Wstęp
W analizach zmęczeniowych sposób, w jaki przykładamy obciążenie, bywa równie istotny jak jego wartość. Każdy cykl naprężenia, zmiana temperatury czy lokalny skok siły może wpływać na powstawanie pęknięć i skracać trwałość konstrukcji. W wielu branżach – od transportu, przez energetykę, po przemysł maszynowy – różnice te mogą decydować o bezpieczeństwie użytkowników oraz o spełnieniu wymogów certyfikacyjnych.
Właśnie dlatego w platformie 3DEXPERIENCE zagadnienie historii obciążenia zmęczeniowego zostało ujęte szczególnie szeroko. Moduł Durability Analysis oferuje zestaw narzędzi, które pozwalają odwzorować realistyczne scenariusze obciążeniowe i szybko je modyfikować – bez ponownego liczenia analizy strukturalnej. Funkcje te dostępne są przede wszystkim w rolach Durability Performance Engineer oraz Durability and Mechanics Engineer, zapewniających kompletny zestaw narzędzi do zaawansowanych analiz trwałościowych. To ogromne ułatwienie dla inżynierów pracujących iteracyjnie, testujących różne warunki pracy lub oceniających zachowanie konstrukcji dla wielu materiałów.
Wśród narzędzi dostępnych w module dwa zasługują na szczególną uwagę: Sequence-of-Frames Events oraz Algorithm Override. Razem tworzą spójny i niezwykle elastyczny system pracy z analizami zmęczeniowymi. Pierwsze z nich odpowiada za budowę historii obciążenia, drugie – za możliwość błyskawicznego porównania algorytmów zmęczeniowych bez ponownego uruchamiania solvera MES.
Sequence of Frames Events – elastyczne budowanie scenariusza zmęczenia
W module Fatigue Loading użytkownik definiuje historię obciążenia zmęczeniowego, korzystając z różnych typów eventów. Jednym z najczęściej stosowanych jest Sequence-of-Frames Event, który pozwala zbudować pełną sekwencję obciążeń na podstawie wyników z analiz strukturalnych.
W praktyce inżynierskiej obciążenia rzadko mają charakter jednorodny. Element konstrukcyjny może zostać najpierw wstępnie dociążony, następnie pracować cyklicznie, a na końcu doświadczyć krótkotrwałego obciążenia ekstremalnego. Sequence-of-Frames Event umożliwia wierne odwzorowanie takich scenariuszy poprzez łączenie ramek naprężeń (frames) pochodzących z różnych kroków i incrementów analizy MES.
Każdy frame contribution odnosi się do konkretnego kroku analizy i może obejmować wszystkie lub wybrane incrementy. Użytkownik decyduje, który fragment historii obciążenia ma zostać wykorzystany, korzystając z jednej z dostępnych opcji:
- All increments – pełna historia kroków,
- All except first increment – pominięcie stanu początkowego,
- Last increment – jedynie stan końcowy, często używany w krokach ustalających preload.
Wybrane incrementy są następnie łączone w jedną sekwencję, która stanowi bazę do obliczeń zmęczeniowych. W przypadku analiz opartych tylko na naprężeniach możliwe jest dodatkowo skalowanie poszczególnych wkładów lub całego eventu. Jeśli analiza opiera się na zestawach stress–strain, opcja skalowania jest wyłączona — system zakłada wówczas nieliniowe zachowanie materiału.
W ramach jednego Sequence-of-Frames Event użytkownik może również:
- ustawić liczbę powtórzeń cyklu (Repeats),
- dodać czas trwania lub pełną historię czasową (Duration lub Time History),
- określić sposób definiowania temperatury dla zdarzenia.
Temperatura w evencie może być zdefiniowana jako:
- stała wartość, przypisana do całego zdarzenia,
- wartość pobrana z jednej ramki analizy strukturalnej,
- wartość dopasowana do każdej ramki naprężeń/odkształceń (temperature-per-frame).
W praktyce oznacza to, że użytkownik może stosować jedną temperaturę globalną lub korzystać z przestrzennie zróżnicowanych danych z analizy strukturalnej — zależnie od potrzeb modelu zmęczeniowego.
Algorithm Override – szybka zmiana algorytmu bez przeliczania całego modelu
W trakcie walidacji konstrukcji często zachodzi potrzeba zmiany podejścia zmęczeniowego: porównania kilku algorytmów, zmiany korekcji naprężenia średniego lub analizy zgodnej z wymaganiami certyfikacyjnymi. W standardowym podejściu oznaczałoby to konieczność ponownego przeliczenia całej analizy strukturalnej, która bywa wtedy kosztowna czasowo i obliczeniowo.
Właśnie dlatego 3DEXPERIENCE oferuje funkcję Algorithm Override, która umożliwia:
- zmianę algorytmu zmęczeniowego,
- zmianę metody korekcji naprężeń średnich,
- w przypadku analiz nieskończonej trwałości (infinite life) – zmianę limitu zmęczenia,
- wybór innego algorytmu oraz metody korekcji dla analiz typu Random Vibration,
…i to wszystko bez ponownego rozwiązywania przypadków strukturalnych.
Jest to szczególnie przydatne, gdy:
- porównujemy wyniki metod (np. Brown–Miller vs Fatemi–Socie),
- sprawdzamy czułość modelu na wybór algorytmu,
- analizujemy różne scenariusze certyfikacyjne,
- chcemy ocenić zmiany projektowe bez modyfikacji materiałów bazowych.
