В конце статьи расскажем про успешные испытания на усталость и долговечность грузовиков Ford Otosan с помощью Siemens Simcenter, а пока немного теории.
1. Немного об усталости
Усталость, как наука, началась с катастрофы поезда, который шел из Парижа в Версаль в далеком 1842 году, когда из-за усталости металла сломалась ось локомотива и поезд сошел с рельсов с многочисленными жертвами (рис. 1). Ось сломалась неожиданно, в результате чего погибло 50 человек. По итогам изучения причины имелось самое общее понимание того, что накопление большого количества маленьких циклов нагружения может привести к разрушению и неожиданной поломке в металлической части конструкции. Именно после этой катастрофы ученые всерьез взялись за изучение проблемы усталости
Сам термин «усталость» (fatigue) как таковой впервые ввел в оборот в своей книге французский ученый Жан-Виктор Понселе в 1939 году. В настоящее время термин «механическая усталость» определяется как «процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений (деформаций), приводящий к изменению его строения и свойств, образованию и развитию трещин и к разрушению».
Усталостное разрушение обычно происходит в три этапа: на первом этапе обычно образуются микротрещины, на втором этапе они продолжают накапливаться и увеличиваться, на третьем этапе происходит разрушение. Параметры, характеризующие усталость, требуется оценивать как теоретически, так и экспериментальным путем, для чего проводят усталостные испытания. На этот вид испытаний, например, разработан и введен стандарт - ГОСТ 25.507-85 «Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЯ НА УСТАЛОСТЬ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РЕЖИМАХ НАГРУЖЕНИЯ. Общие требования». Этот стандарт устанавливает лишь общие требования, но существуют и другие стандарты, более конкретные и также связанные с усталостными испытаниями. Среди основных целей таких испытаний: «обеспечение требуемой надежности и долговечности деталей при их минимальной металлоемкости с минимальными материальными и технологическими затратами для заданной достоверности и выборки относительно малого объема».
2. Современные подходы к испытаниям на усталость
Для проведения испытаний на усталость существует несколько методик, описанных в стандартах. Классическими методами таких испытаний считаются усталостные испытания на разрывных машинах (рис. 2), электросервогидравлических вибростендах (рис. 3) и других испытательных устройствах. При этом на этих нагружающих устройствах моделируются и воспроизводятся нагрузки, соответствующие эксплуатационным или рассчитанные по определенным в стандартах правилам
Из всего многообразия методик оценки усталости и долговечности представляют интерес только две методики, для которых имеется программно-методическая реализация в пакете Simcenter Testlab: это так называемый синтез миссий (Mission Synthesis), а также пакет TecWare.
Синтез миссий (Mission Synthesis) основан на анализе полного жизненного цикла изделия и выделению из него типичных ситуаций нагружения, например, транспортировка к месту эксплуатации, полетные нагрузки и т.п. Каждая из этих ситуаций характеризуется длительностью цикла в часах и реально записанными нагрузками в формате временных сигналов, спектров и других сигналов в виде виброускорения.
Далее все многообразие нагрузок пересчитывается и сводится к нескольким типам нагружения: спектрам ударного отклика (SRS), если таковые ударные нагрузки были, спектрам максимального отклика (MRS), отображающим отклики на повторяющуюся низкоуровневую нагрузку и спектрам усталостного повреждения (FDS), которые считаются на основе выделения из временных непериодических нагрузок повторяющихся циклов нагружения и с помощью кривой Вёлера оценивают накопленный потенциал повреждаемости. В пакете программ Simcenter Testlab обычно используется в качестве метода подсчета циклов метод диапазонных пар.
