Джоді Мелене (Jody Muelaner, Ph.D. CEng MIMechE)
Оригінал публікації: Structural Analysis: How Do You Know If Your Part Will Fail?
SOLIDWORKS Simulation надає широкий спектр інструментів для моделювання напружень в механічних деталях. Як і в будь-якому моделюванні, результати настільки хороші, наскільки хороші припущення, які ми робимо під час налаштування моделі та аналізі результатів. Ця стаття присвячена тому, як ми інтерпретуємо розрахункове напруження, щоб визначити, чи вийде деталь з ладу.
Перш ніж ми приступимо до визначення того, чи вийде з ладу ваша деталь, важливо пам’ятати, що це лише один аспект хорошого стрес-аналізу. Також важливо, щоб граничні умови та сітка реалістично імітували навантаження вашої деталі.
Перше питання, яке слід поставити, полягає в тому, чи точно граничні умови відображають спосіб навантаження деталі. Сітка має бути достатньої якості, щоб забезпечити чисельно точні розрахунки. Співвідношення сторін є одним із важливих показників якості сітки. Це означає, що трикутні грані елементів повинні бути якомога ближчими до рівносторонніх трикутників. Дуже витягнуті елементи з високим співвідношенням сторін, понад три, зменшать точність моделювання. Аналогічно, спотворені, відповідно до коефіцієнту Якобіана, елементи, можуть призвести до збою моделювання.
Вибір «Mesh Details» (Деталі сітки) в контекстному меню елемента дерева моделювання відображає корисну інформацію для оцінки якості сітки. Геометрію слід спростити та додати елементи керування сіткою для досягнення прийнятної якості сітки.
Ще одним важливим фактором для сітки є те, чи має вона достатню деталізацію, щоб забезпечити фактичне максимальне напруження з концентрацією напружень.
Тут може бути певний компроміс між видаленням елементів для покращення якості сітки та збереженням елементів, які справді вплинуть на результат. Саме тут навички та досвід аналітика можуть виявитися дуже цінними.
Аналіз з використанням скінчених елементів зазвичай не є найкращим способом визначення пікового напруження в межах концентрації напружень. Набагато краще використовувати метод скінчених елементів для визначення поля напружень, що оточує концентрацію напружень, а потім визначати фактичне пікове напруження за допомогою аналітичного методу. Формули для широкого спектру характеристик та умов навантаження можна знайти в довідниках, таких як «Формули для напружень та деформацій» Рорка (Roark’s Formulas for Stress and Strain) або «Коефіцієнти концентрації напружень» Петерсона (Peterson’s Stress Concentration Factors).
Це дуже короткий огляд того, що потрібно для проведення якісного стрес-аналізу. Отже, якщо ви точно визначили напруження в деталі, як дізнатися, чи вийде вона з ладу?
Критерії руйнування
Руйнування матеріалу може статися при статичному навантаженні, втомі або втраті стійкості. В умовах статичного навантаження матеріали зазвичай руйнуються одним із двох способів: або через крихке руйнуваня або через пластичну деформацію.
М’яка сталь є типовим прикладом пластичного матеріалу, а кераміка – прикладом крихкого матеріалу, хоча практично будь-який матеріал може поводитися як крихкий у таких умовах, як дуже низька температура або сильне циклічне навантаження. Аналогічно, більшість матеріалів можуть бути пластичними при дуже високих температурах. У всьому діапазоні типових умов більшість матеріалів можна вважати або крихкими, або пластичними. Однак з деякими матеріалами, такими як алюмінієві сплави, ситуація трохи інша: одне велике навантаження може призвести до деформації, а циклічне втомне навантаження призведе до руйнування.
Спосіб визначення руйнування також може змінюватись в залежності від способу використання деталі. Наприклад, якщо скоба страховки піддається під час зупинки падіння, це, ймовірно, не є руйнування. Насправді, може виявитися бажаним, щоб скоба піддалася, оскільки це буде розсіювати деяку енергію, захищаючи як вбудоване обладнання, так і людину, що падає, від більш високих пікових сил. [Сподіваємося, що скоба несе попередження про те, що її не слід використовувати після падіння, оскільки тепер її форма відрізняється від проектної. – Ред.]
У цьому випадку простим критерієм руйнування може бути ситуація, коли середнє напруження по поперечному перерізу перевищує граничну напругу матеріалу, який розтягується. Однак якщо та сама скоба використовувалася як підйомний механізм, що вимагає багаторазового використання, то деформація буде розглядатися як вихід з ладу деталі. У цьому випадку одна і та ж деталь, що піддається одному і тому ж навантаженню, може мати різні критерії відмови, які визначаються відповідно до вимог використання.
Деякі потенційні фізичні механізми руйнування включають деформацію, руйнування та згин. Для перевірки кожного критерію руйнування потрібен окремий аналіз.
Для деталі, навантаженої чистим розтягуванням, критерієм текучості є просто межа текучості матеріалу. Однак більшість деталей зазнають більш складних навантажень, що призводить до тривимірної комбінації розтягу, стиску та зсуву.
Найпростіший спосіб врахувати ці фактори – це розподілити напруження за їхніми головними напрямками, використовуючи коло Мора. Якщо ці окремі значення менші за межу текучості матеріалу, ця теорія стверджує, що він не повинен деформуватися. Основним підходом є спрощення, інші теорії руйнування використовують складніший підхід визначення моменту виникнення виходу деталі з ладу. Вони розглядають мікромеханіку матеріалів, що включає ковзання атомів усередині кристалічних ґрат і переміщення меж зерен відносно один одного.
Тому для пластичних та крихких матеріалів слід використовувати різні підходи. Вони зазвичай припускають, що матеріал є пластичним та ізотропним, що означає, що він має однакову міцність та жорсткість у всіх напрямках. Метали зазвичай можна вважати ізотропними, а деревину та композити – ні.
Найбільш поширеними критеріями руйнування, що використовуються для статичного напруження, є критерії фон Мізеса, Треска та максимальне нормальне напруження. Всі вони включають спочатку розрахунок основних напружень, а потім об’єднання їх в одне значення напруження, яке представляє напруження в точці тривимірного твердого тіла. Якщо це сукупне напруження менше за межу текучості при розтягуванні матеріалу, він не повинен піддаватися.
Критерії фон Мізеса та Треска використовуються для пластичних матеріалів, у той час як критерій максимального нормального напруження використовується для крихких матеріалів. Критерій фон Мізеса є найпоширенішим, що використовується для аналізу статичного напруження. Критерій Треска дуже схожий, але за певних обставин може давати трохи вищі значення напружень; тому він консервативніший, що призводить до підвищення безпеки.
SOLIDWORKS Simulation не підтримує критерій руйнування по Треску, але інтенсивність напружень (P1-P3) дає аналогічні значення.
Для крихких матеріалів найкраще використовувати максимальне нормальне напруження (Р1). Однак крихкі матеріали можуть вимагати більш детального розгляду механіки їх руйнування, яка описує спосіб поширення тріщин і призводить до раптових та катастрофічних руйнувань.
Для крихкого руйнування було розроблено безліч теоретичних критеріїв руйнування. На малюнку, наведеному нижче, показано, що результати, отримані за критеріями фон Мізеса, Треска і максимального нормального напруження, дуже схожі, але мають трохи відмінні максимальні значення. У цій статті я дав короткий огляд деяких найважливіших критеріїв руйнування при статичному напруженні.
З питань купівлі ПЗ SOLIDWORKS, будь ласка, звертайтеся до менеджерів відділу продажів АРКАДА за телефонами:
+380 44 502-33-35
або за e-mail:common@arcada.com.ua
