Das wiederholte Belasten und Entlasten führt erfahrungsgemäß im Laufe der Zeit zu einer Schwächung der Objekte, selbst wenn die induzierten Spannungen weit unter den zulässigen Spannungsgrenzen liegen. Dieses Phänomen ist als Materialermüdung bekannt. Jeder Spannungsschwankungszyklus schwächt das Objekt zu einem gewissen Grad. Nach mehreren Zyklen führt die Schwächung zum Versagen des Objekts. Die Ermüdung ist die Hauptursache für das Versagen vieler Objekte, insbesondere bei Objekten aus Metall. Zu diesen Objekten zählen u. a. rotierende Maschinenteile, Schrauben, Flugzeugflügel, Verbrauchsgüter, Bohrplattformen, Schiffe, Fahrzeugachsen, Brücken und Knochen.
Lineare und nicht-lineare strukturelle Studien geben keinen Anhaltspunkt auf Versagen aufgrund von Materialermüdung. Sie berechnen lediglich die Reaktion einer Konstruktion, die einem bestimmten Umfeld mit Lagern und Lasten ausgesetzt wird. Wenn die Analyseannahmen erfüllt sind und sich die berechneten Spannungen innerhalb der zulässigen Grenzwerte bewegen, wird davon ausgegangen, dass die Konstruktion in der jeweiligen Umgebung sicher ist, wobei die Häufigkeit der Belastung unberücksichtigt bleibt.
Die Ergebnisse von statischen, nicht linearen oder linearen dynamische Zeitverlaufsstudien können als Grundlage für die Definition einer Ermüdungsstudie verwendet werden. Die Anzahl der Zyklen, die erforderlich sind, damit ein Versagen aufgrund von Ermüdung an einer bestimmten Stelle eintritt, hängt vom Material und den Spannungsschwankungen ab. Diese materialspezifischen Informationen liefert die Wöhlerkurve.
SOLIDWORKS Simulation unterstützt keine auf statischen Studien basierende Ermüdungsereignisse, die Verbundstoff-Schalen und statische Studien nur mit Balken enthalten.
Phasen des Versagens aufgrund von Ermüdung
Das Versagen aufgrund von Ermüdung ist in drei Phasen unterteilt:
| Phase 1. |
Im Material bilden sich ein oder mehrere Risse. Die Risse können sich überall im Material bilden, entstehen in der Regel jedoch aufgrund höherer Spannungsschwankungen an den Begrenzungsflächen. Risse können aus vielen Gründen auftreten. Dazu zählen fehlerhafte Stellen im mikroskopischen Gefüge der Materialien und Oberflächenkratzer, die bei der Bearbeitung oder während des Transports entstehen. |
| Phase 2. |
Aufgrund der fortgesetzten Belastung weiten sich einige oder alle Risse aus. |
| Phase 3. |
Die Fähigkeit der Konstruktion, den angewendeten Lasten standzuhalten, verschlechtert sich zunehmend, bis es zum Versagen kommt. |
Ermüdungsrisse beginnen auf der Oberfläche eines Materials. Durch die Verstärkung der Modelloberflächen wird die Lebensdauer des Modells bei Ermüdungsereignissen erhöht.