MSC-FATIGUE

آشنایی با نرم افزار تحلیل خستگی و تخمین عمر MSC.Fatigue

1111

تحلیل خستگی در قطعات مکانیکی نیازمند تعیین وضعیت میدان تنش و کرنش در آن بر اثر بارگذاری می باشد. در قطعات با هندسه پیچیده تعیین دقیق میدان تنش و کرنش نیازمند تحلیل های عددی است یکی از توسعه یافته ترین روش های عددی که امروزه بسیاری از نرم افزارهای تجاری  بر اساس آن پایه گذاری شده اند روش المان محدود می باشد. برای تحلیل خستگی بعد تعیین میدان تنش و کرنش با روش المان محدود بایستی با انتخاب تئوری مناسب خستگی به محاسبه عمر پرداخته شود. این روند معمولا ً با نام تحلیل خستگی بر مبنای المان محدود[1] شناخته می شود. با توجه به اینکه مطمئن ترین راه برای تحلیل خستگی انجام تست تجربی بر روی قطعه در شرایط مشابه شرایط واقعی است و پیاد سازی این آزمایش ها بسیار پیچیده و زمانبر و پرهزینه است، روش تخمین عمر بر مبنای المان محدود بسیار مفید می باشد.

استفاده از برنامه های کامپیوتری جهت مدلسازی قطعه در شرایط کاری واقعی و پیش بینی احتمال شکست آن در شرایط کاری، به طراحان اجازه می دهد تا قبل از ساخت قطعه برآوردی از میدان تنش و کرنش و عمر قطعه داشته باشند و در صورت نیاز اصلاحاتی جهت بهینه سازی آن اعمال کنند. امروزه با توجه به توسعه روش های عددی و اهمیت تحلیل خستگی برای شرکت های سازنده، نرم افزارهای مختلفی برای تحلیل خستگی تولید شده است. نرم افزار  MSC. Fatigue  یکی از قدرتمند ترین نرم افزارهای موجود در زمینه تخمین عمر قطعات می باشد که مکمل نرم افزارهای تحلیل المان محدود است. این نرم افزار توسط شرکت نرم افزاری مشهور MSC[2]  تولید گردیده است و همه ساله نسخه های تکمیل شده آن ارائه میگردد.

MSC.Fatigue  در زمره نرم افزارهایی است که برای انجام محاسبات خود بایستی نتایج تحلیل المان محدود را از نرم افزارهای تخصصی این حوزه در یافت نماید. از مزیت های این نرم افزار هم خوانی با سایر نرم افزار های تولید شده این شرکت مانند  MSC.Nastran، MSC.ADAMS  ،MSC.Patran می باشد بعلاوه امکان وارد کردن نتایج از نرم افزارهای تجاری مشهور مانند ABAQUS و ANSYS را دارد.

این نرم افزار می تواند به تنهایی بر روی کامپیوتر نصب شود اما بهتر است با نرم افزار Patran  به صورت همزمان نصب گردد تا از قابلیت های این نرم افزار نیز بتوان استفاده نمود. برای تحلیل خستگی در MSC.Fatigue بایستی هندسه ، بارگذاری و خواص ماده مشخص گردند. هر سه روش تخمین عمر از قبیل روش پیش بینی عمر کلی[3] یا تنش پایه، روش های تعیین عمر جوانه زنی ترک یا کرنش پایه و عمر رشد ترک با استفاده از تئوری مکانیک شکست الاستیک خطی[4] در این نرم افزار قابل دسترسی است. همچنین اطلاعات مواد و خواص خستگی آنها از قبیل نمودار  ، ، نمودار تنش کرنش سیکلیک و مونوتونیک می باشد بعلاوه اطلاعات گسترده ای در زمینه مکانیک شکست مربوط به هندسه های استاندارد و کاربردی را شامل می شود. این نرم افزار به کاربران اجازه می دهد در مدل های پیچیده المان محدود بخش خاصی از مدل را که بحرانی تر  است تحلیل نماید تا زمان حل کاهش یابد. نرم افزار  MSC.Fatigue استفاده از روشهای رایج تخمین عمر را برای کاربران فراهم نموده است. هرکدام از این روش ها معیارها و فرمولاسیون های جداگانه ای دارند و بر اساس نیاز های مهندسی توسعه یافته و دارای دقت های متفاوت می باشند لذا بایستی دقت شود در مسائل متفاوت از معیار مناسب استفاده گردد.

نرم افزار  MSC.Fatigueدارای ماژول های مختلفی برای تحلیل خستگی می باشد که هر کدام برای اهداف خاص توسعه یافته اند. از جمله آنها می توان به روش های تحلیل خستگی زیر اشاره کرد:

 

  • تحلیل خستگی تنش پایه (محاسبه عمر کلی)
  • تحلیل خستگی کرنش پایه (محاسبه عمر جوانه زنی ترک)
  • تحلیل عمر رشد ترک
  • تحلیل خستگی ناشی از ارتعاشات
  • تحلیل خستگی چند محوره کرنش پایه
  • تحلیل خستگی جوش نقطه ای
  • تحلیل خستگی چند محوره (تعیین ضریب اطمینان)
  • اندازه گیری کرنش
  • تحلیل خستگی در چرخ ها

مراحل تحلیل خستگی در نرم افزار شامل تعیین دقیق بارگذاری، اعمال خواص خستگی مربوط، مشخص کردن عملیات حرارتی و صافی سطح و… می باشد و در نهایت از قانون تجمع آسیب برای تعیین دقیق آسیب استفاده می شود. روش های خستگی تنش پایه و کرنش پایه در تخمین عمر خستگی بسیار مرسوم می باشند.

