventi di carico. La distribuzione delle sollecitazioni è calcolata con l'algoritmo di conteggio Rainflow (regola del serbatoio) e il danno è stimato utilizzando la regola di Palmgren-Miner (accumulo del danno lineare).
  • Giunzione saldata sulla superficie di montaggio di una resistenza. Valutazione della vita utile basata sull'energia di creep dissipata in un ciclo di fatica termica. Giunzione saldata sulla superficie di montaggio di una resistenza. Valutazione della vita utile basata sull'energia di creep dissipata in un ciclo di fatica termica.

Fatica Termica

Contrazioni ed espansioni del materiale dovute alle variazioni di temperatura introducono concentrazioni di sollecitazioni e accumuli di deformazioni che possono portare a cedimento. Il Fatigue Module fornisce gli strumenti che permettono di analizzare tali fenomeni attraverso la modellazione della fatica termica. Il ciclo di carico termico può essere simulato utilizzando le interfacce fisiche Thermal Stress e Joule Heating and Thermal Expansion. Il cedimento per fatica termica può essere valutato mediante molteplici criteri. Nel caso di materiali non lineari, questi comprendono il criterio di Coffin-Manson e le relazioni energetiche di Morrow e Darveaux. In aggiunta alle opzioni di calcolo per deformazioni non elastiche o per energie dissipate già esistenti, si ha la possibilità di modificare i criteri di valutazione della fatica per calcolare espressioni legate a deformazioni ed energia definite dall'utente.

Analisi del danno cumulativo

I carichi casuali introducono in una struttura vari stati tensionali di diversa entità. Nel Fatigue Module, l'analisi del danno cumulativo non identifica solo le tendenze generali dell'evoluzione dello stato di sollecitazione, ma calcola anche il danno accumulato. La storia dello stato di sollecitazione può essere valutata attraverso la sollecitazione principale o la tensione di von Mises (equivalente), dove il segno è determinato dalla sollecitazione principale o idrostatica. La storia di carico viene quindi elaborata con l'algoritmo di conteggio Rainflow e il danno è calcolato utilizzando la regola di Palmgren-Miner (accumulo del danno lineare). L'influenza del valore di R è incorporata attraverso la curva di resistenza a fatica S-N (curva del Wöhler).

In un'analisi di carico variabile casuale la simulazione dei cicli di carico richiede molto tempo in presenza di un elevato numero di eventi. Si può ridurre notevolmente il tempo necessario eliminando dalla simulazione gli effetti non lineari. In tal caso, il ciclo di sforzo può essere descritto con l'aiuto della sovrapposizione modale, selezionabile in un'analisi del danno cumulativo. L'utilizzo di questa tecnica non solo consente di risparmiare tempo nei calcoli, ma riduce anche notevolmente le dimensioni del modello da salvare per la successiva analisi di fatica.

Visualizzazione dei calcoli di fatica

Il Fatigue Module calcola il numero dei cicli a rottura e il fattore di utilizzo a fatica. Nelle simulazioni del danno cumulativo, la distribuzione delle sollecitazioni derivanti dal carico casuale applicato può essere rappresentata insieme al fattore di utilizzo relativo. Questa simulazione visualizza i contributi di uno specifico carico di fatica al fattore di utilizzo a fatica complessivo, che in questo caso è considerato un danno. La distribuzione delle sollecitazioni è rappresentata come una funzione dell'ampiezza della sollecitazione e della sollecitazione media.

Fatigue Analysis of a Wheel Rim

Thermal Fatigue of a Surface Mount Resistor

Submodeling of Thermal Fatigue in a Ball Grid Array

Fatigue Response of a Random Non-Proportional Load

Cycle Counting in Fatigue Analysis - Benchmark

Notch Approximation to Low-Cycle Fatigue Analysis of Cylinder with a Hole

Elastoplastic Low-Cycle Fatigue Analysis of Cylinder with a Hole

Fatigue Analysis of a Non-Proportionally Loaded Shaft with a Fillet

High-Cycle Fatigue Analysis of a Cylindrical Test Specimen

Frame Fatigue Life