🗊 РАЗДЕЛ 1 ОБЗОР МЕТОДОВ АНАЛИЗА ДОЛГОВЕЧНОСТИ И УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ

РАЗДЕЛ 1 ОБЗОР МЕТОДОВ АНАЛИЗА ДОЛГОВЕЧНОСТИ И УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ

ЗНАКОМСТВО С КОМПАНИЕЙ

ЗНАКОМСТВО С КОМПАНИЕЙ (ПРОДОЛЖЕНИЕ)

MSC ОСУЩЕСТВЛЯЕТ ПОДДЕРЖКУ КЛИЕНТОВ

РАСПИСАНИЕ КУРСА День 1: Вводная часть Обзор MSC.Fatigue Software Пользвательский интерфейс MSC.Fatigue Упражнения День 2: Пользвательский интерфейс MSC.Fatigue (продолжение) Теория Stress-Life (S-N) Статистическая природа параметров, влияющих на долговечность Упражнения на закрепеление S-N метода День 3: Теория Strain-Life (E-N) Коррекция среднего напряжения Упражнения на E-N метод

ВОЗМОЖНОСТИ MSC.FATIGUE MSC.Fatigue – это мощный инструмент для прогнозирования долговечности, использующий результаты КЭ анализа. Этот комплекс позволяет провести анализ чувствительности долговечности к изменению определенных параметров и спрогнозировать ресурс будующего изделия уже на ранних этапах разработки проекта. Основные подходы, используемые в MSC.Fatigue : Метод номинальных напряжений с использованием кривых Велера (S-N) Анализ зарождения трещин (E-N, метод локальных деформаций) Анализ скорости роста трещин (с использованием методов линейной механики разрушения) Анализ точечной и шовной сварки Усталость материала конструкции в условиях случайного нагружения («виброусталость») Базы данных материалов и историй нагружения Биаксиальный анализ, предшествующий анализу усталости в условиях сложного многоосного нагружения Программный датчик деформаций и другие утилиты

ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКИЙ ИНТЕРФЕЙС MSC.FATIGUE MSC.Fatigue имеет дружественный графический интерфейс ползователя, который состоит из следующих главных компонент: Оконный интерфейс пользователя Интрефейс, позволяющий импортировать КЭ модель и результаты решения Analysis Preferences Опции для инженерного исследования Визуализация результатов

РЕШЕНИЯ MSC В ОБЛАСТИ СИСТЕМ ИНЖЕНЕРНОГО АНАЛИЗА

РПОГНОЗИРОВАНИЕ ДЛГОВЕЧНОСТИ

ЧТО ТАКОЕ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ?

Долговечность - это… Долговечность - это… способность выдерживать эксплуатационные нагрузки без разрушения в течение какого-либо периода времени Надежность – это… Вероятность того, что конструкция не разрушится в течение заданного периода времени

Усталость – это... Усталость – это... процесс разрушения материалов под воздействием циклически повторяющихся нагрузок, при этом амплитуда номинальных напряжений меньше даже предела текучести матриала; А также … процесс зарождения и последовательного роста трещин как результат развития циклических пластических деформаций;

ЧТО ЗАСТАВЛЯЕТ ПРОГНОЗИРОВАТЬ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ?

ЦЕЛИ, ПРИЧИНЫ И РЕАЛЬНОСТЬ Конкуренция требут УСКОРЕННОГО выхода на рынок новой продукции. Чтобы увеличить прибыли надо удешевлять продукцию и в целом производственные процессы, при этом уровень качества не должен падать. Рынок требует расширения функицональности изделий с примнением высоких технологий. Нормативные государственные и отраслевые документы требуют от производителя повышения уровня надежности изделий и уменьшения трат времени на инспекции и ремонтно-восстановительные паботы. Потребитель хочет, чтобы последний километр/полет/час работы изделие отработало так как если бы оно было новым.

ИЗМЕНЕНИЕ СТОИМОСТИ ПРОДУКТА В ПРОЦЕССЕ РАЗРАБОТКИ

ТРАДИЦИОННЫЙ ПОДХОД, БЕЗ МКЭ: ПОСТРОИТЬ, ИСПЫТАТЬ, ДОРАБОТАТЬ

ДОБАВИМ МКЭ: АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ 1 - ПОСТРОИЛ И ИСПОЛЬЗУЙ

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ 2 - ДОБАВИМ НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ

СОСТАВЛЯЮЩИЕ ПРОЦЕССА ИНТЕГРИРОВАННОГО АНАЛИЗА ДОЛГОВЕЧНОСТИ

ИНТЕГРАЦИЯ Чтобы быстрее, дешевле, на более высоком уровне интеграции провести анализ долговечности, необходимо: Иметь высокий уровень взаимодействия различных подразделений. Иметь интегрированные программные инструменты, общие для вовлеченных в процесс отделов. Всесторонний обмен данными в рамках структуры предприятия. Всесторонний обмен данными между компанией и смежниками, а также сервисными службами.

ПОДХОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ С УЧЕТОМ УСТАЛОСТИ Концепцпия отсутствия повреждений (SAFE LIFE) Вычислеяется долговечность, используется коэффициент безопасности, кострукция проектируется так, чтобы заданный ресурс был обеспечен, после выработки ресурса эксплуатация полностью прекращается. Концепция безопасного разрушения (FAIL SAFE) Конструкция обеспечивается избыточными, страхующими элементами. Разрушение должно произойти без потери несущей способности всей конструкции в целом. Страхующие элементы должны обеспечить необходимый уровень безопасности до проведения в соотвествии с регламентом ближайших ремонтно-восстановительных работ. Концепция контроля разрушения (DAMAGE TOLERANCE) Заранее предполагается наличие повреждений определнных размеров. При проектировании анализируется время роста трещин до критического размера. Исходя из этих расчетов назначается регламент рементно-восстановительных работ.

ОБЗОР ИСТОРИИ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТАЛОСТИ - 1 1828 Альберт испытывает металлические цепи под действием циклических нагрузок 1839 Понселет проектрует мельничные колеса с чугунными осями. В его книге по механике впервые встречается термин «Усталость» 1849 Широко обсуждается теория кристаллизации 1850 Август Веллер проводит первые систематические исследования усталости осей железнодорожного состава. Им был проведены увталостные испытания осей в условиях кручения и изгиба. Впервые строятся кривые усталости и вводится понятие предела усталости. Проблеме усталости начинают уделять больше внимания, появляется много работ на эту тему. Выясняется принципиальное значение циклических напряжений, а также уровня средних напряжений.

ОБЗОР ИСТОРИИ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТАЛОСТИ - 2

ЗАРОЖДЕНИЕ И РОСТ ТРЕЩИН – ЭТАПЫ 1 И 2

МИКРОСТРУКТУРНЫЙ РОСТ ТРЕЩИН

ОБЗОР ИСТОРИИ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТАЛОСТИ - 3

РЕЗУЛЬТАТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ ПО ИСПЫТАНИЯМ НА МАЛОЦИКЛОВУЮ УСТАЛОСТЬ

ОБЗОР ИСТОРИИ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТАЛОСТИ - 4

МЕТОДЫ РАСЧЕТА ДОЛГОВЕЧНОСТИ S-N (метод суммарной долговечности) Отражает зависимость долговечности от номинальных или локальных упругих напряжений e-N (метод номинальных деформаций) Отражает зависимость долговечности от локальных деформаций LEFM (метод оценки скорости роста трещин) Характеризует скорость роста трещины Все методы основаны на принципе подобия

S-N МЕТОД - ПОДОБИЕ

МЕТОД НОМИНАЛЬНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ - ПОДОБИЕ

АНАЛИЗ СКОРОСТИ РОСТА ТРЕЩИНЫ - ПОДОБИЕ

УСТАЛОСТНЫЕ РАЗРУШЕНИЯ И ПРОГРЕСС

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УСТАЛОСТИ Типичным местом, в котором начинается разрушение, является поверхность образца или детали Усталостное разрушение начинается с появлнения микроскопических трещин. На этом этапе микротрещины очень чувствительны к даже минутному воздействию циклических напряжений Как уже отмечалось, процесс усталостного разрушения протекает в условиях знакопеременных пластических деформаций

ЗОНЫ СКОЛЬЖЕНИЯ И 1-ый ЭТАП РОСТА ТРЕЩИНЫ В процессе циклического нагружения устойчивые зоны скольжения стремятся объединиться в ргуппы и проявляются в виде полос на поверхности, образуя экструзии и интрузии. Очевидно интрузии и являются причинами появления будущих трещин. Начальный размер экструзий и интрузий составляет от 1 до 10 микрон.

ЗАРОЖДЕНИЕ И РОСТ

ЗАРОЖДЕНИЕ И РОСТ Процесс усталостного разрушения происходит в несколько этапов, при этом трещина выростает из микроскопических размеров в зонах скольжения до большой трещины в упруго-пластическом континууме и может продолжить свой рост до полного разрушения. Существует много причин зарождения малых трещин: Растрескивание или разрыхление материала на второй стадии Устественные царапины и заводские метки на поверхности Корозионные раковины или межкристаллические разрушения Дефекты литья Перехлесты, получившиеся после ковки или формовки Охрупчивание упрочненных слоев у поверхности

ИСПЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ УСТАЛОСТНОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ Технологии усталостного расета не новы (50-170 лет); Представляют собой преимущественно набор эмпирических правил, построенных на основе наблюдаемых эффектов; Считается, что инженеру, использующему эти методы, не надо вникать во все тонкости; В процессе использования (при этом необходимы обучение и практика) могут быть доведены до уровня интеллектуальной базы данных.