Далее для учета реальных нагрузок вводится специальный коэффициент запаса, который вычисляется с помощью статистических функций. Наиболее часто для уровня нагрузок принимается логарифм-нормальная функция распределения. Найденный коэффициент (-ы) запаса умножается на соответствующие спектры MRS и FDS. Уточненные с помощью коэффициента запаса спектры MRS, SRS и FDS определенным образом комбинируются в одну программу нагружения с учетом их реальной роли в процессе эксплуатационного нагружения. Это и является окончательным этапом выработки программы испытаний. В финале появляется синусоидальная развертка или случайный сигнал, который будет формировать адекватную программу испытания. Если усталостные свойства являются критичными, то данная спектральная плотность мощности, базирующаяся на функциях эксплуатационного профиля и факторе испытания, должна иметь FDS, охватывающий FDS эксплуатационного (опорного) профиля. Окончательная программа испытаний реализуется с помощью вибростенда, воспроизводящего все рассчитанные нагрузки. Это и есть синтез миссий.
Для обработки данных усталостных испытаний применяются разные статистические методы. Один из них - метод оценки циклических нагрузок - метод дождя (Rainflow) представляет собой метод схематизации случайного нагружения конструкции, реализованный на программном уровне. Одним из преимуществ данного метода расчета нагружения является то, что он может выполняться в реальном масштабе времени. Суть данного метода заключается в том, что в процессе реального нагружения по специальной методике выделяются полные циклы нагрузки, которые подсчитываются, накапливаются и могут визуализироваться в предельно наглядном виде, в виде так называемых диаграмм дождевых капель – Rainflow-диаграмм. Одна из таких диаграмм показана ниже, на рис. 4
На этой диаграмме показано, в виде точек, распределение рассчитанных к какому-либо моменту времени количество полных циклов нагружения, разбитых на классы (уровни размахов нагружения). Методика подсчета «капель» соответствует ГОСТ 25.101-83 «Методы схематизации случайных процессов нагружения элементов машин и конструкций и статистического представления результатов». Данная методика полностью реализована в Simcenter Testlab и TecWare и может быть использована в процессе обработки результатов испытаний на усталость и долговечность.
В распоряжении компании Динамикс engineering.dynamx.ru существует целый пакет программ, который называется Simcenter TecWare, предназначенный для комплексного решения задач в области испытаний на усталость и долговечность. В этом пакете программ можно выполнить практически все действия по обработке данных нагружения, формирования нагрузок и расписаний, но само нагружение необходимо выполнять под управлением других программ. В этот пакет TecWare входят программные средства по следующим направлениям:
· обработка данных и анализ циклической долговечности;
· многоосевой подсчет циклических нагрузок по методу «дождевых капель»;
· анализ усталости для вращающихся механизмов с учетом их специфики;
· расчет и организация ускоренных усталостных испытаний;
· оптимизация плана (расписания) усталостных испытаний;
· синтез данных по нагружению.
3. Испытания на усталость и долговечность.
ООО «Динамикс» engineering.dynamx.ru также имеет в своем распоряжении полное законченное решение - программно-аппаратный комплекс, который может быть использован для испытаний на усталость и долговечность. В состав этого комплекса входят: аппаратная часть, представленная несколькими многоканальными крейт-контроллерами Siemens Scadas Mobile, которые можно объединять в единую синхронизированную по времени систему, пакет программ Simcenter Testlab и TecWare, состоящий из более чем 88 приложений, обеспечивающих поддержку вибронагружения, модального анализа, акустики и т.п.
С помощью этого комплекса можно выполнить предварительное планирование усталостных испытаний, регистрацию нагрузок в форматах виброускорения, тензонапряжения, давления и других типов датчиков, до 100 каналов одновременно с частотой дискретизации до 204,8 Гц, прием сигналов с CAN-шины, GPS, пост-обработку данных, а также генерацию выходных сигналов для формирования управляющих сигналов для вибростендов и других устройств.
