کدام مدل خستگی را انتخاب کنم؟

متداول‌ترین سوالی که در مورد ماژول خستگی می‌پرسیم این است که «از کدام مدل خستگی در شبیه‌سازی‌هایم استفاده کنم؟» هیچ پاسخ مستقیمی برای این سوال وجود ندارد، زیرا خستگی بر اساس یک معادله دیفرانسیل دقیق نیست، بلکه بر اساس مشاهدات مهندسی است که منجر به مدل‌های فیزیکی مختلف می‌شود. کاربرد هر مدل می تواند به عواملی مانند مواد و نوع بارگذاری بستگی داشته باشد. امروز، رویکردهای مختلف برای انتخاب مدل خستگی و کاربرد مدل‌های مختلف را مورد بحث قرار خواهم داد.

شناسایی رفتار خستگی

یک مدل خستگی را می توان به روش های مختلفی انتخاب کرد. دانش تخصصی نقطه شروع خوبی است. ممکن است در سازمان شما دانش قبلی در مورد این موضوع وجود داشته باشد اگر یک برنامه مشابه قبلا تجزیه و تحلیل شده باشد. از طرف دیگر، ممکن است دانش تخصصی را از طریق جستجوی ادبیات پیدا کنید. از آنجایی که حدود 90 درصد از تمام خرابی‌های سازه‌ای ناشی از خستگی است ، احتمال زیادی وجود دارد که تیم مهندسی دیگری قبلاً برنامه‌ای مشابه برنامه شما را تحلیل کرده باشد.

هنگامی که هیچ دانش قبلی در مورد مورد خستگی وجود ندارد، یک مدل خستگی مناسب را می توان بر اساس چند سوال در مورد شرایط بارگذاری و شکست خستگی مورد انتظار پیشنهاد کرد. در نمودار زیر، سوالات کلیدی را که باید هنگام ارزیابی خستگی با استفاده از ماژول خستگی بپرسید، خلاصه کرده ام.

انتخاب نوع مدل خستگی

خستگی بار تصادفی

ابتدا، باید تعیین کنید که آیا بار خارجی تصادفی است یا اینکه برنامه شما تحت یک چرخه ثابت قرار دارد. باری که واقعاً تصادفی نیست، اما دارای دنباله‌ای از چرخه‌های بار غیر ثابت است، نیز می‌تواند در این دسته قرار گیرد.

تاریخچه تنش برای بارهای تصادفی یک سناریوی بار پیچیده را در سازه معرفی می کند که به یک تکنیک ارزیابی پیشرفته برای تعیین کمیت پاسخ تنش نیاز دارد. اگر برنامه شما تحت بارگذاری تصادفی قرار می گیرد، می توانید خستگی را با استفاده از ویژگی خسارت تجمعی ارزیابی کنید، جایی که بار تصادفی به جای چرخه تنش ثابت منفرد – که برای سایر تکنیک های ارزیابی فرض می شود – به توزیع دامنه تنش تبدیل می شود.

شما می توانید جزئیات بیشتر در مورد این روش محاسبه را در پست قبلی وبلاگ من ” خستگی بار تصادفی ” بیابید.

بارگذاری متناسب یا غیر متناسب

در چرخه های بار ثابت، سازه تحت تأثیر یک توالی بار تکرارپذیر قرار می گیرد. در این مورد، باید تعیین کنید که آیا بارگذاری متناسب است یا غیرمتناسب.

در بارگذاری متناسب، جهت تنش ها و کرنش های اصلی در طول چرخه بار تغییر نمی کند. راه دیگر برای تمایز بین این دو مورد، در نظر گرفتن ویژگی های بار خارجی است. با یک منبع بار خارجی، پاسخ ساختاری توسط یک تانسور تنش تعریف می‌شود که در آن همه اجزا در فاز تغییر می‌کنند . هنگامی که بار خارجی در چندین نقطه اعمال می شود یا اگر بار در حال حرکت دارید، اجزای تانسور تنش می توانند خارج از فاز تغییر کنند . این دو نوع چرخه بار به تکنیک های متفاوتی برای ارزیابی خستگی نیاز دارند.

بارگذاری متناسب

در بارگذاری متناسب، جهت بزرگترین تنش یا کرنش که خستگی را کنترل می کند مشخص است. این احتمالاً همان برنامه‌ای بود که با آن کار می‌کردید وقتی که اولین کلاس خود را در حالت خستگی شرکت کردید. در آن زمان بارگذاری همیشه سینوسی بود و از روش‌های کلاسیک مانند منحنی SN که منحنی Wöhler نیز نامیده می‌شد استفاده می‌شد.

در ماژول خستگی، مدل‌های Stress-Life و Strain-Life می‌توانند خستگی را در بارگذاری متناسب ارزیابی کنند. این مدل ها بر اساس یک منحنی خستگی-عمر هستند که رابطه مستقیمی بین عمر خستگی و دامنه تنش یا کرنش اعمال شده را فراهم می کند.

