Mechanika pękania i wytrzymałość zmęczeniowa.

Analizy wytrzymałości zmęczeniowej, stosowane dziś w wielu branżach przemysłu, mają długą historię, sięgającą XIX wieku i prekursorskich badań nad mechaniką pękania elementów taboru kolejowego. Dwudziesty wiek przyniósł dynamiczny rozwój tej dziedziny nauki i inżynierii. Dziś jednym z najważniejszych motorów postępu w tym obszarze jest branża aerospace (lotnictwo i kosmos łącznie). Badania wytrzymałości zmęczeniowej są jednak znacznie bardziej powszechne, niż loty w kosmos. W artykule zwięźle przybliżamy ich interesującą historię i kamienie milowe rozwoju tej dziedziny. Przedstawiamy także przykłady zastosowań tego typu analiz, wynikające z nich korzyści i prezentujemy obszary specjalizacji firmy Endego w tym zakresie.

Historia prac nad mechaniką pękania i wytrzymałością zmęczeniową

Za początek badań nad mechaniką pękania należy uznać prace prekursorów, analizujących w XIX wieku zjawiska występujące w kolejnictwie. Na przestrzeni kolejnych lat swój wkład w rozwój dziedziny mieli inżynierowie działający na rzecz przemysłu motoryzacyjnego, morskiego, lotniczego i kosmicznego.

Wiek XIX – przemysł kolejowy jako motor badań nad mechaniką pękania

Wydarzeniami kluczowymi dla powstania mechaniki pękania jako dziedziny nauki i techniki oraz jej dalszego rozwoju były upowszechnienie kolejnictwa oraz konieczne dla postępu w tej branży prekursorskie prace. Wśród kamieni milowych warto wskazać m.in. takie zdarzenia jak:

Wiek XX – mechanika pękania w przemyśle lotniczym, morskim, samochodowym i kosmicznym

Stulecie zapoczątkowane przez próby braci Wright oraz upowszechnienie automobili miało się okazać wiekiem dynamicznego rozwoju wiedzy i badań nad mechaniką pękania i wytrzymałością zmęczeniową. Wśród kluczowych z tej perspektywy zdarzeń można wymienić choćby:

• zastosowanie mikroskopu optycznego do badania linii i płaszczyzn poślizgu w strukturach metali już na przełomie XIX i XX wieku,
• prace Gougha, Griffitha i Taylora nad mechaniką pękania w zastosowaniach lotniczych,
• publikację Haigha na temat wytrzymałości zmęczeniowej metali w zastosowaniach morskich (wykres Haigha),
• prace Almena nad wytrzymałością zmęczeniową samochodów prowadzone pod auspicjami General Motors,
• działalność Neubera na niemieckich uczelniach i w przemyśle lotniczym, owocująca stworzeniem podręcznika obliczeniowego zawierającego plastyczną korektę dla obliczeń liniowo-sprężystych (korekta Neubera),
• wysunięcie przez Palmgrena propozycji wykorzystania liniowej reguły zużycia zmęczeniowego dla łożysk kulowych,
• wysunięcie przez Minera propozycji wykorzystania liniowej reguły zużycia zmęczeniowego i kumulacji uszkodzeń w lotnictwie,
• wydanie przez US Air Force dokumentu stanowiącego wytyczne dotyczące konstrukcji nowych samolotów bojowych,
• opracowanie przez NASA programów komputerowych do symulacji stanów naprężeń i deformacji, a następnie – programów do symulacji zjawisk mechaniki pękania i obliczeń trwałości zmęczeniowej.

Do dziś największą rolę w pracach nad mechaniką pękania odgrywa przemysł lotniczy i kosmiczny.

Przykłady zastosowania wiedzy o mechanice pękania

Zgromadzona przez wieki wiedza na temat mechaniki pękania, metodologiczne ramy prowadzenia obliczeń oraz ułatwiające ich realizację oprogramowanie są szeroko wykorzystywane we współczesnym przemyśle. Analizy wytrzymałości zmęczeniowej są prowadzone m.in. w takich zastosowaniach jak:

1. projektowanie bezpieczników lub urządzeń zabezpieczających, działających na zasadzie próbek mechanicznych z różnymi karbami; próbki te ulegają zniszczeniu, jeszcze zanim nastąpi to w urządzeniu zabezpieczanym, w konkretnym elemencie konstrukcyjnym, jak np. wirnik turbiny,
2. określenie dopuszczalnej głębokości pęknięcia w grubościennych kadłubach turbin, aby zaplanować moment wymiany kadłuba lub określić moment i sposób jego naprawy,
3. projektowanie bardzo lekkich elementów podwozi samolotów bojowych na niewielką liczbę cykli start-lądowanie, aby przed utratą nośności wymienić je na nowe,
4. kontrola kół kolejowych młotkiem, mająca na celu wykrycie pęknięć zmęczeniowych poprzez zmianę dźwięku, zanim te pęknięcia urosną i spowodują awarię,
5. badanie przełomu pękniętej części, prowadzące do określenia przyczyny pęknięcia, następnie do poprawy jej konstrukcji w przyszłości,
6. projektowanie procesów technologicznych, w których występuje oddzielanie lub rozdzielanie części za pomocą uderzenia wywołującego pękniecie,
7. projektowanie okrętów z uwzględnieniem drgań dla unikania rezonansów, które w nieoczekiwanych sytuacjach mogłyby spowodować zatonięcie obiektu.

