Analyze Stress- and Strain-Based High- and
Low-Cycle Fatigue with the Fatigue Module


Fatigue Analysis for Many Different Structures and Applications

구조체가 피로에 기인하여 하중이 반복적으로 작용할 때, 정적 한계보다 크기가 작은 임의 하중에 의해 파손이 발생 할 수 있습니다. 임의의 가상 피로해석은 COMSOL Multiphysics 환경 하에서 Structural Mechanics 모듈에 Fatigue 모듈을 추가하여 해석할 수 있는데, 여기에는 피로 모델의 집합을 담고 있습니다. 각 모델의 예제는 재질 혹은 외력의 형태에 의존합니다.

고전적인 응력 혹은 변형률 기반 수명 평가법은 피로 수명에 응력 혹은 변형률 진폭과 관련이 있습니다. 이러한 stress-based와 strain-based 임계평면방법과 더불어, 여러분은 high-cycle, low-cycle 피로 수명 평가를 할 수 있습니다. 비선형 재질에 적용 시, 열적피로(thermal fatigue) 현상을 해석하기 위한 Coffin-Mason 모델이나 energy-based법을 이용할 수 있습니다. 변동하중 고려 시, 누적 손상(accumulated damage)은 하중이력과 피로한계를 이용하여 계산할 수 있습니다.

누적 손상(accumulated damage)은 하중이력과 피로한계를 이용하여 계산할 수 있습니다. 피로하중 사이클은 솔리드, 평판, 쉘, 및 다물체 구조물에 열응력과 변형, 심지어 압전체 효과를 함께 고려하여 적용함으로써 해석할 수 있습니다. 표면 아래나 표면의 피로 개시에 대한 피로를 다룰 경우에는, 연산의 효율성을 위해 도메인, 경계면, 선, 그리고 지점에서 피로평가를 할 수 있습니다.


Fatigue Curve

고전적인 방법을 통해 피로현상을 분석할 경우, 응력 및 변형률 진폭은 피로수명 대비 피로선도와 연관이 있습니다. stress-life과 strain-life 모델은 다양한 방법으로 피로곡선을 정의할 수 있는 분야에서 피로해석 방법의 집합을 제공합니다. 이러한 모델은 예를 들어, 두 개의 값 사이를 오가는 단일 하중이 있을 때 하중에 비례하여 평가하는 모델에 적합합니다. 여러분은 고전적인 S-N곡선, Basquin모델 그리고 근사 S-N곡선을 포함한 stress-life 모델을 통해 high-cycle 피로 해석을 할 수 있습니다. 여러분은 E-N곡선, Coffin-Manson, 그리고 Combined Basquin and Coffin-Manson 모델을 포함한 strain-life 모델을 통해 low-cycle 피로 해석을 수행할 수 있습니다.


Stress- and Strain-Based Critical Plane Models

임계평면 모델(Critical plane model)은 균열의 시작 및 전파 발생지점을 찾아내는 가장 바람직한 방법입니다. 이들은 Fatigue 모듈에서 응력 혹은 변형률 모델에 사용 가능합니다. High-cycle 피로 도메인에서, 소성은 매우 제한적으로 발생하므로, 전통적으로stress-based 모델을 주로 사용합니다. 이는 Fatigue 모듈에서 Findley, Normal stress 그리고 Matake criteria 이론을 통해 계산되며, 피로한계와 달리 fatigue usage factor가 계산됩니다.

Strain-based모델은 변형률 혹은 임계면에서 정의된 응력과 변형률이 조합된 형태에 대한 평가에 사용됩니다. 임계면이 확인되면, 피로발생 예상 사이클을 예측할 수 있습니다. Fatigue 모듈에는 Smith-Watson-Topper(SWT), Fatemi-Socie, Wang-Brown 모델이 있습니다. 이러한 모델들은 주로 변형률이 큰 low-cycle 피로 해석에서 사용됩니다. Neuber’s법칙과 Hoffmann-Seeger 방법은 빠른 선형탄성 해석에서 소성의 효과를 근사화할 때 사용됩니다. 이는 또한 Nonlinear Structural Materials 모듈을 사용하여 탄소성 피로사이클로 간주할 수 있습니다.


Visualizing Your Fatigue Calculations

Fatigue 모듈은 파손이 일어나는 시점의 사이클수뿐 아니라 fatigue usage factor를 함께 계산할 수 있습니다. 누적손상 해석에서, 불규칙 작용하중에 대한 응력분포는 relative usage factor를 이용하여 나타낼 수 있습니다. 이러한 해석은 피로하중의 분포를 나타낼 때, 손상 정도로 나타납니다. 응력분포는 응력크기의 함수와 평균응력의 값으로 나타납니다.