یک مدل در خانواده استرس زندگی نیاز به توجه بیشتری دارد: منحنی SN تقریبی (شکل زیر را ببینید). در مدل دو نقطه روی منحنی SN مشخص می کنید. اولین مورد انتقال بین خستگی چرخه بالا و پایین است، در حالی که دومی حد استقامت را تعیین می کند. مزیت این مدل این است که نیازی به دانش قابل توجهی از داده های مواد خستگی ندارد، زیرا دو نقطه مورد نیاز را می توان با مقاومت کششی نهایی مرتبط دانست. اگرچه این یک تقریب تقریبی است، اما زمانی که شما فاقد داده های مادی هستید، نقطه شروع خوبی است.

مدل منحنی SN تقریبی. شاخص t نشان دهنده نقطه گذار است، در حالی که شاخص e نشان دهنده نقطه حد استقامت است.

مدل‌های Stress-Life برای شبیه‌سازی خستگی چرخه بالا مناسب هستند، در حالی که مدل‌های Strain-Life اغلب در رژیم‌های خستگی کم استفاده می‌شوند. انتقال بین خستگی سیکل پایین و بالا متفاوت است، اما معمولاً در محدوده 1000 تا 10000 چرخه است.

بارگذاری غیر متناسب

چالش بارگذاری غیرمتناسب، تعیین محدوده پارامتر کنترل کننده خستگی است. از آنجایی که جهت تنش‌ها و کرنش‌های اصلی تغییر می‌کند، جهت پارامتری که بیشترین تأثیر را بر عمر خستگی می‌گذارد نیز تغییر می‌کند.

در ماژول خستگی، این نوع کاربرد را می‌توان با مدل‌های مبتنی بر فشار و استرس که در مدخل وبلاگ « پیش‌بینی خستگی با استفاده از مدل‌های صفحه بحرانی » بحث کردم، ارزیابی کرد. این مدل‌ها را مدل‌های صفحه بحرانی می‌نامند زیرا جهت‌گیری‌های زیادی را در فضا در جستجوی صفحه بحرانی که انتظار می‌رود خستگی در آن رخ دهد، ارزیابی می‌کنند.

مدل‌های مبتنی بر کرنش برای پیش‌بینی خستگی در خستگی چرخه پایین مناسب هستند، در حالی که مدل‌های مبتنی بر استرس اغلب برای پیش‌بینی خستگی چرخه بالا استفاده می‌شوند. اکثر مدل های خستگی تعداد چرخه ها را تا زمان شکست پیش بینی می کنند. مدل‌های مبتنی بر استرس یک عامل استفاده از خستگی را پیش‌بینی می‌کنند که کسری بین تنش اعمال شده و حد تنش است. این به کاربر نشان می دهد که آیا از حد تنش فراتر رفته است و انتظار می رود خرابی وجود داشته باشد یا اینکه قطعه برای عمر خستگی مورد انتظار باقی می ماند. شما می توانید ضریب استفاده از خستگی را به عنوان معکوس یک ضریب ایمنی مشاهده کنید.

خستگی بر اساس انرژی

در برخی موارد، تنش یا کرنش به تنهایی برای مشخص کردن ویژگی‌های خستگی کافی نیست. سپس می توانید از مدل های مبتنی بر انرژی استفاده کنید . اینها اثر تنش و کرنش را به انرژی ترکیب می کنند که در طی یک چرخه بار آزاد یا تلف می شود.

مدل‌های مبتنی بر انرژی اغلب در مواد غیرخطی در رژیم خستگی چرخه پایین استفاده می‌شوند. از آنجایی که انرژی را می توان به روش های مختلف محاسبه کرد، مدل های مبتنی بر انرژی را می توان در برنامه های بارگذاری متناسب و غیر متناسب مورد استفاده قرار داد.

پست وبلاگ با عنوان ” مدل سازی خستگی حرارتی در مواد غیرخطی ” استفاده از مدل های مبتنی بر انرژی را نشان می دهد.

نمونه های مدل خستگی

من می خواهم چند مثال برای نشان دادن نحوه استفاده از انواع مختلف مدل به اشتراک بگذارم:

• در مثال خستگی بار تصادفی در یک قاب با یک برش ، مدل خستگی یک بار تصادفی متشکل از 1000 رویداد بار را در نظر می‌گیرد.
• منحنی SN کلاسیک در ارزیابی خستگی یک براکت با بارگذاری متناسب استفاده می شود .
• در مدل مثال، آنالیز خستگی چرخه بالا یک نمونه آزمایش استوانه‌ای ، خستگی در یک نمونه آزمایشی با بارگذاری غیرمتناسب پیش‌بینی می‌شود. این مدل همچنین نحوه بدست آوردن پارامترهای مواد را از دو نوع آزمایش خستگی نشان می دهد.
• یک معیار خستگی مبتنی بر انرژی در مدل خستگی حرارتی یک مقاومت سطحی استفاده می‌شود ، که در آن انرژی تلف شده در اتصال لحیم کاری ویسکوپلاستیک در نهایت منجر به شکست می‌شود.

اگر در مورد برنامه مدل سازی خستگی خود سؤالی دارید، لطفاً با ما تماس بگیرید .