winLIFE
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Life Information using
Finite Elements

Cálculo de Vida a Fatiga integrado
en FEMAP & NX Nastran

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Novedades de winLIFE 3.2
Novedades de winLIFE 3.0
Información sobre winLIFE BASIC
Información sobre winLIFE MULTIAXIAL
Info winLIFE GEARWHEELS & BEARINGS
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Info versión DEMO de winLIFE BASIC
Lecture Kit winLIFE BASIC para Universidades
Lecture Kit winLIFE MULTIAXIAL para Universidades

Descripción

El programa winLife (Life Information using Finite Elements) desarrollado por Steinbeis-Transferzentrum (Alemania) permite calcular la vida a fatiga de componentes estructurales solicitados por cargas dinámicas. La integración de winLife con FEMAP & NX Nastran permite realizar el cálculo de fatiga en base a los resultados de tensiones obtenidas con el solver NX Nastran.

El programa consta de los siguientes módulos:

winLIFE 
BASIC

winLIFE 
MULTIAXIAL
winLIFE 
GEARWHEELS & BEARINGS
El cómputo de la vida a fatiga se puede realizar utilizando el Método Clásico basado en el cálculo a fatiga con tensión nominal uniaxial alterna (Nominal Stress Method), el método de tensiones locales (Elastic Notch Stress Method), o el Método de Deformación Local (Local Strain Approach) utilizando factores de entalla de forma habitual para describir los efectos locales en la grieta. Módulo adicional al paquete básico que se utiliza para calcular la vida a fatiga de piezas bajo cargas dinámicas con cambios considerables en la dirección de las tensiones principales. Módulo adicional para calcular la vida a fatiga en dientes de engranajes y rodamientos

 


Generador de informes 

 

Métodos de Análisis de Fatiga en winLIFE

winLIFE soporta los métodos más importantes de análisis de vida a fatiga:

 

Nominal Stress Method

Elastic Notch Stress Method
(Local Stress Method)

Local Strain Approach
(Strain Life Method)

Life-Curve:

  • Component life curve.

  • S-N curve for the total component including all parameters.

  • For the material.

  • S-N curve gives relation between local stress and cycle number.

  • Stress concentration factor is not needed, because the local stress is used.

  • Material data needed:

    • Stress-Strain Curve

    • ε-N curve

    • Damage parameter life curve

Achieving life curve:

  • Generation of component life curves based on static material data, surface roughness, notch geometry, stress gradient.

  • Is possible and is supported by winLIFE. For first analysis sufficient.

  • Generating based on static material data.
  • The local conformity is due to consideration of surface roughness and stress gradient.

  • Generation of life curves based on static material data is possible and is supported by winLIFE.

  • For first analysis is sufficient.

Fatigue life calculation
until:

  • Mostly  until fracture, but sometimes life curves until crack are used too.

  • Crack or fracture, depending on S-N-curve.

  • Crack

Mechanical sizes taken into account:

  • Nominal stress.
  • Stress concentratio factor.
  • Stress gradient.
  • Local elastic stress.
  • Related stress gradient.
  • Local stress.
  • Local strain.

Limitations of the method:

  • Problems in the range of low cycle fatigue (<1000 cycles), because plastic material properties are not considered.

  • Problems in the range of low cycle fatigue (<1000 cycles), because the plastic properties are not considered properly.

  • The real transient material behaviour differs more or less from the assumed stabilised material properties.

Combination with Finite Elements:

  • No automatic process possible.

  • Automatic data transfer and analysis from and to FE-programs is possible.

  • Automatic data transfer and analysis from and to FE-programs is possible.

Experience and advantages of the results:

  • Many companies have a lot of experience with this method and a comparison is simple.
  • This enables an engineer with experience in fatigue calculations to make fatigue life predictions.
  • At least as good as comparative methods as far as the results for local strain approach are concerned. Theory and material description are not as complex and if the user has experience of  the nominal stress method then he will have no difficulties with this program.

  • Compared to the local strain approach, the sensitivity to individual material parameters is small.

  • A method which continues to gain in importance.

  • A lot of experimental results and a lot of research publications enable analysis of a large variety of problems including special surface treatments, eigenstresses.
  • To understand the results, a sound knowledge of  mechanics and material physics is necessary.

 

Los métodos basados en la curva S-N son los menos exactos, especialmente para fatiga de ciclos bajos. Pero son los más tradicionales, debido a que es sencillo de implementar para un amplio rango de problemas de diseño, y representa de forma adecuada los problemas de ciclos altos.

