疲労解析モジュールを使用して構造疲労を解析する.

疲労解析モデルを決定するための荷重サイクルの特定

疲労解析を実行する前に, どの疲労解析モデルがケースを正確に反映するかを決定する必要があります. 以前の事例から得た予備知識に基づいて, どの疲労解析モデルを使用するかがわかる場合があります. そうでない場合は, 荷重条件と予想される疲労破壊に基づいてモデルを決定することができます. 一般に, 負荷サイクルは, 比例負荷, 非比例負荷, 可変振幅負荷のケースに分けられます.

比例負荷では, 主応力とひずみの向きが負荷サイクル中に変化せず, HCF では応力-寿命モデル, LCF ではひずみ-寿命モデルが使用されます. 非比例荷重の場合, 主応力と主ひずみの方向が変化します. HCF では応力ベース, LCF ではひずみベースのモデルが使用されます. 応力やひずみだけでは疲労特性を把握できない場合もあり, その場合はエネルギーベースのモデルを使用することができます.

一定の周期がない可変振幅負荷の場合は, 負荷履歴全体 (または十分に代表的な部分) を考慮し, その場合は累積損傷疲労解析モデルを使用することになります. 最後に, パワースペクトル密度 (PSD) 荷重を入力として使用するランダム振動疲労モデリングオプションがあります.

COMSOL Multiphysics^® での疲労解析の実行

負荷サイクルの種類を特定し, 適切な疲労解析モデルを決定すると, COMSOL Multiphysics^® で疲労解析を設定および実行する準備が整います. 疲労解析モジュールは, 応力とひずみが計算された構造力学解析の結果を入力として使用します. 疲労評価のベースとなる結果は, 以下の種類の解析から得られます:

定常
- 荷重ケース
- パラメトリックスイープ
時間依存
- 周波数領域
- ランダム振動

疲労解析の結果は, 選択した疲労解析モデルによって異なります. 疲労に至るサイクル数から見た寿命予測, または与えられた負荷サイクルが疲労限界にどれだけ近いかを示す使用率のいずれかになります. エネルギーベースの解析では, 寿命予測と散逸した疲労エネルギー密度が得られます.

疲労解析モジュールの特長と機能

繰り返し荷重を受けるコンポーネントの構造的完全性を評価するための, さまざまな種類の疲労解析モデルを見つけることができます.

応力およびひずみに基づくモデル

多軸の場合, 最も一般的な疲労基準の多くは, 疲労の計算に臨界面アプローチを使用します. このアプローチでは, ある応力またはひずみ式が最大となる平面を特定します. 異なる疲労解析モデルでは異なる応力またはひずみ式を使用し, 疲労解析モジュールでは応力ベースとひずみベースの両方のモデルを備えています.

塑性ひずみが無視できる高サイクル疲労領域では, 応力ベースのモデル (Findley, Normal stress, Matake, または Dang Van) を使用して, 疲労限界と比較する疲労使用率を計算します.

塑性ひずみが無視できなくなった場合, ひずみベースのモデルが利用できます. このモデルでは, ひずみ式, または応力とひずみを組み合わせた式を使用して, 疲労破壊までのサイクル数を計算します. Smith-Watson-Topper (SWT) モデル, Fatemi-Socieモデル, Wang-Brownモデルは, 一般的に低サイクル疲労の状況に関連しています.

累積ダメージノードが強調表示され, グラフィックスウィンドウに薄肉フレームモデルが表示されたモデルビルダーの拡大図.

累積損傷モデル

負荷サイクルが一定でない場合, 負荷は単一の一定応力サイクルではなく, 完全な応力履歴によって記述されます. 累積損傷機能を使用して, 変動荷重またはランダム荷重を受ける構造体の疲労を評価することができます. この場合, 対応する応力はレインフローカウントを使用してビン化されます. 応力分布がわかると, Palmgren-Miner 線形損傷規則を使用して, S-N 曲線を使用して累積損傷を計算します. 結果は, 負荷サイクルがどの程度疲労限界に近いかを示す使用率, 適用された負荷の応力レベル分布を示すカウントされた応力サイクル, および各応力レベルからの全体の疲労使用に対する寄与を示す相対使用率です. マトリックスヒストグラムプロットは, カウントされたストレスサイクルと相対的な疲労使用率を可視化するために使用することができます.

