Fatigue Module

Pour les Analyses de Fatigue à Haut et Bas Cycle, liée aux Contraintes et aux Déformations

Fatigue Module

Fatigue d'une structure soumise à un nombre de cycles peu élevé résultant d'une déformation plastique à proximité d'un trou. La figure indique le logarithme de la durée de vie en fonction du nombre de cycles, avec une courbe de contrainte-déformation pour les premiers cycles de charge.

Analyse de Fatigue pour Différentes Structures et Applications

Lorsque des structures sont soumises à des chargements et des déchargements répétés, la fatigue des matériaux peut entraîner leur rupture à des charges inférieures à la limite statique. Il est possible de réaliser une analyse des structures en fatigue dans l'environnement COMSOL Multiphysics, via le Fatigue Module, un module complémentaire du Structural Mechanics Module. Grâce aux méthodes d'endommagement basées soit sur les contraintes soit sur les déformations, vous pouvez évaluer le régime de fatigue avec un nombre de cycles élevé ou faible. Dans le cas de charges variables, il est possible de calculer l'endommagement cumulé à partir de l'historique des charges et de la limite de fatigue. Vous pouvez simuler le cycle de charge en fatigue dans les corps solides, les plaques, les coques, les assemblages, les applications impliquant des contraintes et des déformations d'origine thermique, y compris dans les composants piézoélectriques.

Modèles d'Endommagement dans les Plans Critiques, lié aux Contraintes et aux Déformations

Les modèles d'endommagement dans le plan critique recherchent un plan particulièrement favorable à la création puis à la propagation d'une fissure. C'est là que s'exercera préférentiellement la fatigue. Ces modèles d'endommagement, basés soit sur les contraintes, soit sur les déformations, sont disponibles dans le Fatigue Module. Dans le domaine des structures soumises à un grand nombre de cycles, où la plasticité est extrêmement limitée, les modèles basés sur les contraintes sont généralement préconisés. Dans le Fatigue Module, la fatigue est alors estimée au moyen du critère de Findley, de la contrainte normale ou des critères de Matake, qui calculent le facteur d'usage qui est ensuite comparé à la limite de fatigue.

Les modèles basés sur les déformations évaluent des déformations ou des combinaisons de déformations et de contraintes lors de la définition d'un plan critique. Dès lors que le plan critique est identifié, le modèle détermine le nombre de cycles jusqu'à la rupture. Le Fatigue Module propose les modèles de Smith-Watson-Topper (SWT), de Fatemi-Socie et de Wang-Brown. Ces modèles s'utilisent généralement dans des conditions de fatigue à bas nombre de cycle, lorsque les déformations sont importantes. La règle de Neuber et la méthode Hoffmann-Seeger permettent dans ces conditions de déterminer approximativement l'effet de la plasticité dans une simulation linéaire-élastique rapide. Il est également possible d'envisager un cycle complet de correction élastoplastique pour le calcul en fatigue lors de l'utilisation du Nonlinear Structural Materials Module.


Images Supplémentaires

  • Analyse de fatigue d'une structure soumise à un nombre de cycles élevé pour un chargement non proportionnel à l'aide de méthodes d'endommagement dans le plan critique. Analyse de fatigue d'une structure soumise à un nombre de cycles élevé pour un chargement non proportionnel à l'aide de méthodes d'endommagement dans le plan critique.
  • Répartition des cycles de contrainte en un point donné tel que calculé par l'algorithme de comptage Rainflow à l'aide d'un d'histogramme. Les contraintes moyennes sont affichées sur l'axe horizontal tandis que les amplitudes des contraintes sont indiquées sur l'axe vertical. Répartition des cycles de contrainte en un point donné tel que calculé par l'algorithme de comptage Rainflow à l'aide d'un d'histogramme. Les contraintes moyennes sont affichées sur l'axe horizontal tandis que les amplitudes des contraintes sont indiquées sur l'axe vertical.
  • Une structure avec une découpe centrale est soumise à un chargement aléatoire composée de 1 000 événements. La répartition des contraintes est calculée à l'aide de l'algorithme de comptage Rainflow et les dommages sont évalués à l'aide de la règle du cumul linéaire des dommages de Palmgren-Miner. Une structure avec une découpe centrale est soumise à un chargement aléatoire composée de 1 000 événements. La répartition des contraintes est calculée à l'aide de l'algorithme de comptage Rainflow et les dommages sont évalués à l'aide de la règle du cumul linéaire des dommages de Palmgren-Miner.
  • Solder joint in a surface mount resistor. Life prediction based on
the dissipated creep energy in one thermal fatigue cycle. Solder joint in a surface mount resistor. Life prediction based on the dissipated creep energy in one thermal fatigue cycle.