El método Local Strain Approach es más elavorado y requiere un análisis más detallado de la deformación plástica en regiones donde consideren las tensiones y deformaciones para estimación de vida a fatiga. Este método es especialmente recomendado para cálculo de fatiga de ciclos bajos. En este caso los datos de vida a fatiga a introducir en winLIFE consisten puramente en datos de materiales:

Curva cíclica de Tensión-Deformación.
Curva ε-N de deformación vs. nº de ciclos
Curva de parámetro de daño vs. nº de ciclos para considerar la sensibilidad a la tensión media. Hay gran cantidad de parámetros de daño diferentes, el más conocido es el PSWT según Smith-Watson-Topper.

 

Al contrario del Nominal Stress Method el método Local Strain Approach requiere conocer las tensiones y deformaciones reales en la zona de interés. Este dato puede ser calculado por el Método de los Elementos Finitos mediante un análisis elástico de tensión-deformación realizando una transformación a tensiones reales mediante la regla de Neuber. 


El uso del método Local Strain Approach tiene las siguientes ventajas e inconvenientes:

Es posible utilizar un procedimiento automático en combinación con el Método de Análisis por Elementos Finitos lo que significa que el usuario no debe buscar el punto crítico.

Los datos para describir la vida a fatiga son puros datos del material. Esto resulta en un uso más universal del método.

Incluye el comportamiento real de tensión-deformación del material, por tanto las tensiones plásticas se modelizan correctamente.

Una desventaja del método Local Strain Approach es que la teoría es mucho más compleja y los resultados son más difíciles de seguir para el usuario. Este problema es, sin embargo, contrarestado por el hecho de que winLIFE le da al usuario un gran soporte proporcionando resultados parciales para ayudarle a entender el procedimiento de cálculo.

Otra desventaja es una ley de material más compleja, pero debido a que las curvas de material son puros datos de material y pueden usarse de forma universal, el método Local Strain Approach es el método más conveniente.

Debido a una mayor experiencia en el Nominal Stress Method, en muchos casos puede ser una buena idea usar ambos métodos. Las difrencias en los resultados ayudará a hacer un análisis crítico de los parámetros utilizados y finalmente obtener una idea del rango de dispersión de los resultados obtenidos.

 

Análisis de Fatiga en Soldaduras con winLIFE

Las uniones soldadas son una fuente importante de reducción de la resistencia a fatiga debido a las tensiones residuales, a posibles fallos de llenado, poros, defectos, y concentración de tensiones. Para realizar un análisis de fatiga en estructuras soldadas existen numerosos procedimientos. Aquí vamos a presentar únicamente las ideas básicas debido a la existencia de diferentes normativas [FKM & Lloyd, GL(Ship), GL(Wind Energy)]. winLIFE permite realizar análisis de fatiga en soldaduras con prácticamente todas las normativas existentes.

Para ver los diferentes procedimientos disponibles y explicar los diferentes tipos de tensiones usadas para el cálculo de fatiga utilizaremos el ejemplo de una placa base rigidizada longitudinalmente. La siguiente figura muestra las tensiones en el punto frontal del rigidizador.


Tensiones en una placa a la que se ha soldado un rigidizador longitudinalmente

 

Existen tres tipos de tensiones que se utilizarán en winLIFE para la predicción de vida a fatiga:

sn: tensión nominal en la placa base. Para usar esta tensión en la predicción de fatiga la información sobre la soldadura debe venir de una curva S-N.

skmax: máxima tensión en la entalla. Depende del nivel de detalle de la malla en la soldadura y existirá una gran dispersión de datos entre distintas soldaduras.

ssmax: máxima tensión estructural. Es la tensión obtenida por extrapolación entre dos (o tres) puntos. La dispersión es limitada comparada con la tensión máxima de entalla y es un método válido para el cálculo de fatiga en soldaduras.

La siguiente tabla muestra los tres tipos de cálculo de soldaduras y sus características mostrando qué propiedad a considerar en cada procedimiento:

 

Cálculo de Fatiga usando:

 

Tensión Nominal sn

Tensión Estructural ssmax

Tensión de Entalla skmax

 

¿Se considera en la tensión?

Component shape:

No

Welding shape:

No

 

¿Se considera en la resistencia?

Component shape:

No

No

Welding shape:

No

Welding:

 

Reglas para utilizar la Máxima Tensión Estructural en Soldaduras

En los inicios Haibach propuso usar galgas extensométricas (strain gauges) en frente de las soldaduras y usar las mediciones de deformaciones unitarias bajo cargas de servicio para realizar predicciones de vida a fatiga. Estableció reglas sobre dónde y cómo colocar las galgas de medición y demostró que se pueden obtener resultados fiables.

