Ermüdungsanalysen in Creo Ansys Simulation
Allgemeine Einführung: Ermüdungsanalysen
Eine Ermüdungsanalyse in Creo Ansys Simulation ermöglicht es Ihnen, die Ermüdungsfestigkeit, den Ermüdungsschaden und den Sicherheitsfaktor anhand der Spannungs- oder Dehnungsergebnisse aus einer vorhandenen strukturmechanischen Lösung auszuwerten. Die Ermüdung ist eine Postprocessing-Berechnung, die auf gelöste strukturmechanische Ergebnisse angewendet wird.
Ein Ermüdungsverhalten definiert, wie Ermüdungsberechnungen durchgeführt werden. Es enthält die Ermüdungsmethode, die Lastdefinition, die Spannungs- oder Dehnungskomponente und lebensdauerbezogene Parameter. Jedes Ermüdungsergebnis bezieht sich auf ein einzelnes Ermüdungsverhalten.
Voraussetzungen für die Ausführung von Ermüdungsstudien
• Sie müssen zuerst eine statische oder transiente strukturmechanische Analyse definieren, bevor Sie ein Ermüdungsverhalten oder Ermüdungsergebnisse definieren.
• Das Modell darf zur Auswertung der Ermüdung ausschließlich Volumengeometrie enthalten. Balken-, Schalen- und Schalenpaar-Idealisierungen werden nicht unterstützt. Referenzen müssen Körper oder Komponenten sein.
• Stellen Sie sicher, dass alle erforderlichen ermüdungsbezogenen Materialeigenschaften definiert wurden, bevor Sie die Ermüdungsergebnisse definieren.
• Sie benötigen eine erweiterte Creo Ansys Simulation Lizenz, um Ermüdungsverhalten sowie Ermüdungsergebnisse definieren und eine Ermüdungsanalyse ausführen zu können.
Ermüdungsbezogene Materialeigenschaften definieren
Bevor Sie Ermüdungsergebnisse berechnen können, müssen Sie für alle dem Modell zugewiesenen Materialien ermüdungsbezogene Materialeigenschaften definieren. Ändern Sie ein vorhandenes Material, oder erzeugen Sie ein neues Material. Definieren Sie im Dialogfenster Materialdefinition (Material Definition) im Bereich Ermüdung (Fatigue) die folgenden Eigenschaften:
• Spannungs-Lebensdauer-Kurve (Stress Life Curve) – Die Spannungs-Lebensdauer-Kurve (S-N) definiert die Beziehung zwischen der wechselnden Spannungsamplitude und der Anzahl der Zyklen bis zum Versagen unter elastischen Ermüdungsbedingungen (hohe Zyklen). Sie hilft bei der Vorhersage der Ermüdungsfestigkeit von Materialien unter zyklischer Last. Definieren Sie die Spannungs-Lebensdauer-Kurve als Tabellenfunktion der Spannungsamplitude über den Zyklen bis zum Versagen. Die Werte der Spannungsamplitude müssen positiv sein. Die Spannungsamplitude und die Anzahl der Zyklen müssen dieselbe Skala verwenden – entweder eine lineare oder eine logarithmische. (Es werden keine Szenarien unterstützt, in denen für die Spannungsamplitude eine lineare Skala verwendet wird und für die Anzahl der Zyklen eine logarithmische Skala oder umgekehrt.)
• Festigkeitskoeffizient (Strength Coefficient) – Der Festigkeitskoeffizient ist der Schnittpunkt der Ermüdungsfestigkeit in der Dehnungs-Lebensdauer-Gleichung (ε−N). Er stellt die Spannungsamplitude bei einer Lastumkehrung (2N = 1) dar, die aus dem elastischen Anteil der Ermüdungskurve extrapoliert wird. Ein Material mit einem höheren Wert für den Festigkeitskoeffizienten ist im elastischen Bereich widerstandsfähiger gegen Ermüdungsschäden.
• Festigkeitsexponent (Strength Exponent) – Der Festigkeitsexponent definiert die Steigung des elastischen Anteils der Dehnungs-Lebensdauer-Kurve auf einer doppelt-logarithmischen Skala. Ein stärker negativer Festigkeitswert stellt eine steilere Steigung dar, was auf eine schnellere Verringerung der Ermüdungsfestigkeit bei Spannung hinweist.
