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COMSOL Multiphysics ® 5.2a版本針對疲勞模組的用戶引入了新增的Dang-Van模型,專門用於快速和精確地模擬可壓縮負載、接觸疲勞、亞表層疲勞及剝落。一些新增及擴展的教學模型演示了這個新特徵的應用。請查閱下文,了解更多疲勞模組的更新細節。

 

亞表層疲勞建模

新版本中,基於應力的疲勞模型家族得到了擴展,新增了Dang-Van 模型。這個新增的模型透過靜水應力將壓縮狀態的敏感性結合到了疲勞預測。因此Dang-Van 模型適用於計算可壓縮負載和接觸疲勞,可以預測在觀測到剝落之前的亞表層疲勞發展,例如,軸承和軌道應用。

 

表面硬化材料中的亞表層疲勞,基於Dang-Van 模型計算。

表面硬化材料中的亞表層疲勞,基於Dang-Van 模型計算。

Dang-Van 模型可以在一維、二維和三維上進行計算。然而,對亞表層疲勞建模時,最合適的做法是在三維求解域級別進行求解。疲勞分析可能會消耗大量的時間,因為最大應力通常位於表層下10-100毫米,為此需要在這個深度進行精細的離散,以便獲得精確的結果。此外,如果接觸負載沿著曲面進行傳遞,同樣也需要沿著兩個曲面的精細網格。而且,當在多處理器上進行計算時,可以很方便地進行並行計算,縮短計算時間。

顯示亞表層疲勞建模和Dang-Van 模型的應用資料庫案例的路徑:

Fatigue_Module/Stress_Based/standing_contact_fatigue Fatigue_Module/Stress_Based/shaft_with_filletFatigue_Module/Stress_Based/linear_guide


疲勞模型參數化

絕大多數疲勞模型的設定選項已經參數化,這意味著可以將參數和變量賦給疲勞模型設定,並且在參數化研究中計算它們對疲勞的影響。只有兩個選項無法實現參數化:累積損傷特徵中的平均值柱數範圍柱數

顯示疲勞模型中參數化用法的應用資料庫案例的路徑:

Fatigue_Module/Stress_Life/bracket_fatigue

應力因子的參數化研究用來改變不同環境和製造條件下的SN 曲線。

應力因子的參數化研究用來改變不同環境和製造條件下的SN 曲線。

 

新增教學模型:長期接觸疲勞

長期接觸疲勞測試是一個用來測試亞表層裂縫增長的方法。在這種測試中,一個球形物體壓在試樣材料上,經歷高和低壓力負載循環。在此期間不會發生平移運動。

經過一段時間後,可以在平面物體的表面上觀察到表層裂縫,而進一步分析則表明亞表層級別出現了很多裂縫。表層通常進行硬化處理,使得表層的材料屬性與其他區域的材料屬性存在較大差別。這種表面硬化過程影響了物體的材料強度、硬度,以及疲勞屬性,並且引入了沿物體厚度方向的殘餘應力。

可以觀察到三個清晰的疲勞影響材料層。最靠近表面的層,樣品具有很強的殼層,而在核中,材料基本未受到影響。在這兩層中間,是一個過渡層,材料屬性和殘餘應力具有很大的梯度。所有這些效應都在加載循環模擬中組合在一起。

在這個案例中,使用了Dang-Van 模型進行模擬。結果顯示的應力中包含硬化工藝過程的殘餘狀態和隨著球形物體壓入時產生的塑性變形的結構力學響應。通常只在第一個加載循環中發生塑性變形,在接下來的加載循環中只有彈性變形。因此第二個加載循環可以被看作是穩定的加載循環,並且用於後續的疲勞研究。

演示長期接觸疲勞的案例的應用資料庫路徑:

Fatigue_Module/Stress_Based/standing_contact_fatigue

表面硬化材料在峰值載荷時的有效應力。 最大應力位於表層之下。 在過渡層和核層之間還可以觀察到最大的局部應力。

表面硬化材料在峰值負載時的有效應力。最大應力位於表層之下。在過渡層和核層之間還可以觀察到最大的局部應力。

 

新增教學模型:線性導軌中的滾動接觸疲勞

當線性導軌受到的負載超出了製造商的額定值時,需要考慮接觸負載是否會產生疲勞剝落。在這個系統分析中,分析了整個導軌,研究在軌道上發生的最大破壞接觸負載。因為剝落通常在亞表層級別引發,因此基於Dang-Van 模型進行了疲勞分析。

在曲面上的運動接觸負載進行疲勞分析需要受控的網格,其元素

尺寸必須足夠小,以便能夠正確地解析表面上的接觸壓力。並且,因為我們分析的是滾動接觸,其接觸壓力沿著表面動態變化,因此整個接觸行程區都需要由小網格組成。此外,接觸分析中的最大剪切應力出現在亞表層級別,因此需要在模型厚度方向使用細化的網格。

在此模型中演示了處理此類難題的技術。

演示線性導軌中滾動接觸疲勞的案例的應用資料庫路徑:

Fatigue_Module/Stress_Based/linear_guide

受到滾動接觸疲勞的線性導軌仿真模型中使用的網格。

受到滾動接觸疲勞的線性導軌模擬模型中使用的網格。

 

更新教學模型:帶倒角的非比例負載曲軸的疲勞分析

這個教學模型基於Dang-Van 模型進行了擴展,三個基於應力的模型(FindleyMatake Dang-Van)的結果進行了比較,並在案例檔案中對差異進行了討論。

更新的教學模型的應用資料庫路徑:

Fatigue_Module/Stress_Based/shaft_with_fillet

更新教學模型:支架-疲勞分析

支架疲勞分析教學模型已擴展為參數化研究,演示瞭如何逐步執行疲勞分析的參數化計算,這可以作為學習如何使用這種特徵的良好起始教學。

更新的支架教學模型的應用資料庫路徑:

Fatigue_Module/Stress_Life/bracket_fatigue