Esta idea se puede transferir perfectamente a los cálculos por elementos finitos. De forma similar a las galgas extensométricas, los resultados en los "puntos de medición" se usan para extrapolar las tensiones.

La posición de los puntos de referencia depende del tipo de estructura. La siguiente figura muestra una placa con tres tipos de puntos críticos a fatiga (tipos A, B y C) propuesta por Fricke (Recommended hot spot analysis procedure for structural details of ships and FPSOs based on round-robin FE analyses, Int J Offshore Polar Engng, 20020 12 [1], 40-47):

  1. Weld-toes at the end of an attachment

  2. Weld-toes on the plate edge at the end of an attachments 

  3. Weld toes on the plate surface amid the weld along an attachment

 

 
Los tres tipos de puntos críticos a Fatiga propuestos por Fricke

 

La posición de las galgas depende del espesor de las placas "t". La tensión estructural se obtiene por extrapolación (lineal o no lineal) de la tensión en el borde de la soldadura (weld toe). La siguiente figura muestra que se puede usar una extrapolación lineal o no lineal [casos a) y b)] para los tipos de soldaduras A y C. El tipo de soldadura B requiere una extrapolación según el caso c). 


Posición de las galgas para al cálculo de tensiones críticas (hot spots)

 

Este procedimiento se puede realizar usando los resultados de tensión a partir de un cálculo de elementos finitos. La estructura real se malla con elementos Shell o Sólidos  [elementos CQUAD4 o CEHEXA(8) en NX Nastran]. El tamaño del elemento irá en función del espesor de la placa para crear un modelo de elementos finitos con un tamaño del modelo en nodos y elementos limitado. Las flechas de la figura, incluyendo los círculos, muestran los puntos en donde se leerán las tensiones de referencia (reemplazando las galgas). La extrapolación al borde de la soldadura (weld toe) en el modelo mallado con elementos sólidos [caso b)] o a la intersección entre planos en el modelo mallado con elementos Shell [caso a)] debe realizarse por el usuario. Esta labor se realiza mediante una macro en FEMAP, el pre-procesador de elementos finitos del solver NX Nastran.


Modelo de elementos de una estructura soldada mallada con elementos Shell (a) y elementos sólidos (b) 

 

En modelos basados en elementos Shell la soldadura en general no se modeliza y la malla (nodos y elementos) se coloca en la superficie media de las placas. Unicamente si los cordones de soldadura están situados de forma excéntrica entonces se puede considerar modelizar la soldadura. La siguiente figura muestra algunos ejemplos de mallado de la soldadura en modelos Shell. 

El caso a) muestra dos modelos, en la figura superior no se considera meter en el modelo la soldadura mientras que en la figura inferior se malla la soldadura, en ambos casos se utilizan elementos rígidos RBE2 para unir las placas soldadas.

En el caso b) debido a una posición excéntrica del cordón de soldadura se malla la soldadura con un elemento Shell al que se le asigna un espesor equivalente a la dimensión de la garganta de la soldadura.

El objetivo principal es capturar y tener en cuenta el cambio de rigidez de la estructura y ver la influencia del cordón de soldadura para tomar la decisión de considerar o no el mallado de forma explícita del cordón de soldadura en el modelo de elementos finitos.


Modelado de soldaduras excéntricas en modelos de EF mallados con elementos Shell:
a) Unión entre placas paralelas
b) Unión entre placas en T

 

En el caso de carga proporcional (con pequeños cambios en la dirección de las tensiones principales) se recomienda utilizar el valor de la máxima tensión principal como el parámetro de daño. Para calcular la tensión en el borde de la soldadura se deben conocer las distancias a los puntos de referencia. En estos puntos de referencia P1 y P2  se necesitará conocer los tensores de tensión SP1,i y SP2,i para cada instante de tiempo: 

La siguiente figura muestra el reparto de tensiones en una pieza soldada, donde el Punto P3 representa el borde de soldadura en el cual se desea calcular la vida a fatiga de la pieza. Los Puntos P1 y P2 están situados en la superficie a una distancia de 0.5 t y 1.5 t respectivamente, perpendicular al borde de la soldadura. Un vector unitario n perpendicular al borde de la soldadura también es necesario.


Distribución de tensiones en la soldadura 

 

En el caso donde la dirección de la Máxima Tensión Principal esté entre ±45º en relación con el vector unitario entonces la tensión principal puede usarse para diseñar la soldadura. En el caso donde no se cumpla esta condición, entonces debe realizarse el cálculo por separado del daño resultante de las tensiones normal y cortante. De acuerdo con la propuesta de GL, se puede añadir el daño de forma ponderada por las tensiones normal y cortante.