• Duktilitätskoeffizient (Ductility Coefficient) – Der Duktilitätskoeffizient stellt den Schnittpunkt der Ermüdungsduktilität dar, der der plastischen Dehnungsamplitude bei einer Lastumkehrung entspricht. Er wird in Dehnungs-Lebensdauer-Ermüdungsanalysen verwendet und stellt den Anteil der plastischen Dehnung an der Ermüdungsfestigkeit dar. Ein höherer Wert für den Duktilitätskoeffizienten bedeutet, dass ein Material mehr plastische Verformungen tolerieren kann, bevor es versagt.
• Duktilitätsexponent (Ductility Exponent) – Der Duktilitätsexponent definiert die Steigung des plastischen Anteils der Dehnungs-Lebensdauer-Kurve. Er wird nur für Dehnungs-Lebensdauer-Ermüdungsanalysen verwendet und steuert, wie schnell die Ermüdungsfestigkeit bei zunehmender plastischer Dehnung abnimmt. Der Wert des Duktilitätsexponenten ist typischerweise negativ. Ein stärker negativer Wert des Duktilitätsexponenten impliziert, dass das Material bei plastischer Verformung schnell an Ermüdungsfestigkeit einbüßt.
• Zyklischer Festigkeitskoeffizient (Cyclic Strength Coefficient) – Der zyklische Festigkeitskoeffizient definiert die Spannung, die erforderlich ist, um bei stabilisierter zyklischer Last eine plastische Einheitsdehnung zu erzeugen. Er wird für zyklisches Spannungs-Dehnungs-Verhalten verwendet und wird benötigt, um elastische Spannungen in zyklische plastische Dehnungen umzuwandeln. Er ist wichtig für die Dehnungs-Lebensdauer-Ermüdung sowie für Mittelspannungskorrekturen. Ein höherer Wert für den zyklischen Festigkeitskoeffizienten bedeutet einen höheren Widerstand gegen zyklische plastische Verformung.
• Zyklischer Kaltverfestigungsexponent (Cyclic Strain Hardening Exponent) – Der zyklische Kaltverfestigungsexponent definiert die Nichtlinearität der zyklischen Spannungs-Dehnungs-Kurve. In Verbindung mit dem zyklischen Festigkeitskoeffizienten bestimmt er, wie die Spannung in Abhängigkeit von der plastischen Dehnung unter zyklischer Last zunimmt. Er beeinflusst die Dehnungsamplitude und wird in Berechnungen der Ermüdungsfestigkeit verwendet. Ein höherer Wert für den zyklischen Kaltverfestigungsexponenten bedeutet eine stärkere zyklische Kaltverfestigung, während ein niedrigerer Wert darauf hindeutet, dass das Material unter zyklischer Last leichter weich wird.
Ermüdungsanalysen ausführen
Schritt 1: Strukturmechanische Analyse durchführen
1. Erzeugen Sie eine strukturmechanische Studie, und wenden Sie Lasten, Randbedingungen und Materialien an.
2. Führen Sie die Simulationsstudie aus, und stellen Sie sicher, dass Spannungs- oder Dehnungsergebnisse verfügbar sind.
Schritt 2: Ermüdungsverhalten definieren
1. Klicken Sie auf den Pfeil neben Ergebnisse definieren (Define Results), und wählen Sie 
Ermüdungsverhalten (Fatigue Behavior) aus.
Ermüdungsverhalten (Fatigue Behavior) aus.2. Wählen Sie im Dialogfenster Ermüdungsverhalten (Fatigue Behavior) einen der folgenden Analysetypen aus:
◦ Spannungs-Lebensdauer (Stress life) – Die Spannungs-Lebensdauer-Analyse wird in der Regel für Ermüdung bei hohen Zyklen verwendet und berechnet die Ermüdung anhand von Spannungsergebnissen und Spannungs-Lebensdauer-Kurven.
◦ Dehnungs-Lebensdauer (Strain life) – Die Dehnungs-Lebensdauer-Analyse wird in der Regel für Ermüdung bei niedrigen Zyklen verwendet und arbeitet mit dehnungsbasierten Gleichungen. Für diese Methode müssen Sie den Grenzwert für die unendliche Lebensdauer sowie weitere Dehnungs-Lebensdauer-Werte definieren.
3. Wählen Sie in der Liste Komponente (Component) die Spannungs- oder Dehnungskomponente aus, die für die Ermüdungsberechnungen verwendet werden soll.
4. Wählen Sie eine der folgenden Optionen für den Typ der Last aus:
◦ Vollständig umgekehrt (Fully reversed) – Dies ist eine Last mit konstanter Amplitude und einem Mittelwert null. Die maximalen Spannungen (oder Dehnungen) wechseln symmetrisch zwischen gleichem Zug oder gleicher Komprimierung.
