Spawanie jest jedną z najbardziej powszechnych metodą łączenia metali dzięki wielu zaletom jakie oferuje. Jest wydajną oraz ekonomiczną metodą łączenia metali, umożliwia znaczą dowolność kształtu przy projektowaniu oraz możliwość automatyzacji procesu.

Z punktu widzenia wytrzymałości statycznej, wytrzymałość elementu ze spoiną może być równa wytrzymałości elementu bez spoiny, inaczej jest w przypadku wytrzymałości zmęczeniowej gdzie wytrzymałość zmęczeniowa elementu ze spoiną jest znacznie niższa (Rys. 1) i zazwyczaj nie zwiększa się wraz ze wzrostem wytrzymałości statycznej (Rys. 2).

Rys.1 Efekty wpływu koncentracji naprężeń na trwałość zmęczeniową [1]	Rys. 2. Efekt wzrostu wytrzymałości na rozciąganie na wytrzymałość zmęczeniową

DLACZEGO FIRMY UŻYWAJĄ METODY ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH DO OBLICZEŃ ZMĘCZENIOWYCH

	OSZCZĘDNOŚĆ CZASU		Nie musisz czekać na wyniki testów zmęczeniowych aby dowiedzieć  się jak twój produkt zachowa się pod wpływem złożonych obciążeń      zmęczeniowych
	DOSTARCZA CENNEJ WIEDZY		Symulacja dostarcza odpowiedz na pytanie gdzie można zaoszczędzić materiał a gdzie należy wzmocnić konstrukcję aby osiągnąć wymaganą trwałość zmęczeniową.
	WIĘKSZA PEWNOŚĆ		Przez identyfikację a następnie wyeliminowanie potencjalnych problemów związanych z trwałością w początkowym etapie rozwoju prawdopodobieństwo, że twój produkt przejdzie testy za pierwszym razem jest znacznie większe.
	NIŻSZE KOSZTY		Wirtualne testy zmęczeniowe są znacznie tańsze w porównaniu do rzeczywistych (oszczędność czasu, materiału)

METODY OBLICZEŃ TRWAŁOŚCI ZMĘCZENIOWEJ POŁĄCZEŃ SPAWANYCH

Oto cztery najczęściej wykorzystywane metody do obliczeń trwałości zmęczeniowej konstrukcji spawanych:

1. Metoda naprężenia nominalnego

2. Metoda naprężeń konstrukcyjnych „hot spot”

3. Metoda promienia zastępczego (naprężenia zastępczego w karbie)

4. Podejście metody mechaniki pękania

Wybór metody zależy od stopnia skomplikowania konstrukcji, oczekiwanej dokładności, dostępności danych

materiałowych oraz wymagań odnośnie użycia norm i standardów.

Metoda naprężenia nominalnego jest najbardziej popularną metodą, większość standardów projektowania zawiera go. Dla prostych konstrukcji jak konstrukcje stalowe budynków dostarcza zadowalające wyniki przy minimalnym wysiłku obliczeniowym.

Metoda naprężeń konstrukcyjnych “hot spot” uwzględnia efekt koncentracji naprężeń spowodowanych obecnością spoiny pomija jednak efekt karbu występującego na krawędzi spoiny. Metoda wymaga zastosowania odpowiedniej siatki elementów skończonych do wyznaczenia naprężeń konstrukcyjnych których wartości są ekstrapolowane liniowo z dwóch punktów, pierwszy w odległości 0.4t (t – grubość płyty) od krawędzi spoiny a drugi w odległości 1.0t [3]. W zależności od kategorii zmęczeniowej elementu konstrukcyjnego i rodzaju naprężeń odpowiednia krzywa wytrzymałości zmęczeniowej S-N powinna być użyta do obliczeń. Duża liczba kategorii zmęczeniowych oraz szczegółów konstrukcyjnych często sprawia trudność przypisania do naszego elementu.

Metody mechaniki pękania do szacowania trwałości zmęczeniowej uwzględniają obecność pęknięć w spoinie. Wymiar, kształt pęknięć oraz ich położenie są parametrami do obliczeń współczynnika intensywności naprężeń (SIF). Prędkość wzrostu pęknięcia zmęczeniowego oraz zachowanie mogą być oszacowane bardzo dokładnie. Metodę tą stosuje się gdy pęknięcie zostało wykryte lub gdy jego wystąpienie jest spodziewane. Obliczenia tą metodą pozwalają zaplanować odpowiedni harmonogram przeglądów i inspekcji konstrukcji aby monitorować wielkość pęknięcia.

