Module Fatigue

Etudiez la fatigue des éléments structuraux

Le module Fatigue, une extension du module Structural Mechanics, est utilisé pour réaliser des étude de fatigue dans COMSOL Multiphysics® sur les structures soumises à des cycles de chargement répétés. Ces analyses peuvent être simulées sur des corps solides, des plaques, des coques, des systèmes multicorps, des applications impliquant des contraintes et des déformations thermiques, et même des dispositifs piézoélectriques.

Les fonctionnalités du module Fatigue comprennent, sans s'y limiter, les approches par plan critique classiques basées sur les contraintes et les déformations, et les modèles de durée de vie en contraintes et en déformations qui conviennent pour étudier les régimes de fatigue à haut nombre de cycles (HCF) et à faible nombre de cycles (LCF). Le module Fatigue peut également être combiné avec d'autres modules de la suite de produits COMSOL® afin d'étendre ses capacités en multiphysique, tel que la prise en compte de la dilatation thermique ou de la fatigue élastoplastique.

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Un modèle montrant le cycle à la rupture dans la palette de couleurs Dipole Dark.

Identification des cycles de chargement pour déterminer le modèle de fatigue

Avant d'effectuer une étude de fatigue, vous devez déterminer quel modèle de fatigue reflète précisément votre cas. Vous connaissez peut-être le modèle de fatigue utiliser en vous basant sur des connaissances acquises lors d'études précédentes. Si ce n'est pas le cas, vous pouvez choisir un modèle en fonction des conditions de chargement et de la rupture par fatigue attendue. De manière générale, les cycles de chargement peuvent être catégorisés selon les cas suivants : charges proportionnelles, non proportionnelles et à amplitude variable.

Dans le cas d'un chargement proportionnel, l'orientation des contraintes et des déformations principales ne change pas au cours du cycle de charge ; pour la fatigue HCF on utilise un modèle de durée de vie en fatigue, et pour la fatigue LCF un modèle de durée de vie en déformation. Pour un chargement non proportionnel, l'orientation des contraintes et déformations principales varie : en fatigue HCF on utilise une approche par plan critique basée sur les contraintes, et en fatigue LCF une approche par plan critique basée sur les déformations. Dans certains cas, la contrainte ou la déformation seule n'est pas suffisante pour caractériser les propriétés du matériau en fatigue et, dans ce cas, des modèles énergétiques peuvent être utilisés.

Pour un chargement à amplitude variable, où il n'y a pas de cycle constant, l'ensemble de l'historique du chargement (ou une partie suffisamment représentative) doit être considéré, auquel cas vous pourrez utiliser un modèle de fatigue à endommagement cumulatif. Enfin, il existe une fonctionnalité permettant de modéliser la fatigue par vibration aléatoire qui utilise comme chargement une densité spectrale de puissance (DSP) en donnée d'entrée.

Réaliser une étude de fatigue avec COMSOL Multiphysics®

Une fois que vous avez identifié le type de cycle de chargement et déterminé le modèle de fatigue approprié, vous êtes prêt à configurer et à résoudre une étude de fatigue dans COMSOL Multiphysics®. En entrée, le module Fatigue prend les résultats d'une analyse de mécanique des structures, où les contraintes et les déformations ont été calculées. Les résultats sur lesquels repose l'étude en fatigue peuvent provenir des types d'analyses suivants :

  • Stationnaire
    • Cas de chargements
    • Analyses paramétrique
  • Temporel
  • Domaine fréquentiel
  • Vibration aléatoire (DSP)

Les résultats de votre étude en fatigue dépendent du modèle de fatigue sélectionné. Il s'agira soit d'une prédiction de durée de vie en termes de nombre de cycles, soit d'un facteur d'utilisation qui vous indiquera à quel point le cycle de charge donné est proche de la limite de fatigue. Les modèles basées sur l'énergie donneront une prédiction de durée de vie et une densité d'énergie de fatigue dissipée.

Caractéristiques et fonctionnalités du module Fatigue

Retrouvez différents modèles de fatigue pour évaluer l'intégrité structurelle des composants soumis à des chargements répétés.

Une vue rapprochée des réglages du noeud Critère de contraintes et un modèle de jante dans la fenêtre graphique.

Modèles en contrainte et déformation de type plan critique

Pour les cas multiaxiaux, bon nombre des critères de fatigue les plus populaires utilisent une approche de type plan critique. Cette approche consiste à identifier le plan dans lequel une certaine expression de contrainte ou de déformation est maximisée. Ces modèles de fatigue utilisent différentes expressions de contrainte ou de déformation, et le module Fatigue propose des modèles basés sur l'une comme sur l'autre.

Dans le régime de fatigue à haut nombre de cycles, où les déformations plastiques sont négligeables, les modèles basés sur les contraintes - Findley, Normal stress, Matake, ou Dang Van - sont utilisés pour calculer un facteur d'utilisation qui est comparé à la limite de fatigue.

Dans les situations où les déformations plastiques ne peuvent plus être négligées, des modèles basés sur les déformations sont disponibles. Ils utilisent des expressions de déformation ou des expressions qui combinent la contrainte et la déformation pour calculer le nombre de cycles jusqu'à la rupture par fatigue. Les modèles Smith-Watson-Topper (SWT), Fatemi-Socie et Wang-Brown sont généralement pertinents dans les cas de fatigue à faible nombre de cycles.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Endommagement cumulatif en évidence et un modèle de structure à parois minces dans la fenêtre graphique.

