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No tiene sentido debatir a quién de ellos se le están estirando más los músculos y quién tiene más probabilidades de fallar primero por fatiga. Eso es porque tenemos una solución de AEF de primera clase que lo hace por nosotros. La idea de mostrar a estos personajes es darnos cuenta de que es difícil predecir analíticamente la ubicación y la gravedad de los daños en función de la aplicación de la carga. Además, en la vida real puede haber infinitas formas de aplicar las cargas, por lo que una solución robusta contra la fatiga debe contar con una sólida caja de herramientas para diferentes escenarios de carga.
Llamemos a estos Hércules Sr. X, Sr. Y, Sr. Z y Sr. W de izquierda a derecha. El Sr. X lleva varias cargas al mismo tiempo mientras que el Sr. Y, el Sr. Z y el Sr. W llevan una sola carga. El Sr. Z tiene una situación única en la que las cargas son todas compresivas desde arriba en una sola mano. El dolor del Sr. W se aprecia bien en la imagen, y está atrapado con cargas aplicadas en las manos mientras todo el daño se produce en la parte baja de la espalda. El Sr. X lleva la carga más pesada, pero puede que no sea el primero en fatigarse ya que las cargas se distribuyen uniformemente por toda la espalda. Cuanto más pensamos en quién caerá primero, más nos desconcertamos.
Los ingenieros que diseñan productos y son responsables de pegar una etiqueta de garantía en sus productos se encuentran en una situación similar, excepto aquellos que utilizan las soluciones de durabilidad de SIMULIA para el ciclo de vida y las estimaciones de daños. Aunque existen muchos retos a la hora de realizar una simulación de durabilidad precisa, en este blog nos centraremos únicamente en los distintos escenarios de carga y en cómo capturarlos en Fe-Safe.
Diferentes escenarios de carga en la durabilidad
El escenario de carga incluye la naturaleza de la propia carga y su aplicación. La carga puede ser de amplitud constante o de amplitud variable. Por ejemplo, la carga generada por el movimiento del cigüeñal es de amplitud constante, mientras que la procedente de los baches de una carretera en mal estado es una carga de amplitud variable.
Como ya se ha comentado, puede haber varias cargas actuando todas al mismo tiempo, ya sea en el mismo lugar o en varios. Si el modelo es no lineal, el escenario de carga debe abordarse en el correspondiente análisis de elementos finitos. Sin embargo, en el caso de los modelos lineales, tiene sentido realizar los AEF de carga unitaria por separado y escalar y combinar las cargas para una mayor durabilidad. Fe-Safe tiene la capacidad de combinar cargas a partir de cargas individuales.
Algoritmo Rainflow: La fatiga siempre se calcula en número de ciclos, ya que cada ciclo lleva asociado un daño que se acumula. La gran pregunta siguiente es ¡cómo calcular el número de ciclos de una carga de amplitud variable! Parece muy ruidoso. La respuesta es el método de recuento Rainflow, probado en la industria, que puede calcular el número efectivo de ciclos de una carga variable.
Además, las cargas variables inferiores al límite de resistencia también pueden provocar fatiga. Fe-Safe aborda este comportamiento físico extraño pero real modificando la curva S-N en caso de amplitud variable. En la vida real, la mayoría de los daños proceden de las amplitudes de carga inferiores al límite de resistencia debido a la carga de amplitud variable.
Modelización de la durabilidad no lineal en Fe-Safe
Recordemos que existen tres grandes tipos de No linealidades: Geométricas, de Material y de Contacto. En cualquiera de estos casos, el enfoque de superposición de cargas no funciona. Aunque Fe-Safe sigue siendo el mejor candidato del mercado para abordar los casos de durabilidad no lineal, también se necesita un solver de AEF no lineal competitivo para obtener las tensiones correctas. Ese solver es Abaqus por supuesto.
La situación más sencilla es la geometría no lineal como en las grandes deformaciones. Un ejemplo común es el cigüeñal moviéndose por el disparo del pistón (suponiendo que no haya fluencia ni fatiga térmica). En problemas de gran movimiento la carga unitaria y la superposición no funcionan. Todo el análisis de tensiones de movimiento debe hacerse primero en AEF no lineal. Posteriormente, Fe-Safe debe alimentarse con la secuencia de conjuntos de datos de tensiones.
El siguiente aspecto no lineal es el material. La plasticidad local es fácil de abordar en Fe-Safe utilizando la corrección de plasticidad de Neuber. No es necesario modificar nada en el modelo de elementos finitos. La plasticidad global requiere una definición de material no lineal en el modelo de AEF. Fe-Safe requiere tanto entradas de tensión como de deformación de los resultados del análisis de AEF. Los eventos de plasticidad global suelen ser de naturaleza de ciclo muy bajo y gran amplitud, como la fatiga termomecánica y de elastómeros.
Cargas multibloque
Muchos escenarios de carga de la vida real son de naturaleza secuencial en los que los eventos de fatiga se encadenan uno tras otro. Es más común en la industria del transporte y la movilidad. Tomemos el ejemplo de un coche conducido durante 100 millas por diferentes tipos de terreno. Cada terreno tiene sus propias carreteras caracterizadas por el tipo de grava utilizada, los baches, los reductores de velocidad, etc. En el sentido de Fe-Safe, cada terreno tiene sus propias señales de carga variable en el espacio tridimensional.
El análisis de fatiga de un escenario de eventos múltiples de este tipo requiere el método de carga multibloque disponible en Fe-Safe. Cada bloque tiene sus propias señales de carga variable asociadas a unos tensores de tensión de carga unitaria en las direcciones respectivas. Estos bloques se apilan unos sobre otros. Si la secuenciación es importante, puede tenerse en cuenta. Fe-Safe puede calcular la vida a fatiga total del suceso, así como los daños producidos por bloque, para dar más información sobre los ciclos dañinos. En caso de no linealidad, las señales de carga variable de cada bloque se sustituyen por conjuntos de datos de tensión-deformación.
Fe-Safe es un código de fatiga muy completo. Dispone de muchos escenarios de carga avanzados, como la combinación de cargas de alto y bajo ciclo, la fatiga por ruido y la fatiga por vibración, incluida la PSD.
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