Un equipo de investigadores del MIPT y del Instituto de Automatización del Diseño de la Academia de Ciencias de Rusia ha presentado un innovador método de modelado de la fatiga de materiales, de importancia crítica para las industrias de la aviación y la ingeniería mecánica. El enfoque desarrollado combina cálculos de malla-característica con la tecnología de mallas superpuestas, lo que permite analizar detalladamente el proceso de degradación de los materiales bajo la influencia de cargas de alta frecuencia. Los resultados de la investigación se han publicado en la revista Mathematical Models and Computer Simulations.
El nuevo enfoque de los científicos rusos permite modelar la dinámica de tensiones y deformaciones en cada ciclo de carga, así como rastrear la acumulación de microdaños. Para ello, se aplica una función de daño Ψ, que describe cuantitativamente el grado de degradación del material.
La característica clave de nuestro enfoque es la capacidad de rastrear detalladamente, ciclo tras ciclo, cómo se originan y crecen los microdaños en el material bajo la acción de cargas de alta frecuencia. No solo evaluamos el número final de ciclos hasta la rotura, sino que modelamos el proceso físico de degradación del material, teniendo en cuenta los efectos de onda en cada ciclo. Esto proporciona una comprensión mucho más profunda de los mecanismos de la fatiga.
Los investigadores utilizaron el método de malla-característica en combinación con la tecnología de mallas superpuestas («Quimera»). Esto permite enfocar los recursos computacionales en las zonas con alta concentración de tensiones, como los orificios en las placas, donde más frecuentemente se originan las grietas. Para acelerar los cálculos, los científicos también desarrollaron un procedimiento de escalado, reduciendo el problema tridimensional a uno bidimensional. Esto reduce significativamente el tiempo de cálculo sin una pérdida sustancial de precisión. El método ya ha sido probado en el ejemplo de una placa con un orificio, y sus resultados concuerdan con los datos del software comercial Ansys. La tecnología puede ser útil en el diseño de motores de aviación, turbinas y otras estructuras sujetas a vibraciones.
La fatiga es una de las principales causas de fallo de las piezas de los motores de aviación y otras estructuras de alta carga. Se desarrolla gradualmente: las microgrietas se acumulan bajo la influencia de cargas cíclicas, lo que finalmente conduce a una rotura repentina. Los métodos tradicionales de evaluación de la resistencia a la fatiga utilizan modelos simplificados o se centran en las macrogrietas ya formadas, ignorando las primeras etapas de los daños.
En el futuro, los científicos planean adaptar el método para el análisis de materiales compuestos y estructuras geométricas complejas.
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