Como projetar componentes para Fadiga Termomecânica


fadiga termomecânica

Figura 1. Simulação térmica de um coletor de escape.

As tendências do setor exigem que os componentes se tornem mais leves, menores e mais eficientes.

Para engenheiros, isso se traduz em: “Você recebeu meu relatório sobre o aumento das cargas termomecânicas enquanto reduzia a nossa peça? Sim, vou precisar de você para fazer isso. ”

O desafio é que essas cargas influenciam a durabilidade geral do componente graças à fadiga termomecânica (TMF). Como resultado, manter as cargas constantes, quanto mais aumentá-las, enquanto projetar uma peça menor não é tarefa fácil.

Infelizmente, você não pode lutar contra a prefeitura, já que inúmeras indústrias estão seguindo essa tendência. Por exemplo, olhe para a indústria eletrônica que está sempre aumentando a densidade de energia de seus produtos cada vez menores.

Enquanto isso, o setor de transportes está exigindo mais eficiência de seus turbocompressores, enquanto mantém que seus veículos ficam mais leves.

Felizmente, a simulação pode desempenhar um papel crucial na aceleração do projeto e teste de componentes que estão em risco de TMF.

O ANSYS oferece uma solução de alta fidelidade para prever os multifísicos inerentes associados ao TMF.

Vamos nos aprofundar um pouco mais na indústria de energia térmica, onde as tendências estão apontando para usinas de energia ultra-supercríticas.

Essas usinas estão sendo projetadas para, você adivinhou, aumentar a eficiência e reduzir as emissões.

Simulação de estresse

Figura 2. Simulação de estresse para um coletor de escape

O Roteiro Tecnológico da IEA: Alta Eficiência, Baixa Emissão e Geração de Energia a Carvão nos diz que essas novas usinas precisam operar em temperaturas de pico de vapor, talvez acima de 700 ° C (1290 ° F).

Além disso, essas usinas também devem operar com um fator de carga que pode variar significativamente devido à maior contribuição da energia renovável para a rede. A moral da história é que esses requisitos também estão associados a um risco maior de TMF.

A tese de John Shingledecker Efeitos Metalúrgicos na Ruptura a Longo Prazo em uma Nova Liga à Base de Níquel mostram que as ligas convencionais não são capazes de atender aos requisitos de projeto dessas condições termo-mecânicas.

Em vez disso, ligas resistentes ao calor, como as baseadas em níquel, são usadas em regiões críticas para atender aos requisitos de projeto. Infelizmente, essas ligas podem se tornar mais caras.

O desafio de engenharia torna-se então o projeto de componentes (como caldeiras, turbinas, válvulas e tubulações) que minimizam o uso desses materiais caros sem sacrificar a função sob as condições normais de operação do equipamento.

O engenheiro também precisa determinar como os componentes responderão às condições fora da operação normal, como em condições extremas em potencial.

As simulações do ANSYS permitem que você resolva uma distribuição de temperatura de alta fidelidade considerando todos os mecanismos do fluxo de calor. Por exemplo, com nossos produtos de dinâmica de fluidos computacional (CFD), você pode analisar uma transferência de calor conjugada detalhada, onde todos os efeitos de fluidos e efeitos térmicos são considerados.

Os usuários também terão acesso a modelos que podem avaliar a combustão, a turbulência, a multifase, a radiação e muito mais.

Alternativamente, você também pode executar uma análise térmica mais simples no ANSYS Mechanical. Nesse caso, você não resolve o fluxo. Em vez disso, você assume coeficientes de transferência de calor nas interfaces de fluido.

Para aumentar a precisão, no entanto, você pode determinar os coeficientes de transferência de calor de simulações de CFD.

O comportamento final da temperatura transitória é então mapeado na análise estrutural para ver como o componente se comporta em resposta às cargas térmicas e mecânicas.

O estresse e a tensão desenvolvidos para um conjunto de ciclos representativos (como mostrado nas Figuras 1 e 2) são usados ​​para calcular onde ocorre o dano local e a vida útil do componente.

Fluxo de trabalho ANSYS

Figura 3. Fluxo de trabalho do ANSYS para executar uma análise do TMF.

As soluções de alta precisão e simplificação do ANSYS para TMF, como visto na Figura 3, são usadas em todos os segmentos da indústria para desenvolver designs inovadores usando novos materiais sob condições adversas em menos tempo.

Para mais informações, confira o whitepaper completo sobre o tema, aqui. 

webinar fadiga termomecânica


Comentarios

O seu endereço de e-mail não será publicado. Campos obrigatórios são marcados com *