SOLIDWORKS SIMULATION: Pełzanie i relaksacja naprężeń

Czy Twój produkt narażony jest na długotrwałe obciążenie?

Pełzanie jest jednym ze zjawisk reologicznych objawiających się poprzez narastanie odkształcenia pod wpływem stałego obciążenia (często w podwyższonej temperaturze). Okazuje się, że jednym z następstw pełzania może być znaczne obniżenie wytrzymałości oraz sztywności produktu. Uwzględnienie fenomenu jest w szczególności istotne przy projektowaniu konstrukcji, które pracują pod względnie dużym obciążeniem oraz będą eksploatowane przez znaczną ilość czasu. Dobrym przykładem konstrukcji narażonych na pełzanie są stalowe/duraluminiowe łoża silników w branży lotniczej. Należy podkreślić, że pełzaniu towarzyszy najczęściej również zjawisko relaksacji naprężeń związane z przebudową mikrostruktury materiału.

Stabilność numeryczna przez dziesiątki lat!

Dzięki wbudowanemu modułowi do analiz nieliniowych, SOLIDWORKS Simulation pozwala na uwzględnienie pełzania w sposób niezwykle efektywny. Ze względu na możliwości zmiany kroku inkrementacyjnego nie stanowi wyzwania pogodzenie czasu przyrostu obciążenia (mogącego wynosić kilka sekund przy zaniechaniu efektów dynamicznych) z pseudoczasem przebiegu symulacji (wynoszącym przykładowo 50 lat). Opisywana analiza jest doskonałym przykładem nieliniowego badania quasi-statycznego.

Stojak do montażu silnika

Celem przedstawienia funkcjonalności programu, analizie długotrwałego wytężenia zostanie poddany duraluminiowy stojak serwisowy na którym umieszczane są silniki podczas montażu. Waga silnika diesla V8 może sięgać wartości blisko 400 kg, jednak aby zwiększyć wartości odkształcenia związanego z pełzaniem zdecydowano się na obciążenie konstrukcji blisko czterokrotnie bardziej. Rozważany komponent jest cienkościenny, w związku z tym zalecane jest zdefiniowanie siatki płytowo-powłokowej (przykładowo poprzez Menadżera Skorup) celem skrócenia czasu obliczeń. Jeśli użytkownik zdecyduje się jednak na dyskretyzacje siatką bryłową, należy mieć na uwadze umiejscowienie wystarczającej ilości węzłów po grubości. W niniejszym przykładzie zdecydowano się obrać siatkę tetrahedryczną ze względu na chęć rzeczywistego odzwierciedlenia nacisków w otworach przenoszących obciążenia (zaaplikowanie tego rodzaju rozkładu siły jest możliwe jedynie na ścianach).

Rys. 1 Duraluminiowy stojak serwisowy

Ponieważ przedmiotem analizy jest uwzględnienie pełzania, które jest zjawiskiem uplastyczniającym wymaga się od użytkownika wyboru odpowiedniego modelu materiałowego; w tym przypadku jest to model plastyczny wg Misesa. Po uaktywnieniu zaznaczeniu ikonki „Uwzględnij efekt pełzania” w danych materiałowych uwidocznią się z wiersze umożliwiające wpisanie wartości stałych wg prawa potęgowego (prawo Bailey – Nortona). W przypadku rozważanego stojaka są to wartości arbitralne. Dla rzeczywistych analiz niezbędne jest wprowadzenie sprawdzonych danych materiałowych dokładnie odzwierciedlających ich pracę.

Rys. 2 Dane materiałowe

Stosowne umocowanie konstrukcji jest w naszym przypadku wyjątkowo istotne. Utwierdzenie jednej ze ścianek będącej w kontakcie z podłożem wraz z podparciem pozostałych powodowałoby niemożność oderwania się umocowanych ścian od ziemi. Tym samym konstrukcja stałaby się nierealistycznie przesztywniona. Aby zapewnić realistyczne ugięcie konstrukcji odebrano poszczególne stopnie swobody jedynie w punktach pozostających w kontakcie z podłożem (przewiduje się, że są to punkty będące najbliżej „środka symetrii” zarysu podstawy). Należy pamiętać, aby stopnie swobody odebrać w punktach tak, ażeby zablokować sześć sztywnych ruchów obiektu (trzy rotacyjne i trzy translacyjne). Efekty przedstawiono na poniższych rysunkach:

Rys. 3 Porównanie wyników dwóch różnych umocowań

Rys. 4 Szkic wykorzystany do utworzenia umocowanych punktów

Obciążenie zostało przypisane z sinusoidalnym rozłożeniem dzięki użyciu funkcji „obciążenie łożyska”. Każdy z dwóch wydatków został edytowany tak, ażeby siła narastała liniowo przez 5000 sekund (niecałe 1.5 godziny), a następnie była stała przez 280000000 sekund (nieco ponad 9 lat). We właściwościach badania zapewniono, że czas przebiegu symulacji jest identyczny z czasem aplikowania obciążenia. Zmieniono również początkowo krok inkrementacyjny z domyślnego na 1000, aby wychwycić liniowo narastającą siłę w pierwszym etapie obciążenia, oraz wybrano solver Intel Direct Sparse. Po nałożeniu siatki dyskretyzacyjnej uruchomiono symulację.

Rys. 5 Ściany z przyłożonym obciążeniem wraz z wyświetlonymi lokalnymi układami współrzędnych. Siła opisana jest funkcyjnie.

W ramach postprocessingu wyświetlono wypadkowe odkształcenie, oraz odkształcenie plastyczne pochodzące od pełzania. Zauważyć można, że te drugie stanowi większość sumarycznego odkształcenia. Ustawiwszy skalę deformacji na poziomie 20 popełniono animację przemieszczenia; znakomicie widoczny jest liniowego narastania siły, a następnie efekt pełzania uchwycony dzięki zastosowaniu dużego kroku inkrementacyjnego. Na szczególną uwagę zasługuje też porównanie naprężeń w 5000 sekundzie, oraz w ostatniej klatce badania. Analizując wyniki dostrzeżemy zajście relaksacji naprężeń.

Rys. 6 Ustawienia badania nieliniowego quasi-statycznego

Rys. 7 Porównanie odkształceń całkowitych i pochodzących od pełzania

Rys. 8 Porównanie naprężeń w czasie

http://www.dpstoday.pl/wp-content/uploads/2022/11/pelzanie-solidworks-simulation.mp4

Post: SOLIDWORKS SIMULATION: Pełzanie i relaksacja naprężeń