Analizzare la fatica strutturale con il Fatigue Module

Diagramma di flusso che mostra come selezionare un modello di fatica partendo dal tipo di carico.

Identificazione dei cicli di carico per determinare il modello di fatica

Prima di eseguire un'analisi a fatica, è necessario stabilire quale modello di fatica rispecchi accuratamente il caso in esame. È possibile individuare il modello di fatica da utilizzare sulla base delle conoscenze acquisite in casi precedenti. In caso contrario, la scelta del modello può essere determinata in base alle condizioni di carico e al cedimento a fatica previsto. In generale, i cicli di carico possono essere suddivisi nei seguenti casi: carichi proporzionali, non proporzionali e ad ampiezza variabile.

In caso di carico proporzionale, l'orientamento delle tensioni e delle deformazioni principali non cambia durante il ciclo di carico; per l'HCF si utilizza un modello stress-life e per l'LCF un modello strain-life. Per il carico non proporzionale, le direzioni delle sollecitazioni e delle deformazioni principali variano: per HCF si utilizza un modello basato sulle sollecitazioni e per LCF un modello basato sulle deformazioni. In alcuni casi, le sollecitazioni o le deformazioni da sole non sono sufficienti per caratterizzare le proprietà di fatica e, in tal caso, si possono utilizzare modelli basati sull'energia.

Per i carichi ad ampiezza variabile, dove non c'è un ciclo costante, si considera l'intera storia di carico (o una porzione sufficientemente rappresentativa): in questo caso si usa un modello di fatica a danno cumulativo. Infine, esiste un'opzione di modellazione della fatica da vibrazioni casuali che utilizza come input il carico di densità spettrale di potenza (PSD).

Eseguire un'analisi di fatica in COMSOL Multiphysics^®

Una volta determinati il tipo di ciclo di carico e il modello di fatica appropriato, è possibile procedere alla configurazione e all'esecuzione di un'analisi di fatica in COMSOL Multiphysics^®. Come input, il Fatigue Module accoglie i risultati di un'analisi di meccanica strutturale, in cui sono state calcolate le sollecitazioni e le deformazioni. I risultati su cui si basa la valutazione della fatica possono provenire dai seguenti tipi di analisi:

Stazionaria
- Casi di carico
- Sweep parametrici
Dipendente dal tempo
Dominio della frequenza
Vibrazioni casuali

I risultati dell'analisi di fatica dipendono dal modello di fatica selezionato. Si tratterà di una previsione di durata in termini di numero di cicli a fatica o di un fattore di utilizzo che indicherà quanto il ciclo di carico dato è vicino al limite di fatica. Le analisi basate sull'energia forniranno una previsione di durata e una densità di energia di fatica dissipata.

Modello di cerchione che illustra la sollecitazione.

Caratteristiche e funzionalità del Fatigue Module

Sono disponibili vari tipi di modelli di fatica per valutare l'integrità strutturale dei componenti sottoposti a carichi ripetuti.

Vista in primo piano delle impostazioni relative a Stress-Based e di un modello di provino cilindrico nella finestra Graphics.

Modelli basati sulle sollecitazioni e sulle deformazioni

Per i casi multiassiali, molti dei criteri di fatica più diffusi utilizzano un approccio al piano critico per il calcolo della fatica. Questo approccio prevede l'identificazione del piano su cui una certa espressione di sollecitazione o di deformazione è massimizzata. Diversi modelli di fatica utilizzano diverse espressioni di sollecitazione o di deformazione e il Fatigue Module dispone di modelli basati sia sulle sollecitazioni che sulle deformazioni.

Nel regime di fatica ad alto ciclo, dove le deformazioni plastiche sono trascurabili, i modelli basati sulle sollecitazioni — Findley, Normal stress, Matake o Dang Van — vengono utilizzati per calcolare un fattore di utilizzo della fatica che viene confrontato con il limite di fatica.

Nelle situazioni in cui le deformazioni plastiche non possono più essere trascurate, sono disponibili modelli basati sulle deformazioni. Essi utilizzano espressioni di deformazione o espressioni che combinano sollecitazione e deformazione per calcolare il numero di cicli fino alla rottura per fatica. I modelli Smith-Watson-Topper (SWT), Fatemi-Socie e Wang-Brown sono tipicamente rilevanti nelle situazioni di fatica a basso ciclo.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Cumulative Damage evidenziato e un modello di telaio a parete sottile nella finestra Graphics.

