Появление трещин в детали – это, конечно, плохая новость. Появившаяся трещина может развиться до критического размера, когда она приведёт к разрушению детали. Для устранения проблем необходимо либо с повышенной частотой производить осмотр конструкции, либо полностью заменить деталь.

Инженеры прикладывают огромные усилия для того, чтобы уменьшить образование трещин в конструкции. Но в современных оптимизированных конструкциях, спроектированных без чрезмерных запасов, трещины неизбежно появляются. Чтобы избежать разрушения или преждевременной замены детали, необходимо располагать точными моделями того, что будет происходить с конструкцией, в которой растёт трещина. Для решения этой задачи проводятся расчёты механики разрушения.

Стоит отметить, что ручное создание конечноэлементных сеток для задачи распространения трещины может занять дни и даже недели. А чем больше времени тратится на, в общем-то, вспомогательный этап, – создание сетки, – тем меньше времени остаётся непосредственно на проведение расчёта, анализ результатов и, в конечном итоге, на принятие мер по замене или ремонту детали.

Не так давно в арсенале продукта ANSYS Mechanical появился метод расчёта параметров механики разрушения для неструктурированных сеток UMM (Unstructured Mesh Method). Это открыло возможность для формирования удобного автоматического инструмента для расчёта задач распространения трещины, который позволяет избежать затрат времени на ручное построение сетки.

Трудности компьютерного моделирования роста трещин

В задачах механики разрушения традиционно использовались строго структурированные сетки в окрестности фронта трещины, состоящие из концентрических слоёв гексаэдрических (hex) и призматических (wedge) конечных элементов. Такой подход обеспечивал разбитие сложной геометрии у фронта трещины в условиях неразвитых методов автоматического построения сетки, а также гарантировал сходимость расчёта (наличие трещины приводит к появлению сингулярности на фронте).

В рамках традиционного подхода для расчёта распространения трещины требовалось автоматизированное перестроение сетки, содержащей только гексаэдрические элементы. На реальных деталях со сложными геометрическими формами реализация таких алгоритмов могла представлять существенные затруднения, тем более что направление развития трещины точно определяется только в процессе расчёта, и далеко не всегда может быть задано заранее.

Метод расчёта для неструктурированных сеток (UMM) позволяет решать задачи механики разрушения на сетках, состоящих из тетраэдрических (tet) элементов, – а значит, использовать все преимущества современных алгоритмов по построению сеток в объёмах произвольной формы.

Преимущества расчётов на неструктурированных сетках (UMM) при моделировании распространения трещины

Разработчики ANSYS пришли к выводу, что метод UMM позволяет получать на тетраэдрических сетках результаты, точность которых вполне сопоставима с точностью результатов, полученных на традиционных гексаэдрических сетках. Таким образом, этот метод можно использовать для моделирования распространения трещины.

Основное преимущество UMM состоит в том, что он позволяет работать с сетками, построение которых занимает считанные минуты и происходит в автоматическом режиме, в то время как создание традиционных сеток производится вручную и может занимать недели.

Технология для моделирования распространения трещин в ANSYS Mechanical была названа «SMART» (separating, morphing and adaptive remeshing technology – технология разделения, изменения и адаптивного перестроения сетки).

С практической точки зрения, SMART позволяет рассчитывать скорость роста трещины и количество циклов до разрушения детали.

С точки зрения реализации, SMART обеспечивает полностью автоматическое перестроение сетки по мере продвижения трещины. При этом для расчёта параметров механики разрушения используется метод UMM, гарантирующий высокую точность расчёта без использования построенных вручную структурированных сеток.

Технология SMART, безусловно, позволяет существенно сэкономить время при оценке трещиностойкости конструкций. Дополнительную информацию о SMART можно почерпнуть из данной статьи (на английском языке).

Источник: www.ansys.com
Автор: Richard Mitchell