Thermal Fatigue

Material expansions or contractions due to temperature change introduce stress concentrations and strain accumulations that can lead to failure. The Fatigue Module provides a number of tools to address this through thermal fatigue modeling. The thermal load cycle can be simulated utilizing the Thermal Stress and the Joule Heating and Thermal Expansion physics interfaces. Thermal fatigue failure can be evaluated using several fatigue models. For nonlinear materials, this includes the Coffin-Manson model and the energy-based Morrow and Darveaux relations. In addition to the available options for inelastic strains or dissipated energies, the fatigue evaluation models can also be modified by the user to evaluate strain or energy expressions when calculating fatigue.

Analyse de Cumul des Dommages

Les chargements aléatoires introduisent diverses contraintes d'amplitude différente dans une structure. Dans le Fatigue Module, l'analyse de cumul des dommages permet non seulement d'identifier les tendances générales dans l'historique des contraintes, mais également de calculer les dommages cumulés par chacune de ces contraintes. Il est possible d'évaluer l'historique des contraintes par le biais du critère de l'énergie de distorsion élastique ou contrainte de von Mises, avec un signe déterminé par la contrainte hydrostatique ou principale. L'historique des chargements est ensuite traité à l'aide de l'algorithme de comptage Rainflow, et les dommages sont calculés à l'aide de la règle du cumul linéaire de dommages de Palmgren-Miner. L'effet de la valeur de résistance thermique (R) est intégré via la courbe de Woehler (S-N) limitante.

Lorsque le nombre d'événements est important dans une analyse de chargement aléatoire, la simulation du cycle de charge est laborieuse. Il est possible de réduire ce délai de manière notable en excluant les effets non linéaires de la simulation. Dans ce cas, le cycle de contrainte peut être déterminé au moyen d'une superposition, sélectionnable dans une analyse de cumul des dommages. Le recours à cette technique permet non seulement de raccourcir la durée du calcul, mais aussi de réduire considérablement la taille du modèle à stocker pour les besoins de l'évaluation de la fatigue.

Affichage de vos Calculs de Fatigue

Le Fatigue Module calcule le nombre de cycles jusqu'à la rupture de même que le facteur d'usage en fatigue. Dans le cadre de simulations de cumul des endommagements, il est possible d'afficher la répartition des contraintes d'un chargement aléatoire appliquée en même temps que le facteur d'usage relatif. Cette simulation affiche les contributions d'une charge en fatigue spécifique par rapport au facteur d'usage en fatigue global, qui, dans ce cas précis, est considéré comme un endommagement. La répartition des contraintes est présentée en fonction de l'amplitude de contrainte et de la contrainte moyenne.

Thermal Fatigue of a Surface Mount Resistor

Submodeling of Thermal Fatigue in a Ball Grid Array

Fatigue Analysis of a Non-Proportionally Loaded Shaft with a Fillet

High-Cycle Fatigue Analysis of a Cylindrical Test Specimen

Elastoplastic Low-Cycle Fatigue Analysis of Cylinder with a Hole

Fatigue Analysis of a Wheel Rim

Cycle Counting in Fatigue Analysis - Benchmark

Frame Fatigue Life

Fatigue Response of a Random Non-Proportional Load

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