روش تنش- عمر یا عمر کلی معمولاً با نام روش S-N شناخته شده است. در این نرم افزار امکانات زیر برای تحلیل خستگی با این روش موجود است:

  • امکان اعمال اثر تنش میانگین[5] بر اساس معیار های گودمن[6] و گربر[7]
  • تحلیل سازه های جوشکاری شده بر اساس استاندارد BS7608
  • دیاگرام S-N مربوط به مواد مختلف و امکان ایجاد ماده با خواص دلخواه برای این تحلیل

روش های کرنش پایه که به روش  مشهور می باشد روش هایی را ارائه می دهد که عمر قطعه تا جوانه زنی ترک را تخمین می زند در نرم افزار MSC.Fatigue امکانات زیر برای این نوع تحلیل ها موجود است:

  • روش تصحیح الاستیک- پلاستیک Neuber
  • روش تصحیح پلاستیک Mertens-Dittman و Seeger-Beste
  • اعمال اثر تنش میانگین بر اساس روابط Morrowو [8]SWT
  • قابلیت تحلیل چند محوره معادل
  • نمودار مربوط به مواد مختلف و امکان ایجاد مواد جدید با خواص دلخواه

معمولاً قطعات ساخته شده دارای ترک های ریز ناشی از فرایند ساخت و یا نقص های اولیه مواد می باشند به مرور زمان و با تداوم بارگذاری خستگی این ترک ها رشد کرده و به اندازه ای می شوند که جسم دیگر تحمل نیروهای وارده را نداشته و می شکند این طول ترک را طول بحرانی می نامند. منظور از عمر گسترش ترک تعداد سیکل های لازم برای رسیدن اندازه ترک از طول اولیه به طول بحرانی خود می باشد. روش تخمین عمر گسترش ترک در نرم افزار بر اساس رابطه پاریس و پارمترهای مربوط به مکانیک شکست بنا نهاده شده است.

تحلیل گسترش ترک در این نرم افزار محدود می باشد و فرایند رشد ترک شبیه سازی نمی گردد. بلکه با وارد کردن طول اولیه و نهایی ترک از زوش سیکل به سیکل تعداد سیکل های رسیدن به طول نهایی را محاسبه می کند. در این حالت برای هر سیکل () ابتدا  محاسبه شده و طول ترک در سیکل بعدی  در نظر گرفته می شود اگر این طول از طول نهایی کمتر باشد این سیکل دوباره تکرار می گرددو تا رسیدن طول به طول بحرانی این محاسبات ادامه می یابد. تعداد سیکل ها از این طریق بدست می آید. محدودیت عمده این روش در نرم افزار عدم توانایی پیش بینی مسیر رشد است و مسیر رشد ترک در لحاظ نمی گردد. نرم افزار برای بدست آوردن  از نمونه های استاندارد استفاده می کند بیش از 35 نمونه استاندارد برای بدست آوردن آن در نرم افزار وجود دارد علاوه بر این در نرم افزار فقط امکان تحلیل ترک ها در مد اول وجود دارد.

علاوه بر موارد ذکر شده، امکان تحلیل خستگی ناشی از ارتعاشات[9] در قطعاتی که تحت ارتعاشات رندوم با فرکانس های مختلف می باشند، در این نرم افزار وجود دارد. همچنین  در قسمت Software Strain Gauge امکان استفاده از کرنش سنج های مجازی در مدل المان محدود را دارا می باشد. این امکان به کاربراجازه می دهد که به مدل های المان محدود تحت بارگذاری متغییر با زمان کرنش سنج مجازی نصب کند و نمودار تنش- زمان و کرنش- زمان را استخراج و با داده های تجربی مقایسه نماید . هر کدام از انواع کرنش سنج های قابل تعریف از 1 تا 3 المان تشکیل شده است و اکثر کرنش سنج های استاندارد در این محیط پشتیبانی می شود.

Spot/Seam Weld Analyzer  ماژول هایی هستند که امکان تخمین عمر اتضالات جوشی را فراهم می نمایند تخمین عمر در این حالت بر مینای روش تنش-عمر انجام می گیرد این ماژول امکان بهینه سازی مدل از نظر اندازه و تعداد و مکان جوش ها را برای طراح فراهم می نماید.

در نرم افزار MSC.Fatigue امکان تحلیل های خستگی چندمحوره[10] برای کاربران فراهم شده است. این تحلیل ها شامل بارگذاری متناسب و نامتناسب می شود. خستگی چند محوره از دو دیدگاه ایجاد ترک و محاسبه ضریب اطمینان سازه بررسی می گردد. در خستگی بر اساس جوانه زنی ترک امکان استفاده از معیار های خستگی صفحه بحرانی و کرنش پایه فراهم شده است این معیار ها عبارتند از معیار کرنش نرمال، کرنش برشی، معیار S.W.T ، معیار فاطمی- سوشی[11] ، معیار وانگ- براون[12] و در حالت تخمین ضریب اطمینان سازه مدل های  دانگ- وان[13] و مک دیارمید[14] فراهم شده است.

 

 

 

 

 

[1]  Finite Element Based Fatigue Analysis

[2] MacNeal-Schwendler Corporation

[3]  Total Life

[4]  Linear Elastic Fracture Mechanic

[5]  Mean Stress

[6]  Goodman

[7] Gerber

[8]  Smith-Watson-Topper

[9]  Vibration Fatigue

[10]  Multi-axial

[11]  Fatemi -Socie

[12]  Wang-Brown

[13] Dang-Van

[14] McDiarmid

photo_2016-06-14_09-32-02