Simularea propagării fracturilor utilizând tehnologia SMART în Ansys Mechanical

Integritatea structurală este foarte importantă pentru toate componentele mecanice. Evitarea problemelor legate de durabilitatea produsului prin defecțiuni precum fractura poate ajuta la reducerea costurilor de garanție și de reparații ale pieselor. Fracturile pot apărea atunci când se formează și se propagă fisurile, putând provoca defecțiuni majore ale pieselor. Mecanica fracturilor este disciplina care ne ajută să studiem astfel de defecte. Folosește concepte din mecanica aplicată și știința materialelor pentru a lua în considerare în mod direct efectul combinat al tensiunii mecanice și defectelor, putând prezice modul în care o fisură crește într-o anumită structură mecanică și, prin urmare, cum îi afectează rezistența și integritatea.

Testele de fracturi pentru diversele componente și structuri sunt cheia pentru determinarea siguranței, fiabilității și longevității acestora. În trecut, inginerii au trebuit să se bazeze pe prototipuri și teste fizice pentru a efectua analiza fracturilor. Ansys Mechanical permite simulări de înaltă calitate astfel încât se poate determina duritatea unei piese mai rapid decât oricând.

Simularea SMART (Separating Morphing and Adaptive Remeshing Technology) este cea mai recentă dintr-o serie lungă de inovații Ansys, concepută pentru a rezolva problema critică a inițierii și creșterii fisurilor în piesele proiectate.

Ansys Mechanical consideră simularea SMART de propagare a fisurilor ca fiind cvasistatică. Așadar se poate utiliza metoda SMART pentru a efectua fie o simulare statică simplă, fie una de propagare a fisurilor la oboseală.

Cu metoda de discretizare nestructurată (UMM) din Ansys Mechanical, inginerii pot reduce timpul de pre-procesare utilizând mesh constituit în totalitate din tetraedre care este generat automat prin metoda UMM în zona frontului de fisură, obținând în același timp rezultate de înaltă precizie la fel ca în cazul unei simulări care folosește un mesh ideal constituit în totalitate din hexaedre. Timpul de discretizare dar și de soluționare este astfel redus considerabil.

Când o fisură începe să crească, se generează un nou mesh. Pentru a determina corect comportamentul de creștere a fisurilor, orice încărcare externă asociată cu volumul rediscretizat trebuie transferată de pe vechiul mesh pe noul mesh.

Condițiile la limită care nu se află în volumul rediscretizat sunt menținute așa cum au fost definite inițial. Dacă nu se specifică altceva referitor la condițiile la limită, se presupune că acestea sunt asociate cu volumul rediscretizat. Prin urmare, pentru a obține o soluție corectă, trebuie să ne asigurăm că sunt aplicate corect.

Mecanica fracturilor prin definiție se ocupă de studiul fisurilor, iar o singularitate de stress există întotdeauna în jurul frontului fisurii. Prin urmare, soluția cu elemente finite va depinde întotdeauna de dimensiunile elementelor, în special în jurul frontului fisurii. Pentru a asigura rezultate consistente pe tot parcursul procesului de propagare a fisurilor, trebuie menținută o dimensiune constantă a elementelor în zona frontului fisurii și un increment constant de extindere a fisurilor. Aceasta se face asociind un control local al dimensiunii elementelor cu frontul fisurii. În felul acesta, în orice locație ajunge frontul fisurii la un moment dat, elementele din vecinătatea frontului fisurii au aceeași dimensiune.

SMART actualizează mesh-ul automat corespunzător creșterii fisurilor la fiecare pas al soluționării. Actualizarea mesh-ului se realizează numai în zona frontului fisurii, această capabilitate fiind integrată în solverul Mechanical APDL, rezultând astfel o soluție eficientă din punct de vedere al timpului de calcul.

Calculul propagării fisurilor are loc în faza de soluționare după calculul stress-ului. Mai întâi se calculează parametrul de fractură, urmat de extinderea fisurii conform metodei de propagare a acestora.

Când criteriul de rupere este atins pentru tipul de propagare a fisurilor specificat, SMART determină dimensiunile de propagare a fisurilor pe baza noilor suprafețe ale acestora și generează mesh pentru aceste suprafețe. Nodurile corespunzătoare acestor noi suprafețe sunt eliberate pentru a forma noua fisură.

Pentru propagarea fisurilor la oboseală, incrementul minim de extensie a fisurilor, incrementul maxim de extensie a fisurilor și incrementul numărului de cicluri trebuie să fie suficient satisfăcute în timpul soluționării pentru a asigura o schimbare robustă a mesh-ului. Simularea de propagare a fisurilor la oboseală se bazează pe legea Paris.

Propagarea fisurilor depinde și dacă criteriul de rupere este îndeplinit de-a lungul nodurilor de pe frontul fisurii. Prin urmare, un pas mare de timp poate duce la o supra-predicție semnificativă a parametrilor de rupere. Un pas mare de timp poate provoca, de asemenea, valori mari ale rezultatelor atunci când creșterea fisurilor devine instabilă. În ambele cazuri, trebuie să se utilizeze un pas de timp mic.

O componentă critică a metodei SMART este regenerarea mesh-ului ca urmare a creșterii fisurilor. Atunci când o fisură crește, profilul acesteia poate deveni foarte complex chiar și pentru o geometrie inițială simplă a fisurii și din acest motiv regenerarea mesh-ului nu are întotdeauna succes. Dacă întâmpinăm un astfel de eșec, există două recomandări:

• Se ajustează mesh-ul inițial. O diferență foarte mare de dimensiune a elementelor adiacente poate uneori să conducă la eșecul regenerării mesh-ului

• Se încearcă un număr diferit de contururi pentru calcularea parametrilor de rupere. SMART folosește numărul de contururi ca referinţă pentru determinarea volumului pe care se regenerează mesh-ul. Se pot utiliza 4 până la 6 contururi.

Ipoteze și limitări ale metodei SMART:

• Propagarea dominantă a fisurilor se realizează în modul I
• Criteriile de rupere luate în calcul sunt factorul critic de intensitate a tensiunii și J-integral
• SMART permite studiul propagării fisurilor doar pe modele 3D
• SMART este utilizat numai cu tipul de element SOLID 187
• Selecțiile (Named Selection) de noduri sau elemente nu sunt menținute după re-meshing
• Permite doar material elastic, linear și izotrop, iar pe un model cu fisuri este permis un singur material
• Neliniaritățile de geometrie (ex. flambaj) sau de material (ex. plasticitate) și efectele de închidere a fisurilor nu sunt luate în considerare
• Pentru modelele cu fisuri multiple, fuziunea fisurilor nu este acceptată. Când două fisuri tind să se unească, apare o eroare de mesh care oprește procesul de soluționare din cauză ca mesh-ul nu poate fi regenerat

Simularea propagării fracturilor utilizând metoda SMART este posibilă cu licența Ansys Mechanical Enterprise și de asemenea cu licențele academice.