◦ Null (Zero) – Bei diesem Typ von Last mit konstanter Amplitude schwanken die Spannungen zwischen null und einem positiven Wert. Der Mittelspannungswert ist ungleich null.
◦ Verhältnis (Ratio) – Bei diesem Typ von Last mit konstanter Amplitude schwanken die Spannungen zwischen zwei Werten, die durch das Lastverhältnis definiert sind.
Geben Sie bei Auswahl des Lasttyps Null (Zero) oder Verhältnis (Ratio) die folgenden Einstellungen an:
◦ Theorie der Mittelspannung (Mean stress theory) – Wählen Sie für das Spannungs-Lebensdauer-Verhalten entweder Keine (None) Goodman (Goodman) oder Gerber (Gerber) aus. Weitere Informationen zur Auswahl der Theorie der Mittelspannung für das Ermüdungsverhalten finden Sie im Thema Richtige Mittelspannungskorrektur für Ihre Ermüdungsanalyse wählen.
Wählen Sie für das Dehnungs-Lebensdauer-Verhalten entweder Keine (None), Morrow (Morrow) oder SWT (SWT).
◦ Lastverhältnis (Loading ratio) – Geben Sie das Lastverhältnis an. Ein Lastverhältnis von 3 bedeutet, dass Spannungen oder Dehnungen zwischen der tatsächlichen Amplitude und dem 3-Fachen der Amplitude variieren, bei einem Mittelwert in Höhe des 2-Fachen der Amplitude.
5. Geben Sie den Skalierungsfaktor an. Dies ist ein Multiplikationsfaktor, der auf den Mittelwert und die wechselnden Werte angewendet wird.
6. Geben Sie den Wert der folgenden weiteren Einstellungen an:
◦ Unendliche Lebensdauer (Infinite life) – Dies ist die maximale Lebensdauer für Analysen vom Typ Dehnungs-Lebensdauer.
◦ Konstruktionslebensdauer (Design life) – Legen Sie die Lebensdauer fest, für die das Modell konstruiert wird.
◦ Lebenseinheiten (Life units) – Wählen Sie die Einheiten für die Lebensdauer aus. Dabei kann es sich um Werte in Blöcken, Tagen, Minuten, Sekunden usw. handeln.
7. Klicken Sie auf OK (OK), um das Ermüdungsverhalten zu erzeugen.
Schritt 3: Ermüdungsergebnisse definieren
1. Klicken Sie auf > 
Isolinienplot (Contour Plot).
Isolinienplot (Contour Plot).2. Wählen Sie in der Liste Ergebnistyp (Results type) die Option Andere (Others) aus, um das Dialogfenster Andere Ergebnistypen (Other Result Types) zu öffnen. Erweitern Sie die Gruppe Ermüdung (Fatigue), und wählen Sie das gewünschte Ermüdungsergebnis aus.
3. Wählen Sie Volumenkörper oder Komponenten als Referenzen aus.
4. Wählen Sie ein vorhandenes Ermüdungsverhalten aus, oder erzeugen Sie ein neues.
5. Wenn die Studie transient ist, wählen Sie den Simulationsschritt aus.
6. Klicken Sie auf OK (OK), um das Ermüdungsergebnis zu berechnen und anzuzeigen.
Schritt 4: Ergebnisse prüfen und aktualisieren
Ermüdungsergebnisse werden als Isolinienplots angezeigt. Wenn ein Ermüdungsverhalten geändert wird, werden alle zugehörigen Ergebnisse im Modellbaum als veraltet gekennzeichnet und müssen bei einer Aktualisierung neu ausgewertet werden.
Unterstützte Ermüdungsergebnisse
Ermüdungsergebnisse sind nur als benutzerdefinierte Isolinienplots verfügbar. Vektorplots und Taster werden als Ermüdungsergebnisse nicht unterstützt.
Für ein Ermüdungsverhalten können die folgenden Ermüdungsergebnisse definiert werden:
• Biaxialanzeige
• Äquivalente Wechselspannung (Verwenden Sie für Ergebnisse vom Typ "Äquivalente Wechselspannung" das Spannungs-Lebensdauer-Ermüdungsverhalten.)
• Ermüdungsschaden
• Ermüdungsfestigkeit
• Sicherheitsfaktor
Nähere Informationen zur Interpretation dieser Ergebnisse finden Sie im Thema Ergebnisse in Ermüdungsstudien interpretieren.