How can you use numerical analysis to predict mechanical component fatigue?

Using FEA with a code or a standard, can lead to very accurate results for fatigue failure mode evaluations. ASME SCE8-Div 2-part 5 covers both high cycle fatigue and low cycle fatigue (Ratcheting) failures with both linear and non-linear assessments. In linear assessment for high cycle fatigue, first the total equivalent stress amplitude defined as one-half of the total stress range of (Pl+Pb+Q+F) is calculated for each cycle using FEA. Then the permissible number of cycles for the calculated stress amplitude is obtained using appropriate S-N curve. The damage ratio is calculated then for each cycle using Df=(actual number of cycles/ permissible number of cycles). Finally, sum of all damage ratios of all cycles must be lower than 1.0

A análise numérica, um ramo matemático, concentra-se em encontrar soluções aproximadas para problemas complexos por meio de algoritmos, programas de computador e métodos numéricos. Ela é particularmente útil para abordar desafios que são difíceis ou impraticáveis de resolver analiticamente, como equações não lineares, equações diferenciais, integrais e otimização. Além disso, a análise numérica pode oferecer resultados mais precisos e eficientes do que métodos experimentais ou empíricos, destacando sua aplicabilidade em sistemas complexos ou de grande escala.

A análise numérica desempenha um papel crucial em engenharia mecânica, especialmente na modelagem do comportamento de tensões e deformações de materiais sob diversas condições de carregamento. Tensão, representando a força interna por unidade de área, e deformação, indicando a alteração na forma ou tamanho do material devido a tensões, são fundamentais nesse contexto. A análise numérica, notavelmente através da análise de elementos finitos (FEA), permite calcular distribuições de tensão e deformação em componentes, dividindo-os em pequenos elementos e resolvendo equações de equilíbrio.

In API 579, the critical plane approach is employed to evaluate the fatigue life of a component subjected to multiaxial loading. This method entails the identification of the critical plane, where the maximum damage or stress occurs within the material. The critical plane may not necessarily align with the principal stress or strain axes and can vary based on the loading conditions. The API 579 standard offers guidance on conducting the critical plane approach, encompassing techniques for identifying the critical plane and assessing fatigue damage at that location. It considers the multiaxial stress state and factors in the impact of mean stress, stress ratio, and other influences fatigue life.

Para antecipar o comportamento de fadiga de um componente, é essencial aplicar um critério ou método de fadiga que vincule o histórico de estresse e tensão ao dano de fadiga. Diversos critérios e métodos de fadiga estão disponíveis, dependendo do tipo e nível de carregamento, características do material e modo de falha. O método stress-life, apropriado para fadiga de ciclo alto, utiliza a curva S-N ou a curva de Wöhler para correlacionar a amplitude de tensão e o número de ciclos até a falha. O método strain-life, adequado para fadiga de ciclo baixo com deformação plástica, emprega a curva ε-N ou a curva de Manson-Coffin.

Após a escolha de um critério ou método de fadiga, a análise numérica é empregada para estimar a vida de fadiga de um componente, representando o número de ciclos ou tempo que o componente pode suportar antes da falha. Para isso, é crucial definir o histórico ou espectro de carregamento, que é a sequência de ciclos de carregamento ou eventos experimentados pelo componente durante seu serviço. Métodos como contagem de fluxo de chuva ou histórico de tempo de carregamento são utilizados para simplificar e classificar o histórico de carregamento em faixas e ciclos de tensão ou deformação.

A análise numérica oferece várias vantagens cruciais para prever e prevenir a fadiga de componentes mecânicos. Estas incluem a redução da dependência de testes físicos, aumento da precisão nas previsões de fadiga, melhoria no projeto e otimização, aprimoramento das estratégias de manutenção e inspeção, além de estender a vida útil de componentes e sistemas. No entanto, é importante reconhecer os desafios e limitações associados à análise numérica, como a necessidade de habilidades matemáticas e computacionais avançadas, a dependência da qualidade e disponibilidade dos dados e parâmetros de entrada, a presença de incertezas devido a aproximações e pressupostos, e a exigência de validação por meio de dados experimentais ou empíricos.

Um desafio real para a análise numérica é adaptar a realidade dos ambiente no qual o equipamento trabalha. Muitas variáveis naturais influenciam o comportamento do material, mas também há mudanças operacionais, que podem ser mais difíceis de considerar dentro das análises, pois há muita influência da cultura organizacionais onde o equipamento opera.