Modèle d'endommagement cumulatif

Dans les cas où le cycle de charge n'est pas constant, le chargement est décrit par un historique complet de contraintes plutôt que par un seul cycle. Vous pouvez utiliser la fonctionnalité Endommagement cumulatif pour évaluer la fatigue d'une structure soumise à des chargements variables ou à des chargements "aléatoires", où les contraintes correspondantes sont réparties en utilisant le comptage rainflow. Une fois la distribution des contraintes connue, la règle d'endommagement linéaire de Palmgren-Miner est utilisée pour calculer l'endommagement cumulatif via une courbe S-N. Les résultats comprennent le facteur d'utilisation, qui vous indique à quel point le cycle de charge est proche de la limite de fatigue; les cycles de contrainte comptés montrant la distribution des niveaux de contrainte de la charge appliquée; et le facteur d'utilisation relatif montrant la contribution de chaque niveau de contrainte à la fatigue globale. Des histogrammes matriciels peuvent être utilisés pour visualiser les cycles de contrainte comptés et l'utilisation relative.

Une vue rapprochée des réglages du noeud Vibration aléatoire et un modèle de support de montage dans la fenêtre graphique.

Fatigue vibratoire

Lorsqu'une structure subit des vibrations, cela peut conduire à la rupture par fatigue du matériau. Les vibrations peuvent être classées en processus déterministes ou aléatoires. Le module Fatigue intègre des fonctionnalités permettant d'étudier la fatigue dans ces deux cas de figure.

L'étude de la fatigue sous vibrations harmoniques est basée sur les résultats d'un balayage fréquentiel. Dans ce cas, vous spécifiez en plus l'historique fréquentiel, par exemple, le temps passé à chaque fréquence ou le taux de variation du balayage. Le résultat est un facteur d'utilisation, qui vous indique la part de la durée de vie en fatigue consommée par les cycles du balayage fréquentiel.

L'étude de la fatigue sous vibrations aléatoires repose sur les résultats d'une analyse de vibration aléatoire pour laquelle le chargement est représenté par une DSP. La fonctionnalité Vibration aléatoire de l'interface Fatigue peut être utilisée pour définir toute mesure de contrainte linéaire et fournit plusieurs résultats qui émanent de la DSP de la réponse. Ceux-ci vous aident à dimensionner la structure face au risque de rupture par fatigue.

Une vue rapprochée des réglages du noeud Durée de vie en contrainte et un modèle de moteur dans la fenêtre graphique.

Modèles de durée de vie en contrainte et en déformation

Les modèles de durée de vie en contrainte et en déformation du module Fatigue fournissent un ensemble de méthodes pour lesquelles l'amplitude de la contrainte ou de la déformation est liée à la durée de vie du matériau via une courbe de fatigue. Ces modèles conviennent pour les cas de chargements proportionnels lorsque, par exemple, une unique charge oscille entre deux valeurs. Pour simuler la fatigue à haut nombre de cycles, le module comprend les modèles de durée de vie en contrainte de type courbe S-N, Basquin et courbe S-N approximative. Pour les régimes de fatigue à faible nombre de cycles, les modèles de durée de vie en déformation de type Courbe E-N, Coffin-Manson et Basquin et Coffin-Manson combinés sont disponibles.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Basé sur l'énergie en évidence et un modèle de résistance pour montage en surface dans la fenêtre graphique.

Modèles énergétiques

Le module Fatigue comprend deux modèles basés sur l'énergie : Morrow et Darveaux, qui sont utilisés pour traduire l'effet de la contrainte et de la déformation en énergie libérée ou dissipée pendant un cycle de charge.

Ces modèles sont généralement adaptés aux applications impliquant des matériaux non linéaires dans le régime de fatigue à faible nombre de cycles. Comme l'énergie peut être calculée de différentes manières, ces modèles peuvent être utilisés dans des applications à charge proportionnelle et non proportionnelle.

Les modèles énergétiques dépendent de l'énergie dissipée. Cette dissipation de l'énergie signifie que l'énergie est consommée par le matériau et ne peut être récupérée. Ce comportement est présent chez les matériaux inélastiques et peut être modélisé en combinant le module Fatigue avec le module Nonlinear Structural Materials ou le module Geomechanics.

Une vue rapprochée des réglages du noeud Dilatation thermique et un modèle de circuit imprimé dans la fenêtre graphique.

La multiphysique pour des études approfondies

La dilatation ou contraction des matériaux dues aux changements de température introduisent des concentrations de contraintes et des accumulations de déformations qui peuvent conduire à la rupture. La rupture par fatigue thermique peut être évaluée à l'aide de plusieurs modèles de fatigue. Pour les matériaux non linéaires, cela inclut le modèle Coffin-Manson et les relations de Morrow et Darveaux basées sur l'énergie. En plus des options disponibles pour les déformations inélastiques ou l'énergie dissipée, les modèles de fatigue peuvent également être modifiés par l'utilisateur afin d'exploiter des expressions spécifiques de déformation ou d'énergie dans l'étude de fatigue.

Vous pouvez utiliser la règle de Neuber et la méthode de Hoffmann-Seeger pour avoir une approximation de l'effet de la plasticité à partir d'une simulation élastique linéaire. Avec le [module Nonlinear Structural Materials] (/nonlinear-structural-materials-module), il est possible de simuler un cycle complet de fatigue élastoplastique.

Pour calculer le risque de rupture par fatigue dans les assemblages multicorps et les rotors, le module Fatigue peut être combiné avec le module Multibody Dynamics et le module Rotordynamics, respectivement.

Chaque activité et chaque besoin en matière de simulation sont différents. Afin d'évaluer pleinement si le logiciel COMSOL Multiphysics® répond ou non à vos exigences, nous vous invitons à nous contacter. En parlant à l'un de nos représentants, vous obtiendrez des recommandations personnalisées et des exemples détaillés qui vous aideront à tirer le meilleur parti de votre évaluation et vous guideront pour choisir les options de licence les mieux adaptées à vos besoins.

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