COMSOL® 製品概要

疲労解析モジュール

応力・歪ベースの高/低繰返し疲労を疲労解析モジュールで解析

疲労解析モジュール

穴の付近の塑性変形から生じる低サイクル疲労で最初の数回の荷重サイクルにかかる応力・歪み曲線とともに, 繰り返し数に関連する耐用年数の対数を示しています.

多種多様な構造物と応用分野の疲労解析

構造物が素材疲労のために繰り返し荷重を受けるとき, 静限界以上の荷重で機能しなくなる恐れがあります. 仮想疲労解析はCOMSOL Multiphysicsの環境で構造力学モジュールのアドオンであり, いくつかの疲労モデルを含む疲労解析モジュールを使って実行できます. それぞれのモデルの適用性は材料や荷重タイプなどのファクターに依存します. 古典的な応力寿命法や歪み寿命法は応力や歪振幅を疲労寿命と関連づけます. 応力および歪をベースとする臨界面法により, 高サイクルおよび低サイクル疲労領域を評価することができます. 非線形材料を含むアプリケーションでは, エネルギーベースの方法か, Coffin-Manson タイプのモデルで熱疲労をモデル化することができます. さまざまな荷重を扱う場合, 応力履歴および疲労限界から累積損傷を計算します. この疲労応力サイクルは固体, プレート, シェル, マルチボディのほか, 熱応力や変形, 圧電素子などの応用分野でもシミュレーションすることができます. 地下水や表面起因の疲労における計算効率を改善するには, ドメイン, 境界, ライン, ポイント上で疲労解析を実行することができます.


事例紹介

臨界面手法を利用する非比例荷重の高サイクル疲労分析 臨界面手法を利用する非比例荷重の高サイクル疲労分析
マトリクス・ヒストグラムを利用して、レインフローカウントアルゴリズムで計算された、ある特定の場所での応力サイクル分布
平均応力は横軸、応力振幅は縦軸で表示されています。 マトリクス・ヒストグラムを利用して、レインフローカウントアルゴリズムで計算された、ある特定の場所での応力サイクル分布 平均応力は横軸、応力振幅は縦軸で表示されています。
表面マウント型抵抗器のはんだ接合。1つの熱疲労サイクル中の散逸クリープエネルギに基づいた寿命予測。 表面マウント型抵抗器のはんだ接合。1つの熱疲労サイクル中の散逸クリープエネルギに基づいた寿命予測。

疲労曲線

古典的な方法で疲労を解析する場合, 応力や歪の振幅は疲労曲線を通して疲労寿命と関係しています. 応力-寿命モデルは疲労曲線を定義する様々な方法を与えます. これらのモデルは, 例えば一つの荷重が二つの値の間を振動するような場合のように比例的な荷重の場合には適しています. 高サイクル疲労は古典的S-N曲線, Basquin モデル、近似S-N曲線を含む応力-寿命モデルで解析することができます. E-N曲線, Coffin-Manson, BasquinとCoffin-Mansonの組合せモデルを含む歪-寿命モデルを使って低サイクル疲労予想を行うことができます.

歪みと応力ベースの臨界面モデル

臨界面モデルは, 疲労が生じている場所でのクラックの発生と伝播のもっとも起こりやすい平面を探し出します. これらは疲労解析モジュールの応力および歪みベースの両モデルで利用可能です. 高サイクル疲労領域では可塑性が非常に限定されており, 応力ベースモデルが一般的に利用されます. Findley, 垂直応力, Matake基準によって計算されます. これらの基準は疲労累積係数を計算し, 疲労限界と比較されます.

歪ベースモデルは臨界面を定義する場合, 歪みや歪みと応力の組み合わせの値を求めます. 臨界平面が確認されると, 破断までの繰り返し回数を予測します. 疲労解析モジュールは Smith-Watson-Topper (SWT), Fatemi-Socie法, Wang-Brownモデルの特性を備えています. これらのモデルは, 歪みが大きい部分の低サイクル疲労で通常用いられます. Neuber則およびHoffmann-Seeger方式は高速線形弾性シミュレーションでの可塑性効果の近似値を求める際に利用可能です. 非線形構造材料モジュールを使えば完全な弾塑性疲労サイクルを確認することも可能です.