Dla analiz typu Random Vibration dostępny jest osobny zestaw algorytmów i metod korekcji. W przypadku elementów spawanych solver używa algorytmu przypisanego do definicji weld set, niezależnie od właściwości materiałowych.
Warto podkreślić, że Algorithm Override można stosować globalnie lub lokalnie np. tylko dla wybranych elementów wspornika, komponentu czy obszaru krytycznego.
Jak Sequence of Frames i Algorithm Override działają razem – praktyczny workflow
Choć każdą analizę zmęczeniową w 3DEXPERIENCE można wykonać na kilka sposobów, połączenie Sequence of Frames i Algorithm Override daje wyjątkowo wygodny i elastyczny sposób oceny trwałości. Sequence of Frames pozwala odtworzyć rzeczywistą historię obciążeń na podstawie wyników analizy strukturalnej, a Algorithm Override umożliwia szybkie testowanie różnych algorytmów zmęczeniowych — bez ruszania modelu MES. Razem tworzą podejście, które znacząco przyspiesza iteracje i pomaga szybko ocenić, jak projekt zachowa się w różnych scenariuszach.
Poniżej przedstawiłem praktyczny, uniwersalny workflow:
1. Analiza strukturalna (MES)
Na początku potrzebujemy solidnej bazy danych. Wykonujemy więc analizę strukturalną — liniową, nieliniową, quasi-statyczną lub dynamiczną — aby uzyskać pola naprężeń i odkształceń dla wszystkich interesujących przypadków obciążenia. To jedyny etap, który wymaga dużej mocy obliczeniowej. Jego celem jest dostarczenie kompletnego zestawu wyników, na których później oprze się cała analiza zmęczeniowa.
2. Budowa historii obciążenia – Sequence of Frames
Z kroków i incrementów analizy strukturalnej tworzymy sekwencję ramek odwzorowującą rzeczywiste warunki pracy. Ustalamy kolejność, liczbę powtórzeń i ewentualne skalowanie. Powstaje kompletna historia obciążenia wejściowego.
3. Pierwsza analiza zmęczeniowa – wynik referencyjny
Na tej bazie uruchamiamy pierwszą analizę zmęczeniową, wykorzystując algorytm przypisany w materiale. Otrzymujemy początkowe mapy trwałości, stopnia uszkodzenia (damage) i lokalizacji potencjalnych hotspotów.
Ten wynik pełni rolę punktu odniesienia, do którego będziemy porównywać kolejne iteracje.
4. Algorithm Override – szybkie testowanie alternatyw
Teraz zaczyna się prawdziwa oszczędność czasu. Bez ponownego liczenia MES możemy zmienić algorytm zmęczeniowy, metodę korekcji naprężeń średnich czy inne założenia interpretacyjne. Modyfikujemy wyłącznie sposób analizy, nie dotykając struktury ani historii obciążeń. To idealny sposób, aby szybko sprawdzić różne podejścia projektowe lub certyfikacyjne.
5. Kolejne analizy i porównanie
Uruchamiamy kolejne analizy zmęczeniowe, korzystając z różnych algorytmów. Wszystkie bazują na tej samej sekwencji ramek, dzięki czemu porównania są w pełni miarodajne. To na tym etapie najłatwiej ocenić, jak bardzo wyniki zależą od przyjętej metody i które z podejść jest najbardziej konserwatywna, realistyczna lub użyteczna projektowo.
6. Finalna ocena i decyzja projektowa
Po serii iteracji wybieramy algorytm najlepiej odzwierciedlający rzeczywiste zachowanie konstrukcji albo wymagany przez normę lub instytucję certyfikującą. Ostateczne wyniki pozwalają ocenić trwałość, wskazać miejsca krytyczne i podjąć decyzje dotyczące ewentualnych zmian konstrukcji, materiału czy geometrii. W ten sposób uzyskujemy pewną, uzasadnioną i powtarzalną ocenę trwałości.
Podsumowanie
Sequence of Frames i Algorithm Override tworzą duet, który realnie usprawnia i uelastycznia analizy zmęczeniowe w 3DEXPERIENCE. Sequence of Frames pozwala wiernie odtworzyć rzeczywistą historię obciążeń na podstawie dowolnej analizy strukturalnej, natomiast Algorithm Override umożliwia natychmiastowe testowanie różnych algorytmów zmęczeniowych bez konieczności ponownego liczenia modelu.
W praktyce oznacza to szybsze iteracje, większą kontrolę nad wynikami oraz znacznie łatwiejsze porównywanie podejść projektowych i certyfikacyjnych.
Warto pamiętać, że to tylko fragment możliwości modułu Durability. Platforma oferuje również takie funkcje jak Superposition Events, Overlay Events, Inter-Event Transitions i wiele innych. Dzięki ich odpowiedniemu połączeniu można tworzyć realistyczne scenariusze zmęczeniowe, uwzględniające liczbę cykli, skalowanie, efekty temperaturowe i złożone warunki pracy konstrukcji.
Jeśli chcesz dowiedzieć się, jak w pełni wykorzystać te narzędzia w swoich projektach, zapraszamy do kontaktu — chętnie pomożemy dobrać optymalne rozwiązania i pokazać pełnię możliwości 3DEXPERIENCE w obszarze analiz zmęczeniowych.
