Новые 3D-модели каркаса при первоначальном тестировании нагружают металл примерно в шесть раз быстрее

Отверстие в оси транспортного средства или канавка в детали самолета или машины могут показаться незначительными. Но при многократном воздействии эти мелкие детали могут стать точками повышенного напряжения, где развиваются повреждения и образуются трещины.

Исследователь из Concordia разработал более быстрый способ прогнозирования того, что происходит под поверхностью металлических деталей, где с наибольшей вероятностью могут образоваться трещины, что позволяет решить давнюю проблему в области усталостной инженерии.

Айхан Инс, профессор кафедры машиностроения, промышленной и аэрокосмической инженерии Школы инженерии и компьютерных наук имени Джины Коди при университете Конкордии, разработал новую систему трехмерного моделирования, чтобы лучше понять, что происходит внутри металла, окружающего эти уязвимые участки. Результаты исследования опубликованы в журнале "Теоретическая и прикладная механика разрушения".

При компьютерном сравнении результатов исследования с использованием относительно простого стального бруска с надрезом новый метод завершил расчеты за 4,5 минуты по сравнению с 28 минутами при более детальном нелинейном моделировании, учитывающем остаточную деформацию, что примерно в шесть раз ускоряет процесс. Поскольку полное нелинейное моделирование становится все более сложным по мере увеличения размеров инженерных моделей и сложности загрузки, Ince ожидает, что платформа обеспечит еще большую вычислительную эффективность для крупных инженерных компонентов.

Это нововведение может помочь исследователям разработать более точные модели того, как быстрее накапливаются повреждения в механических деталях. Исследователи говорят, что инженеры могли бы в конечном итоге использовать эти модели для ускорения оценки долговечности и улучшения конструкции компонентов в различных отраслях промышленности, от автомобилестроения до аэрокосмической промышленности.

Механические компоненты постоянно подвергаются воздействию сил, которые могут постепенно ослабить наиболее напряженное место в отверстии, канавке или геометрическом переходе. Однако повреждения и рост трещин зависят от того, как деформируется материал в окружающем объеме вблизи этих критических мест.

Например, ось транспортного средства может растягиваться, сжиматься, гнуться и перекручиваться, иногда одновременно. При тысячах или миллионах повторений эти воздействия могут вызвать усталостные повреждения и, в конечном счете, трещины.

На протяжении десятилетий исследователи разрабатывали эффективные способы расчета реакции материалов в уязвимых местах, таких как отверстия и канавки. Но эти упрощенные методы могли предсказать только то, что происходит на поверхности.

Detailed nonlinear computer simulations can show what happens inside the surrounding material, but they require considerable computing power, particularly when modeling many load histories, material choices or design variations.

Ince addressed this limitation by integrating several mechanics models into a new framework that efficiently calculates how forces are distributed and how the metal deforms throughout the three-dimensional region near the critical areas even when several types of loading act together and change over time.

The study represents an "important contribution to advanced notch analysis," says Daniel Kujawski, a mechanical engineering researcher at Western Michigan University who studies how materials become damaged and crack under repeated forces. He did not participate in the study.

Kujawski says the method "provides a potential bridge" between calculations focused on individual points and assessments that consider damage throughout the surrounding material. That could eventually help engineers assess how long components will last and identify where cracks could begin or spread.

"The work represents a landmark advance in computational mechanics, addressing a 3D field prediction challenge that researchers have pursued for decades," Ince says. "But more work remains."

So far, the researchers compared their framework with detailed nonlinear computer simulations for one steel material and one notched bar under three loading patterns. Next, they plan to examine other materials and geometries and validate their predictions through physical experiments.

Those tests will help determine how widely the method can be applied to real engineering components, Ince says.

Ince's interest in the problem began while working in the vehicle industry, including at General Dynamics Land Systems-Canada.

He assessed the durability of components such as axles, suspension systems and structural supports, where complicated loading conditions made predicting damage particularly challenging.

While working full time, he pursued a Ph.D. at the University of Waterloo under study co-author Grzegorz Glinka's supervision. Ince's doctoral research, completed in 2012, laid the foundation for the methods he has continued developing throughout his academic career.