振動疲労

構造物が振動を受けると, 疲労が発生することがあります. 振動は, 決定論的プロセスとランダムプロセスに大別されます. 疲労解析モジュールには, それに応じて疲労を評価する機能があります.

調和振動疲労解析は, 周波数領域掃引の結果に基づいて行われます. ここでは, 周波数履歴を, たとえば, 各周波数で過ごした時間や周波数時間変化率として追加で指定します. その結果, 使用率が得られ, 周波数のサイクルによって疲労寿命がどの程度消費されたかが分かります.

ランダム振動疲労解析は, 負荷が PSD で表されるランダム振動解析の結果に基づいています. 疲労インターフェースのランダム振動機能は, 任意の線形応力測定を定義するために使用でき, PSD 応答から発せられるいくつかの異なる結果を提供します. これらは, 疲労破壊のリスクに関して, 構造を評価するのに役立ちます.

応力およびひずみ寿命モデル

疲労解析モジュールの応力 - 寿命およびひずみ - 寿命モデルは, 応力またはひずみの振幅が疲労曲線を介して疲労寿命に関連するメソッドのコレクションを提供します. これらのモデルは, たとえば, 単一の荷重が2つの値の間で振動する場合の比例荷重に適しています. 高サイクル疲労をシミュレートするために, モジュールには S-N 曲線, Basquin, および近似 S-N 曲線の応力-寿命モデルが含まれています. 低疲労レジームでは, E-N 曲線, Coffin-Manson, および Basquin と Coffin-Manson ひずみ寿命モデルが利用可能です.

エネルギーベースのノードが強調表示され, グラフィックスウィンドウに表面実装抵抗モデルが表示されたモデルビルダーの拡大図.

エネルギーベースモデル

疲労解析モジュールには, 2つのエネルギーベースのモデルが含まれています. Morrow と Darveaux は, 応力とひずみの効果を, 負荷サイクル中に放出または消滅するエネルギーに結合するために使用されます.

これらのモデルは通常, 低サイクル疲労領域の非線形材料を含むアプリケーションに適しています. エネルギーはさまざまな方法で計算できるため, これらのモデルは比例負荷と非比例負荷の両方で使用することができます.

エネルギーベースのモデルは, 散逸エネルギーに依存します. エネルギー散逸とは, 材料によってエネルギーが消費され, 元に戻らなくなることを意味します. この挙動は非弾性材料が示すもので, 疲労解析モジュールと非線形構造材料モジュールまたはジオメカニクスモジュールを組み合わせてモデル化することができます.

マルチフィジックスによる拡張解析

温度変化による材料の膨張や収縮は, 応力集中やひずみ蓄積を引き起こし, 破壊につながる可能性があります. 熱疲労破壊は, いくつかの疲労解析モデルを使用して評価することができます. 非線形材料では, Coffin-Manson モデル, エネルギーベースの Morrow および Darveaux の関係などがあります. 非弾性ひずみまた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, 疲労評価モデルは, 疲労計算時にひずみまたはエネルギー表現を評価するようにユーザーによって変更することができます.

Neuber の法則や Hoffmann-Seeger 法を使用して, 塑性の影響を近似することで, 迅速な線形弾性シミュレーションを行うことができます. 非線形構造材料モジュールと組み合わせると, 完全な弾塑性疲労サイクルを考慮することが可能です.

マルチボディシステムおよび固体ローターの疲労リスクを計算するには, 疲労解析モジュールとマルチボディダイナミクスモジュールおよびローターダイナミクスモジュールをそれぞれ組み合わせることができます.

疲労解析モジュール

疲労解析モデルを決定するための荷重サイクルの特定

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