Cumulative Damage Analysis

불규칙하중은 구조에 작용하는 다양한 크기의 하중에 기인한 여러 가지 유형의 응력들을 야기시킵니다. Fatigue 모듈에서 누적손상해석(cumulative damage analysis)은 응력이력에서 전반적인 경향을 나타내지는 않지만, 거기서 각각의 누적손상들을 계산할 수 있습니다. 응력이력은 주응력이나 정수압에 의한 응력들로 결정되는 주응력 혹은von Mises 응력을 이용하여 예측할 수 있습니다. 하중이력은 Rainflow counting algorithm을 이용하여 수행되고, 손상은 Palmgren-Miner linear damage rule을 이용하여 계산할 수 있습니다. R-value의 효과는 제한적인S-N curve를 포함하고 있습니다.

불규칙하중 해석에서 하중의 사이클수가 많으면, 하중사이클 해석은 많은 시간이 소요됩니다. 이것은 비선형성 효과가 나타나지 않으면 현저하게 줄어들 수 있습니다. 이러한 경우에 응력사이클은 중첩법을 이용하여 나타낼 수 있는데, 누적손상해석에서 선택하여 나타낼 수 있습니다. 이러한 기술의 활용은 해석시간의 단축뿐만 아니라 피로평가를 위해 필요로 하는 모델 크기도 현저히 줄일 수 있습니다


Thermal Fatigue

온도 변화에 기인한 재료의 수축 혹은 팽창이 파손에 이를 수 있는데, 이로 인해 발생하는 응력집중현상과 변형률 축적에 대해 소개하도록 하겠습니다. Fatigue 모듈은 이러한 열적피로 모델링을 다룰 수 있는 도구를 제공합니다. 열하중 사이클은 열응력, 줄가열 그리고 Thermal Expansion 인터페이스와 연동하여 해석할 수 있습니다. 열에 의한 피로파괴는 여러 가지 피로모델을 이용하여 평가 할 수 있습니다. 비선형 재질에 있어서는, Coffin-Manson model, energy-based Morrow 그리고 Darveaux와 관련 있습니다. 비탄성 변형률이나 분산에너지와 같은 유용 가능한 사양에 더하여, 피로평가모델은 피로 계산 시 사용자가 변형률 혹은 에너지를 평가하여 구체화 할 수 있습니다.


응력-변형률 곡선을 이용하여 주기수명과 함께 홀 주위의 소성변형 결과를 나타내는 저-사이클(low-cycle) 피로 해석

응력-변형률 곡선을 이용하여 주기수명과 함께 홀 주위의 소성변형 결과를 나타내는 저-사이클(low-cycle) 피로 해석


임계 평면 방법을 이용한 비균등 하중에 대한 High-cycle 피로 해석

임계 평면 방법을 이용한 비균등 하중에 대한 High-cycle 피로 해석


Matrix Histogram plot을 통한 임의의 지점에서 Rainflow counting algorithm을 이용하여 계산된 응력사이클분포. 평균 응력값은 수평축, 응력크기는 수직축에서 나타납니다.

Matrix Histogram plot을 통한 임의의 지점에서 Rainflow counting algorithm을 이용하여 계산된 응력사이클분포. 평균 응력값은 수평축, 응력크기는 수직축에서 나타납니다.


마운트 레지스터의 Solder joint. 열피로 하나의 사이클로 분산 크리프 에너지에 근거한 수명 예측.

마운트 레지스터의 Solder joint. 열피로 하나의 사이클로 분산 크리프 에너지에 근거한 수명 예측.



Vibration Fatigue

진동 피로는 몇 개의 주파수들의 도출된 결과를 가지고 할 수 있는 주파수 영역 해석에 근거한 평가방법입니다. 구조물이 증가하는 주파수-일명 정현파 해석-로 가진될 때 예측되는 일반적인 시험방법에서 도출할 수 있습니다. 진동 피로 해석을 위해 사용되는 설정은 아래와 같습니다:

  • 각 주파수에서 소요된 임의 소요 시간
  • 각 주파수에서 소요된 임의 사이클 수
  • 주파수의 선형 증가
  • 대수형태로 증가하는 주파수





Product Features

  • Fatigue curves
  • Cumulative damage analysis
  • High-cycle fatigue
  • Low-cycle fatigue
  • Stress-life models
  • Strain-life models
  • Stress-based fatigue
  • Strain-based fatigue
  • Energy-based fatigue
  • Thermal fatigue
  • Vibration fatigue
  • Critical plane methods
  • S-N curve criterion
  • Basquin criterion
  • Approximate S-N curve criterion
  • E-N curve criterion
  • Coffin-Manson criterion
  • Combined Basquin and Coffin-Manson criterion
  • Findley criterion
  • Matake criterion
  • Normal-stress criterion
  • Fatemi-Socie criterion
  • Smith-Watson-Topper (SWT) criterion
  • Wang-Brown criterion
  • Morrow mean-stress correction
  • Darveaux criterion
  • Morrow criterion
  • Rainflow counting stress evaluation
  • Palmgren-Miner linear damage rule
  • Approximative methods for fatigue calculations in elastoplastic materials