W przypadku skomplikowanych konstrukcji spawanych najczęściej wykorzystywane się dwie metody spośród czterech wspomnianych do obliczeń zmęczeniowych metodą elementów skończonych tj. naprężeń konstrukcyjnych „hot spot” oraz metodę promienia zastępczego. Wile firm z branży motoryzacyjnej, ciężkiego sprzętu czy lotnictwa wykorzystuje właśnie te metody do weryfikacji i optymalizacji swoich produktów. Większość komercyjnego oprogramowania do obliczeń inżynierskich CAE posiada wbudowane narzędzia do obliczeń zmęczeniowych. Przy użyciu takiego oprogramowania do analiz wytrzymałościowych jak MSC Fatigue, nCode DesignLife czy LMS Virtual.Lab inżynierowie mogą wydajnie przeprowadzić szczegółowe analizy zmęczeniowe.

PRZEWAGA METODY PROMIENIA ZASTĘPCZEGO NAD METODĄ NAPRĘŻEŃ KONSTRUKCYJNYCH „HOT SPOT”

Metoda promienia zastępczego nie wymaga tworzenia specjalnej siatki elementów MES w miejscach spoin (wartości naprężeń są niezależne od przyjętej metody dyskretyzacji) oraz zakłada użycie tylko jednej krzywej wytrzymałości zmęczeniowej dla wszystkich szczegółów konstrukcyjnych. Dla doświadczonego inżyniera ds. obliczeń MES konieczność dokładnej/gęstej siatki w miejscu krawędzi spoiny nie jest problemem dzięki użyciu techniki submodelingu. Rys. 3. przedstawia submodel uwzględniający szczegółową geometrię spoiny (obliczenia zmęczeniowe połączeń spawanych korpusu pługa rolniczego).

Rys. 3. Technika submodeling MES w metodzie promienia zastępczego

ZANIM WYKONASZ JAKIEKOLWIEK OBLICZENIA ZMĘCZENIOWE

Upewnij się, że używasz poprawnych obciążeń i warunków brzegowych

Zmiana obciążenia o 10% może skutkować zmianą trwałości zmęczeniowej nawet o 100% (płaska krzywa S-N) dlatego upewnij się, że masz odpowiednie spektrum obciążeń.

Sprawdź sposób modelowania warunków brzegowych, uwzględnij zjawisko kontaktu jeśli wymaga tego model aby uniknąć przesztywnienia modelu.

Sprawdź dokładność wartości naprężeń

Jeśli nie jesteś doświadczonym obliczeniowcem MES powinieneś zagęścić siatkę w miejscu koncentracji naprężeń aby sprawdzić czy wartości naprężeń są zbieżne (często w statycznej analizie MES zbieżności przemieszczeń towarzyszy rozbieżność naprężeń). Jeśli używasz oprogramowania SolidWorks czy Autodesk Inventor możesz użyć metod adaptacyjnego zagęszczania siatki (Typ h oraz Typ p) oraz sprawdzić poziom konwergencji wyników.

Użyj poprawnych danych materiałowych

Upewnij się że używasz poprawnej krzywej S-N dla twojego elementu (kategoria zmęczeniowa, szczegół konstrukcyjny). Jeśli zachodzi taka potrzeba uwzględnij wpływ naprężeń średnich.

Źródła:

[1] http://www.twi-global.com/technical-knowledge/job-knowledge/fatigue-testing-part-2-079/

[2] http://www.twi-global.com/technical-knowledge/job-knowledge/fatigue-testing-part-2-079/

[3] PN-EN 1993-1-9:2007: Eurokod 3. Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-9: Zmęczenie.

[4] Hobbacher, A.F. 2009. The new IIW recommendations for fatigue assessment of welded joints and components: A comprehensive code recently updated. International journal of fatigue 31:50-58

KOMPETENCJE FIRMY SIMDES PARTNER W ANALIZACH ZMĘCZENIOWYCH KONSTRUKCJI SPAWANYCH

Nasi inżynierowie pomogli wielu firmom rozwinąć udane produkty. Dostarczyli wielu wiarygodnych analiz zmęczeniowych konstrukcji spawanych, które wspomagały podejmowanie decyzji podczas rozwoju produktów w takich firmach jak: TRW Automotive, Rolls-Royce PLC, GE Oil & Gas, GKN Aerospace

Odwiedź nas w mediach społecznościowych

SimDes Partner

tel:

+48 514 514 243

email:

info@simdes.pl

adres:

ul. Żurawia 6/12 lok. 766

00-503 Warszawa

Polska

Napisz do nas