Korzyści z uwzględnienia mechaniki pękania w obliczeniach

Symulacje i obliczenia mechaniki pękania oraz wytrzymałości zmęczeniowej przynoszą szereg korzyści. Wśród najważniejszych z nich można wymienić:

• możliwość zagwarantowania bezpieczeństwa użytkowania urządzeń dzięki prognozom trwałości użytkowej,
• zwiększenie bezpieczeństwa kierowców i pasażerów dzięki badaniom odporności na zderzenia,
• zwiększenie odporności konstrukcji narażonych na cykliczne obciążenia w postaci drgań.

Poniżej opisujemy, w jaki sposób badania mechaniki pękania przyczyniają się do osiągnięcia korzyści w poszczególnych obszarach.

Bezpieczeństwo użytkowania urządzeń dzięki prognozom trwałości użytkowej

Prognozy trwałości użytkowej, oparte o wyniki badań pękania próbek materiałów pod obciążeniami cyklicznymi, stały się dziś standardowym elementem obliczeń wytrzymałości. Obok obliczeń statycznych są one wykonywane dla odpowiednich części nowych pojazdów oraz wielu maszyn i urządzeń użytkowych, dając gwarancje bezpieczeństwa ich użytkowania.

Poprawa bezpieczeństwa ruchu drogowego dzięki badaniom odporności na zderzenia

Zachowanie pojazdów i urządzeń zabezpieczających podczas zderzeń jest dziś standardowo badane już na etapie projektowania konstrukcji samochodów (strefy zgniotu, poduszki powietrzne). Obliczenia i symulacje zderzeń z uwzględnieniem mechaniki pękania są dziś bardzo często wykonywane i przyczyniają się do redukcji ryzyka śmierci albo poważnych urazów na skutek wypadków.

Zwiększenie odporności konstrukcji na udary i drgania

Obciążenia cykliczne w postaci drgań, wzbudzanych cyklicznie lub udarowo, występują zarówno podczas trzęsienia ziemi, jak i w przypadku zdarzeń nadzwyczajnych, jak np. wybuchy. Te zaś mogą wystąpić zarówno w życiu cywilnym, np. na platformach wiertniczych, jak i w przypadku użycia broni z ładunkami wybuchowymi, np. na okrętach wojskowych. Obliczenia przebiegu takich zjawisk pozwalają zwiększyć odporność badanych obiektów.

Zespół CAE Endego – specjaliści ds. obliczeń mechaniki pękania

Zespół CAE Endego specjalizuje się w prowadzeniu symulacji i obliczeń mechaniki pękania oraz wytrzymałości zmęczeniowej dla branż takich jak m.in.:

• turbiny cieplne – doradztwo w zakresie wytrzymałości elementów i zespołów turbin;
• pojazdy szynowe – projektowanie (konstrukcja i elektryka, elektronika), obliczenia wytrzymałości, doradztwo;
• okręty i offshore – drgania urządzeń i wyposażenia, konstrukcje kadłubów, obliczenia, optymalizacja, doradztwo;
• motoryzacja i maszyny robocze – projektowanie (konstrukcja, elektryka, oświetlenie, elektronika), obliczenia wytrzymałości, testy wirtualne, doradztwo.

Szerokie doświadczenie zespołu inżynierskiego Endego pozwala nam adaptować zaawansowane techniki obliczeniowe do każdego biznesu, wymagającego ich zastosowania, oraz jego specyficznych potrzeb. Zapraszamy do kontaktu.

Grzegorz Wiśniewski

CAE Technical Expert

Specjalista senior w takich dziedzinach jak: mechanika i wytrzymałość materiałów, zagadnienia nieliniowe, plastyczność (doktorat ETH Zürich), wytrzymałość turbin cieplnych, pojazdów szynowych, struktur okrętowych. Posiada doświadczenie zawodowe w zakresie prowadzenia i koordynacji projektów rozwojowych w wyżej wymienionych zakresach, a także dydaktyce oraz wdrażaniu Metody Elementów Skończonych (w tym ETH Zürich oraz Politechnika Gdańska).