MSC Fatigue Технологии расчета долговечности конструкций

Анализ усталостного разрушения конструкции в условиях длительного действия переменных во времени нагрузок, уникальные возможности проектирования и оптимизации конструкций, в том числе и по требованиям долговечности, срока работы изделия в нормальных и экстремальных условиях эксплуатации.

MSC Fatigue разработан в сотрудничестве корпорации MSC Software и nCode Intrernational Ltd, крупнейшего в мире поставщика коммерческих технологий и инженерных решений в области исследования долговечности и ресурса.

Основным источником исходных данных для выполнения расчета в MSC Fatigue являются результаты предшествующего конечно-элементного анализа конструкции или результаты натурных испытаний. Качество анализа долговечности в MSC Fatigue, таким образом, непосредственно зависит от качества результатов (напряжений или деформаций), полученных в структурном анализе или эксперименте.

Единой интегрирующей средой анализа долговечности является Patran. В Patran обрабатываются результаты предшествующего конечно-элементного анализа или вводятся результаты эксперимента, а также, определяются истории нагружения, свойства материалов и параметры задания на расчет MSC Fatigue, контролируется ход решения, визуализируются и анализируются результаты расчета.

Конечно-элементный анализ изделия может быть выполнен во временной или частотной области. Во временной области на вход подается временная история, например изменение во времени напряжений в изделии.

Однако часто истории нагружения сложны, длительны и по природе случайны. Анализ таких переходных динамических процессов может быть выполнен с помощью MSC Nastran или комплексного использования MSC Nastran и Adams. Но зачастую получение отклика во времени требует значительных вычислительных затрат. Для таких типов нагрузок используется другой подход, реализованный в MSC Nastran - исследование поведения структуры не во временной, а в частотной области. При этом спектры нагружения получаются очень компактными – до нескольких десятков килобайт, а время расчета в несколько раз меньше, чем при расчете долговечности во временной области прямыми методами.

Временной процесс представляется в виде спектральной плотности (PowerSpectralDensity, PSD). Расчеты MSC Fatigue в частотной области составляют предмет модуля Fatigue Vibration.

Усталостные характеристики материалов, используемых в анализе долговечности, могут быть взяты либо из поставляемой с MSC Fatigue базы данных материалов DTLib, либо импортированы из внешней базы данных (Mvision), либо получены пользователем из собственных источников. Если пользователь имеет информацию только о статических характеристиках материала (модуль упругости, предел прочности...), MSC Fatigue может сгенерировать необходимые для расчета долговечности усталостные характеристики по реализованным в нем эмпирическим зависимостям. При использовании принципиально нового решателя DTLib позволяющего реализовать процесс высокопроизводительных параллельных вычислений можно существенно сократить время расчета.

Усталостные характеристики материала могут быть функциями температуры. MSC Fatigue автоматически корректирует усталостную кривую материала по значениям температуры в исследуемых областях.

StressLife анализ - исследуется полное время жизни структуры, без отдельного рассмотрения фаз образования и роста трещины. Используется кривая усталости (Велера) в пространстве «размах напряжений – число циклов до разрушения». Применим в случаях, когда структура деформируется в основном линейно; пластические деформации носят очень локализованный характер. Это так называемое многоцикловое усталостное разрушение (с числом циклов до разрушения больше 50.000 – 100.000). Может быть выполнен анализ долговечности сварных соединений для точечной и шовной сварки. MSC Fatigue имеет так же удобный модуль FatigueWheels – S-N анализ долговечности вращающихся структур (колес, дисков и т.п.).

В S-N расчетах могут учитываться:

• Присутствие некоторого среднего (постоянного, фонового) уровня напряжений в структуре
• Фактор концентрации напряжений;
• Масштабный фактор;
• Фактор типа напряженного состояния в исследуемой зоне;
• Влияние качества обработки поверхности;
• Влияние используемого поверхностного упрочнения;
• Вероятностный характер используемой усталостной характеристики;

StrainLife - анализ времени функционирования изделия до момента образования в ней трещин значительных, с точки зрения инженера, размеров. Используются циклическая кривая материала и кривая усталости в пространстве «размах деформаций – число циклов до разрушения». Может применяться в условиях присутствия в конструкции пластических деформаций среднего уровня. Это т.н. малоцикловое усталостное разрушение конструкции с числом циклов до разрушения до 100.000. При выполнении расчета на многоцикловую усталость учитывается количество полных циклов, образующих гистерезисные петли, при этом циклы достаточно большой площади вносят наиболее существенный вклад в усталостную повреждаемость конструкций. Алгоритмы схематизации циклов по “методу дождя” в MSC Fatigue оптимальны для использования в расчетах повреждаемости конструкции по методу зарождения трещины.