疲労計算の可視化

疲労解析モジュールは疲労累積係数だけでなく, 破断に至るまでの繰り返し数を計算します. 累積損傷シミュレーションでは実際に適用されたランダム荷重の応力分布が相対的累積係数とともに表示されます. このシミュレーションは, この場合, 損傷と見なされる全体の疲労累積係数に対する明確な疲労荷重の寄与度を表示します. 応力分布は応力の大きさと平均応力の要素として提供されます.

蓄積ダメージ解析

ランダム荷重は構造物が受けるさまざまな大きさの多種多様な応力を取り込みます. 疲労解析モジュールの累積損傷分析は応力履歴の全体的な動きを確認するだけでなく, それぞれからの損傷を累積して計算します. そして, この応力履歴は, レインフローカウントアルゴリズムで処理され, 損傷はPalmgren-Miner線形損傷則を使って計算されます. R値の影響は限界S-N曲線に組み込まれています.

ランダム荷重分析で荷重事象の数が大きいときに荷重サイクルのシミュレーションには多くの時間がかかります. 非線形効果がこのシミュレーションに含まれていなければ大幅に時間を短縮することが可能です. この場合, 応力サイクルは累積損傷分析で選択できる重ね合わせを利用して処理することができます. この技術の活用によって, 計算時間の節約だけでなく, 疲労評価のために保存されるモデルの大きさを大幅に削減することもできます.

熱疲労

温度変化による材料中の膨張・収縮は, 応力集中や歪蓄積をもたらし, 疲労に至ります. 疲労解析モジュールは熱疲労モデルによってこの現象を解析するツールを提供します. 熱負荷サイクルは熱応力, ジュール加熱, 熱膨張の各フィジックスインターフェースを使ってシミュレートします. 熱疲労損傷はいくつかの疲労モデルを使って評価できます. 非線形材料では, Coffin-Mansonモデル, エネルギーベースのMorrow-Darveaux緩和を使います. 非弾性歪, あるいは散逸エネルギーに関する利用可能なオプションに加えてユーザーによる疲労計算時の歪やエネルギーの修正が可能です.

振動疲労解析

振動疲労解析は周波数領域解析に基づいた評価方法で, いくつもの周波数についての結果を得ることができます. 増大する振動数の励振がある構造に与えられるといった, よくあるタイプの実験から結果を予測するのに使われます. 正弦走波解析とも呼ばれています. 振動疲労解析では次の設定が利用可能です:

  • 各周波数で経過させる時間
  • 各周波数で経過させるサイクル数
  • 周波数の線形増加
  • 周波数の対数増加

疲労解析モジュール

機能

  • 臨界面法
  • 蓄積ダメージ解析
  • 応力ベースの疲労
  • 歪みベースの疲労
  • 高サイクル疲労
  • 低サイクル疲労
  • Findley基準
  • Matake基準
  • 垂直応力基準
  • Fatemi-Socie基準
  • Smith-Watson-Topper (SWT)基準
  • Wang-Brown基準
  • Morrow 平均応力補正
  • レインフローカウンティング
  • Palmgren-Miner
  • 弾塑性材の近似疲労計算
  • 非線形構造材料やジオメカニクスモジュールと組み合わせ, 弾塑性材の近似疲労計算
  • 以下のフィジックスインターフェースで定義されたアプリケーションで疲労を計算:
    • 固体力学
    • シェルとプレート
    • マルチボディダイナミクス
    • 熱応力, 熱膨張
    • ジュール加熱
    • 圧電素子

Elastoplastic Low-Cycle Fatigue Analysis of Cylinder with a Hole

Thermal Fatigue of a Surface Mount Resistor

Energy-Based Thermal Fatigue Prediction in a Ball Grid Array

Cycle Counting in Fatigue Analysis — Benchmark

High-Cycle Fatigue Analysis of a Cylindrical Test Specimen

Fatigue Response of a Random Nonproportional Load

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

Fatigue Analysis of a Wheel Rim

Fatigue Analysis of a Nonproportionally Loaded Shaft with a Fillet

Standing Contact Fatigue

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ソフトウェア
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