En el caso donde la dirección de la Máxima Tensión Principal incluya un ángulo mayor de ±45º se propone seguir este procedimiento. Si el ángulo es más pequeño para todos los pasos de tiempo entonces se puede utilizar directamente el valor de la Máxima Tensión Principal para el cálculo de fatiga.

winLIFE siempre da los valores individuales de los resultados de tensiones normal, cortante y principales. El usuario puede combinar estos resultados de acuerdo con sus necesidades.

 

Ejemplos de Aplicación de winLIFE

1. Tren de Engranajes
En el campo de la automoción existen numerosas aplicaciones de winLIFE: embragues, convertidores de par, cajas de cambio, ejes, árboles, trenes de engranajes, engranajes planetarios, muelles de torsión para los asientos de pasajeros, camiones y vehículos agrícolas, etc.. Se han hecho mediciones reales sobre camiones para tener en consideración las condiciones físicas reales. En Alemania existe el famoso circuito de “Nürburgring” sobre el que se tomaron medidas en detalle y se utilizaron para predecir la vida a fatiga de un tren de engranajes. La siguiente imagen muestra las mediciones de Par Torsor vs. Carga para un Mercedes S500 con una caja de cambios automática de 7 velocidades:


Caja de Cambios Automática de 7 velocidades de un Mercesdes S500

 

2. Análisis de Fatiga mediante Elementos Finitos 
Vamos a describir con un ejemplo el proceso de trabajo en winLIFE. La siguiente imagen (Figura 10) corresponde a una pieza de la suspensión de un camión cargada dinámicamente sobre la que vamos a realizar una predicción de vida a fatiga. Debido a la existencia de simetría de cargas y geometría únicamente se estudia la mitad de la pieza. El primer paso es realizar un Análisis por Elementos Finitos para obtener el estado tensional en el componente. Con este objetivo se calcula el estado de tensiones en la pieza para una carga standard Fo. La dirección de la carga standard debe corresponder con la fuerza actuante F(t).

 

Las tensiones elásticas para cada instante de tiempo correspondiente a la carga F(t) se pueden calcular de forma lineal correspondiendo al cociente F(t)/Fo.  Así, si por ejemplo existiera una fuerza F(t) tal como muestra la Figure 11, entonces las tensiones en la pieza se pueden calcular para cada instante de tiempo. En el caso de utilizar el método de Tensión Local, existe una curva actual de tensión-deformación unitaria. Esto significa que el path de tensión actual de cada nodo, incluida la deformación plástica, puede calcularse utilizando la regla de Neuber.

 

La gráfica de carga vs. tiempo de la Fig.11 se obtuvo de forma experimental mediante un ensayo real de conducción. A continuación para extraer las secuencias de tensiones winLIFE utiliza el método de cómputo o de conteo de ciclos denominado rainflow tal como muestra la Fig.12:

 

Los datos del material para el análisis de fatiga son las propiedades cíclicas (Fig.13) y la curva de Daño vs. nº de ciclos (Fig.15) de Smith-Watson-Topper

 
Datos de material para el análisis de fatiga 

 

A partir del conteo de ciclos de rainflow y las propiedades cíclicas se calcula el path de tensión-deformación (Fig. 14). En base al conteo de ciclos de rainflow y la curva de daño vs. nº de ciclos se calcula la suma de daño para cada nodo del modelo de elementos finitos. Los resultados de daño a fatiga se importan en FEMAP y se prostprocesan en pantalla mediante contornos en color sobre el modelo de elementos finitos

 

3. Problema de Fatiga Multiaxial
La siguiente figura muestra un ejemplo de una pieza de dirección bajo cargas dinámicas. Está cargada mediante fuerzas verticales y horizontales F1 y F2 . Debido a que las fuerzas no son proporcionales, existirá un gran cambio en la dirección de las tensiones principales. Este problema se considera un caso de Fatiga Multiaxial.

 

Contacto IBERISA

 

Catálogos en PDF :
winLIFE 3.3 Data Sheet (27 KB)
winLIFE 3.3 Novedades (27 KB)
winLIFE 2.3 Novedades (27 KB)
winLIFE 2.3 Basic (598 KB)
winLIFE 2.3 Gear Wheels & Bearings (242 KB)
winLIFE 2.3 Multi-Axial (717 KB)
Validación Numérica de la Fórmula de Neuber en el Análisis por Elementos Finitos (303 KB)
Fatigue Life Estimation using winLIFE (210 KB)
Fatigue Life Design of Gearboxes with winLIFE (284 KB)

Enlaces interesantes:
Steinbeis - Transferzentrum: New Technologies in Traffic Engineering

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