В E-N расчетах могут учитываться:

• Присутствие некоторого среднего (постоянного, фонового) уровня напряжений в структуре
• Фактор концентрации напряжений;
• Масштабный фактор;
• Фактор типа напряженного состояния в исследуемой зоне;
• Влияние качества обработки поверхности;
• Влияние используемого поверхностного упрочнения;
• Вероятностный характер используемой усталостной характеристики;

Fatigue Fracture - анализ развития трещин до заданных или до разрушающих размеров. Может быть задан начальный размер трещины. Используется диаграмма усталостного разрушения в координатах «скорость развития трещины – размах коэффициента интенсивности напряжений». Коэффициент интенсивности напряжений наиболее типичных зон машиностроительных конструкций может быть получен из поставляемой с MSC Fatigue библиотеки поправочных функций. Используется эффективный коэффициент интенсивности напряжений. В расчете учитываются:

• Явление закрытия трещины (эффект Элбера);
• Эффекты «истории» (в т.ч. влияние единичных перегружающих нагрузок);
• Вклад в процесс разрушения статических нагрузок;
• Возможность роста трещины из предшествующего дефекта;
• Влияние условий эксплуатации (окружающей среды)
• Реальная последовательность циклов в истории нагружения

Модуль Fatigue Multiaxial. Напряженное состояние в исследуемой точке не обязательно одноосно. В каждый момент времени для каждого узла на поверхности может быть вычислен т.н. коэффициент биаксиальности a=σ1/σ2, где σ1, σ2 – главные напряжения; а так же угол φ между σ1 и локальной Х-осью в исследуемой точке. В общем случае, a и φ меняются во времени, т.е. имеет место непропорциональное напряженное состояние. MSC Fatigue позволяет выполнять S-N и E-N расчеты и в этом сложном случае.

Моделирование датчиков деформаций, используемых в реальных испытаниях конструкции. В расчет в заданном месте, с заданной ориентацией, с заданной площадью накрытия, могут быть введены компьютерные модели реальных тензодатчиков. Положение, ориентация и размеры датчиков в модели не зависят от расположения узлов и ориентации конечных элементов. Датчики располагаются в любом месте на поверхности конечно-элементной модели, ориентация может быть любая, и один датчик может покрывать в модели несколько элементов.

Аппарат Fatigue Software StrainGauge позволяет непосредственно сравнивать показания датчиков деформации, полученные в эксперименте, с историей деформирования, вычисленной в расчете и является мощным инструментом приведения к соответствию расчетной модели и реального объекта. С помощью виртуальных тензодатчиков можно не только проводить корреляцию между численными расчетами и экспериментальными данными, но и быстро подготавливать программу ускоренных испытаний конструкции. При этом, полученные результаты в виде напряжений и деформаций могут быть в дальнейшем использованы для: подсчета циклов нагружения, получения результирующей спектральной плотности отклика конструкции в напряжениях, а также для последующего расчета повреждаемости и долговечности изделия.Помимо расчетной части, MSC Fatigue располагает обширным набором сервисных утилит. Утилиты – это более 50 специальных процедур, каждая из которых может быть запущены как из среды Patran, так и независимо. Утилиты обеспечивают простоту и удобство задания, редактирования, исследования входных данных, различные режимы импорта, фильтрации и отображения сигналов, а так же широкий спектр возможностей по обработке получаемых результатов на самых разных этапах анализа долговечности конструкции.

Использование MSC Fatigue позволяет сократить время разработки изделия и исключить затраты на устранение усталостных повреждений и разрушений еще на ранних стадиях проектирования. Так же, в процессе эксплуатации изделия, при обнаружении усталостных повреждений, трещин, MSC Fatigue позволяет проанализировать влияние этих повреждений на ресурс конструкции, предотвращая аварии и катастрофы.