Strona głównaSOLIDWORKS SimulationSOLIDWORKS SIMULATION: wybór optymalnego projektu pod kątem wytrzymałości zmęczeniowej

SOLIDWORKS SIMULATION: wybór optymalnego projektu pod kątem wytrzymałości zmęczeniowej

SOLIDWORKS SIMULATION: wybór optymalnego projektu pod kątem wytrzymałości zmęczeniowej

Ciągła eksploatacja części nieuchronnie prowadzi do ich zużycia, czego efektem jest najczęściej zniszczenie komponentu w drodze zmęczenia. Szacuje się, że awarie mechaniczne powiązane z tym zjawiskiem stanowią od 50% do 90% ogółu. Przeprowadzanie testów zmęczeniowych próbek materiałowych, jak i prób zmęczeniowych gotowych produktów jest wyjątkowo czasochłonne. Tym samym proces walidacji wytrzymałościowej opóźnia wejście z gotowym produktem na rynek.

Nawet 90% wszystkich awarii mechanicznych

SOLIDWORKS Simulation w ramach pakietu Simulation Standard pozwala inżynierom przenieść żmudny proces testów zmęczeniowych mogących trwać nawet wiele miesięcy, na ekran komputera w drodze numerycznej symulacji. Tym samym odpowiedź na pytanie „Czy wyrób wytrzyma powtarzające się obciążenie przez 7 milionów cykli?” jest do uzyskania w kilka sekund.

SOLIDWORKS Simulation - pęknięcie zmęczeniowe w wyeksploatowanym rowerze

Rys. 1 Pęknięcie zmęczeniowe w wyeksploatowanym rowerze

Symulacja – drugie imię innowacji

Poddajmy pod rozwagę korbę rowerową. Zawodowi kolarze przejeżdżają blisko 40000 kilometrów rocznie – na dystans ten składa się wiele cyklicznych obciążeń rozważanego komponentu. Mając na uwadze tak intensywną eksploatację pojawia się problem zmęczenia w kontekście tworzenia książki gwarancyjnej. W niniejszym przykładzie zostaną zanalizowane trzy projekty wspomnianej korby celem skierowania na produkcję najbardziej żywotnego produktu.

SOLIDWORKS Simulation - rozważanie projektu korby rowerowej

Rys. 2 Rozważanie projektu korby rowerowej

Przed przystąpieniem do badania zmęczeniowego zostały utworzone trzy badania statyczne. Na każde z nich składa się identyczny zestaw umocowań oraz obciążeń. Na zaznaczonych powierzchniach cylindrycznych odebrano odpowiednie stopnie swobody w ramach „Nieruchomych zawiasów”. Pedał obciążony jest na dwóch płaskich ściankach normalnie do ich powierzchni 300 funtami siły. Materiał przypisany do części to kute aluminium 6061-T6 .

SOLIDWORKS Simulation - umocowania wraz z wizualną reprezentacją przyłożonego obciążenia

Rys. 3 Umocowania wraz z wizualną reprezentacją przyłożonego obciążenia

Przed utworzeniem badania zmęczeniowego przeprowadzono oddzielne badania statyczne. Jest one niezbędne celem późniejszego zdefiniowania przebiegu obciążenia cyklicznego. Badania zmęczeniowe pobierze też informację nt. naprężeń w węzłach; stanowią one ważną informację w kontekście krzywej zmęczenia (krzywa Wöhlera). Dane zmęczeniowe dla odpowiedniego przypadku obciążenia mogą być w oprogramowaniu SOLIDWORKS Simulation wprowadzone ręcznie, zimportowane z pliku lub ustalone w oparciu o krzywe stali austenitycznych lub węglowych.

Ze względu na charakter pracy podzłożenia zdefiniowano obciążenie odzerowo tętniące (R=0), a liczba cykli obciążenia została ustalona na poziomie 7 milionów. Zastosowano odpowiednie sterowanie siatki w obszarach większego zainteresowania (tj. w obszarach w których spodziewany jest wzrost wartości naprężeń ze względu na np. ulokowanie karbów).

Rower na długie lata z SOLIDWORKS Simulation

W wyniku przeprowadzenia symulacji wyświetlone zostały mapy uszkodzenia oraz trwałości. Wraz z informacjami na temat naprężenia, przemieszczenia, minimalnego zapasu bezpieczeństwa oraz masy uzyskane rezultaty zostały zestawione poniżej. Szczegółowa analiza prowadzi do wniosku, że projekt drugi wyróżnia się największą wytrzymałością zmęczeniową (1700% większa żywotność od koncepcji trzeciej) kosztem jedynie niewielkiego wzrostu masy. Optymalizacja korby pozwala na produkcję konkurencyjnych części, skutkujących wydajnym i bezpiecznym rowerem, będącym silną konkurencją na scenie kolarskiej.

SOLIDWORKS Simulation - zestawienie badań zmęczeniowych

Rys. 4 Zestawienie wyników badań zmęczeniowych w postaci map trwałości. Od góry kolejno projekt pierwszy, drugi i trzeci

Design 1 Design 2 Design 3
Minimum Durability Cycles 1,548,850 8,888,107 553,909
Maximum Stress (MPa) 233 196 247
Minimum Factor of Safety 1.18 1.21 1.11
Maximum Deflection (mm) 4.01 3.26 1.49
Weight (g) 392 404 420

Tabela 1 Tabelaryczne zestawienie wyników badań wytrzymałościowych

Podziel się:

Student ostatniego roku inżynierii lotniczo kosmonautycznej na Politechnice Warszawskiej (MEiL). Pasjonat nauki o wytrzymałości materiałów, entuzjasta symulacji MES (FEM) o szczególnym zainteresowaniu w dziedzinie konstrukcji cienkościennych i kompozytów. Prywatnie miłośnik offroadu oraz strzelec sportowy.