Укрупненно все эти возможности можно свести к нескольким видам испытаний:
- дорожные испытания (автомобильная индустрия) с регистрацией разных нагрузок;
- виброиспытания относительно небольших узлов (приборов и т.п.) на вибростенде (приборостроение);
- виброиспытания больших агрегатов на вибростендах заказчика (аренда оборудования)
- распределенная регистрация эксплуатационных нагрузок при испытаниях на усталость.
- испытания вращающихся механизмов типа турбин, ДВС, компрессоров и т.п.
4. Пример применения.
Можно испытания на усталость проводить так...
А можно и немного по-другому. Ниже показан пример, как можно выполнить ускоренные испытания большегрузного автомобиля на усталость, создаваемого турецкой компанией Otosan совместно с Ford в начале 2000-х годов.
Одним из критических требований в процессе создания грузовика было прохождение испытания на прочность конструкции, эквивалентного прохождению 1,2 миллиона километров по турецким дорогам без каких-либо трещин в критических системах подвески, рамы и кабины. Даже если грузовик будет проезжать 1000 километров в день, на выполнение этого теста в условиях реального дорожного движения уйдет почти три года. Совместное предприятие Ford Otosan решила привлечь внешнего инженера-партнера для создания сценария ускоренных полигонных испытаний, который соответствует усталостным повреждениям, которые грузовик испытывает на протяжении всего срока службы. В качестве такого партнера была выбрана компания Siemens с ее опытом и возможностями.
В результате команда Ford Otosan совместно с Siemens Digital Industries Software разработала цикл испытаний на долговечность своего нового дорожного грузовика. Эксперты Simcenter™ Engineering Services выполнили специальный сбор данных, применили обширные методы обработки данных о нагрузке и разработали ускоренную последовательность путей и сценарий ускоренных 4-недельных испытаний на стенде, которые соответствовали усталостным повреждениям, вызванным 1,2 миллионами километров (720 000 миль) дорожного движения.
Проанализировав и выполнив работу по подготовке графика испытаний, Siemens и Ford Otosan продолжили свой совместный проект, проведя определенную серию испытаний на трассе и оценив сопротивление автомобиля усталости. Автомобиль регулярно осматривали на наличие трещин. Инженеры Siemens документировали каждый сбой с описанием и фотографиями и передавали их инженерам Ford Otosan, которые использовали их для улучшения конструкции, устранения проблем и создания нового прототипа. После нескольких циклов сборки и испытаний компания Ford Otosan модифицировала конструкцию до такой степени, что она прошла всю последовательность испытаний на треке.
Параллельно команда инженеров Siemens также использовала график полигонных испытаний для создания последовательности испытаний кабины грузовика на испытательном стенде с четырьмя стойками. Испытание кабины на таком испытательном стенде позволяет оптимизировать ее усталостные характеристики перед наземными испытаниями, поскольку физический прототип кабины грузовика становится доступным раньше, чем полноценный прототип автомобиля.
Испытание кабины на стенде также выполняется быстрее, поскольку исключается время простоя на испытательном полигоне, например, для ремонта вспомогательных систем, не охваченных испытанием.
Один из турецких инженеров, руководитель работ Арслан объясняет: «Следующий этап был направлен на расчет оптимального сочетания последовательностей тестовых треков и событий, которые соответствуют цели в 1,2 миллиона километров. Например, эти анализы могут определить, что требуется 200 проездов по бельгийским блокам, 70 выбоин и 50 внедорожных трасс. Программное обеспечение Simcenter Tecware позволило нам установить конкретные цели для последовательностей нагрузки, например минимизировать время, необходимое для выполнения тестов, или добиться наилучшей корреляции независимо от затрачиваемого времени».
«Испытания кабины грузовика на испытательном стенде с четырьмя балками заняли всего четыре недели, что составляет примерно половину времени, необходимого для цикла полигонных испытаний», — говорит Арслан.
Инжиниринговая компания Динамикс оказывает услуги по проведению данных испытаний. С более подробной информацией Вы можете ознакомиться на сайте www.engineering.dynamx.ru