УСТАЛОСТНЫЙ АНАЛИЗ…? На стадии ранней фазы разработки: Нагрузки получены аналитически или из предыдущего проекта, предполагаемые свойства материалов, первые попытки оптимизации В процессе окончательной проработки: Нагрузки измерены, реальные свойства, усовершенствование и оптимизация Производственная фаза: После выхода промышленной продукции можно заняться модификацией и усовершенствованием, а также новыми разработками для завоевания новых рынков. Продолжается «пожаротушение».

КТО ПРОВОДИТ УСТАЛОСТНЫЕ РАСЧЕТЫ И КАК ИСПОЛЬЗУЮТСЯ РЕЗУЛЬТАТЫ? Проектировщик: Оптимизация долговечности по виртуальной модели детали Расчетчик Сравнивает расчетные данные с результатами испытаний, выдает рекомендации по исправлению ошибок. Испытатель Планирует проведение испытаний таким образом, чтобы получить данные о наиболее опасных местах. Таким образом предварительный расчет позволяет сэкономить время. Технолог Исследует случившиеся в процессе эксплуатации разрушения и выдает рекомендации по усовершенствовании технологии производства.

ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ УСТАЛОСТНЫХ РАЗРУШЕНИЙ Требования: Повышенные потребительские качества Уменьшение веса Долгий срок службы Разумная цена Как можно быстрее

ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ УСТАЛОСТНЫХ РАЗРУШЕНИЙ Ограничения: Усталостные расчеты намного менее точны прочностных Усталостные свойства материалов не могут быть получены из статических механических свойств Лабораторные испытания часто дают очень приблизительный результат, кроме того в лабораторных условиях трудно провести полномасштабные испытания изделия или даже детали Очень часто требуется проведение полномасштабных натурных испытаний для подтверждения назначенного ресурса Чаще всего необходимо делать конструкцию так, чтобы рост трещин протекал медленно, при этом ближайшая проверка должна выявить их наличие (то есть в соответсвии с концепцией ‘damage tolerant’) Там, где это возможно, необходимо проектировать так изделие, чтобы полностью исключить возможность появления трещин (в соответсвии с концепцией ‘fail safe’)

РЕАЛИЗАЦИЯ УСТАЛОСТНЫХ РАСЧЕТОВ – БЛОК-СХЕМА ИЗ 5-ти БЛОКОВ

РЕАЛИЗАЦИЯ УСТАЛОСТНЫХ РАСЧЕТОВ Информация, которая необходима для проведения быстрого и эффективного усталостного расчета, может быть разделена на следующие группы: Описание условий нагружения Описание геометрии Специфическая информация о поведении материала в условиях циклически повторяющихся нагрузок, а также усталостные свойства материалов

ИНСТРУМЕНТАРИЙ ДЛЯ АНАЛИЗА И ИСПЫТАНИЙ Инструменты, применяемые при усталостном анализе, также применяются в проектировочных расчетах и при испытаниях: одни для всех файлы с историей нагружения один для всех банк данных по свойствам материалов одинаковые алгоритмы исследования усталости Разница между расчетчиком и испытателем состоит в том, что один использует КЭ модель, в то время, как другой пользуется датчиком деформаций.

ИНТЕГРИРОВАННЫЙ ПОДХОД К АНАЛИЗУ ДОЛГОВЕЧНОСТИ Факты: Натурные испытания далеко не самый правильный способ для оптимизации конструкции, однако они всегда необходимы для подтверждения полученных расчетным путем характеристик. Каждый усталостный анализ требует подтверждения испытаниями и наличия информации, полученной экспериментальным путем. Как испытания, так и анализ не дают в отдельности правильный результат. Лучшие результаты достигаются в случае применения интегрированного подхода, объединяющего анализ и испытания.

ЧЕМ ИСПЫТАНИЯ ПОМОГАЮТ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ РАСЧЕТОВ Обеспеичвают данными о нагружении Обеспечиваеют усталостными свойствами материалов Позволяют верифицировать напряжения/деформации полученные в расчете Подтверждение прогнозированного ресурса Только испытания могут окончательно подтвердить расчеты

КАК АНАЛИЗ СОЧЕТАЕТСЯ С ИСПЫТАНИЯМИ Позволяет исключить избыточные испытания Ускоряет процесс испытаний Позволяет заранее и точнее выбрать тип и месторасположение датчиков Участие в подготовке испытаний