Modello di danno cumulativo

Nei casi in cui il ciclo di carico non è costante, il carico è descritto da una storia completa delle sollecitazioni piuttosto che da un singolo ciclo di sollecitazione costante. È possibile utilizzare la funzione Cumulative Damage per valutare la fatica di una struttura sottoposta a carichi variabili o a carichi "casuali", in cui le sollecitazioni corrispondenti vengono suddivise in base al conteggio in cascata. Una volta nota la distribuzione delle sollecitazioni, si utilizza la regola del danno lineare di Palmgren-Miner per calcolare il danno cumulativo utilizzando una curva S-N. I risultati comprendono un fattore di utilizzo, che indica quanto è vicino al limite di fatica il ciclo di carico, i cicli di sollecitazione contati che mostrano la distribuzione dei livelli di sollecitazione del carico applicato e il fattore di utilizzo relativo che mostra il contributo all'utilizzo complessivo a fatica di ciascun livello di sollecitazione. Per visualizzare i cicli di sollecitazione contati e l'uso relativo della fatica si possono usare grafici a istogramma a matrice.

Vista in primo piano delle impostazioni di Random Vibration e di un modello di staffa nella finestra Graphics.

Fatica da vibrazioni

Quando una struttura è sottoposta a vibrazioni, questo può causare fatica. Le vibrazioni possono essere suddivise in processi deterministici o casuali. Il Fatigue Module include funzioni per valutare la fatica corrispondente.

L'analisi della fatica delle vibrazioni armoniche si basa sui risultati di uno sweep nel dominio della frequenza. In questo caso, è possibile specificare la cronologia delle frequenze, ad esempio il tempo trascorso a ciascuna frequenza o il tasso di variazione del tempo di frequenza. Il risultato è un fattore di utilizzo, che indica quanta parte della vita a fatica è stata consumata dai cicli della scansione in frequenza.

L'analisi della fatica con vibrazioni casuali si basa sui risultati di un'analisi delle vibrazioni casuali in cui il carico è rappresentato dalla PSD. La funzione Random Vibration dell'interfaccia Fatigue può essere usata per definire qualsiasi misura di sollecitazione lineare e fornisce diversi risultati che derivano dalla risposta PSD. Questi risultati aiutano a valutare la struttura in relazione al rischio di rottura per fatica.

Vista in primo piano delle impostazioni di Stress-Life e di un modello di motore nella finestra Graphics.

Modelli stress- e strain-life

I modelli stress-life e strain-life del Fatigue Module forniscono una serie di metodi in cui l'ampiezza della sollecitazione o della deformazione si riferisce alla durata della fatica attraverso una curva di fatica. Questi modelli sono adatti per carichi proporzionali quando, ad esempio, un singolo carico oscilla tra due valori. Per simulare la fatica ad alto ciclo, il modulo include i modelli stress-life S-N curve, Basquin e Approximate S-N curve. Per il regime di bassa fatica, sono disponibili i modelli strain-life E-N curve, Coffin-Manson e Combined Basquin and Coffin-Manson.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Energy-Based evidenziato e un modello di resistore a montaggio superficiale nella finestra Graphics.

Modelli basati sull'energia

Nel Fatigue Module sono inclusi due modelli basati sull'energia: Morrow e Darveaux, utilizzati per combinare l'effetto delle sollecitazioni e delle deformazioni in energia che viene rilasciata o dissipata durante un ciclo di carico.

Questi modelli sono tipicamente adatti alle applicazioni che coinvolgono materiali non lineari nel regime di fatica a basso ciclo. Poiché l'energia può essere calcolata in modi diversi, questi modelli possono essere utilizzati sia in applicazioni con carico proporzionale che non proporzionale.

I modelli basati sull'energia dipendono dall'energia dissipata. Dissipazione di energia significa che l'energia viene consumata dal materiale e non può essere ripristinata. Questo comportamento è esibito dai materiali anelastici e può essere modellato combinando il Fatigue Module con il Nonlinear Structural Materials Module o con il Geomechanics Module.

Vista in primo piano delle impostazioni di Thermal Expansion e di un modello di scheda di circuito nella finestra Graphics.

Multifisica per analisi approfondite

Le espansioni o le contrazioni dei materiali dovute alle variazioni di temperatura introducono concentrazioni di sollecitazioni e accumuli di deformazioni che possono portare alla rottura. La rottura per fatica termica può essere valutata utilizzando diversi modelli di fatica. Per i materiali non lineari, questi includono il modello Coffin-Manson e le relazioni Morrow e Darveaux basate sull'energia. Oltre alle opzioni disponibili per le deformazioni anelastiche o le energie dissipate, i modelli di valutazione della fatica possono essere modificati dall'utente per valutare le espressioni di deformazione o di energia durante il calcolo della fatica.

È possibile utilizzare la regola di Neuber e il metodo di Hoffmann-Seeger per approssimare l'effetto della plasticità in una rapida simulazione elastica lineare. In combinazione con il Nonlinear Structural Materials Module, è possibile considerare un ciclo di fatica elastoplastico completo.

Per calcolare il rischio di fatica nei sistemi multibody e nei rotori solidi, il Fatigue Module può essere combinato rispettivamente con il Multibody Dynamics Module e con il Rotordynamics Module.

Fatigue Module

Identificazione dei cicli di carico per determinare il modello di fatica

Eseguire un'analisi di fatica in COMSOL Multiphysics^®

Caratteristiche e funzionalità del Fatigue Module