Vermoeiing getackeld met hulp van FEM

7-6-2012

Themadag ‘Ontwikkeling traplooplift gietoptimalisatie’

Vermoeiing getackeld met hulp van FEM Mart Heerschap MG technical solutions BV

Onderwerpen • Wat is vermoeiing? • Effect van productie methode op vermoeiing • Wat helpt FEM (Finite Element Method) bij vermoeiing?

Broodjesbuffet

1

7-6-2012

MG technical solutions •

Mechanical engineering & numerieke simulatie: • Diverse eindige elementen analyses (FEM) • Productiesimulatie • Multi-physics analyses

•

Op maat gemaakte cursussen eindige elementen methode : • Inleiding FEM; inleiding vermoeiing en FEM • Diverse cursussen advanced niet-lineaire FEM • Diverse cursussen op gebied van composieten en CAE

•

Trouble shooting: • Oplossen acute mechanische problemen • Schadeonderzoek • Productieoptimalisatie

www.mgts.nl & www.femcursus.nl

Wat is vermoeiing? • Wisselende belastingen die beneden de statisch toelaatbare belasting liggen resulteren na verloop van tijd in een breuk. • • • •

Bij te laat opmerken: falen van constructie Belasting beneden statische sterkte (veel) belastingswisselingen nodig voor breuk Spanningsamplitude is bepalend.

Bron: Cursus vermoeiing en FEM, Fatec Engineering/ MG technical solutions BV

2

7-6-2012

Wat is vermoeiing? (2) • Fatale ongevallen: – – – – –

Versailles trein ongeluk (breuk as locomotief, 1842) ICE Eschede (1998) Alexander Kielland (1980) De Havilland Comet (2x 1953) Aloha Airlines (1988)


Vermoeiing ook nu: Wolvograd

Bron: www.youtube.com

3

7-6-2012

Vermoeiing komt veel voor! Other 13% Corrosion, burst 3%

Static fracture 13%

SCC, delayed fracture 5% Low cycle fatigue 8%

Simple fatigue 58%

Onderzoek van Nishida


Vermoeiing: Hoe ontstaat het? • Geschiedenis: Wöhler – Materiaal bezwijkt bij veel spannings-wisselingen, die allemaal lager zijn dan de statische sterkte. De spanningsamplitude is bepalend voor falen. Het gemiddelde spanningsniveau is minder belangrijk.

• Wöhler’s curve of S-N curve

4

7-6-2012

Vermoeiing: Hoe ontstaat het? (2) Initiation cyclic slip

Macro Crack Growth

crack nucleation

Final Failure

micro crack growth

Stress concentration factor Kt

Stress intensity factor K

σ Kt = peak σ nom

Material surface phenomenon

K = f ⋅S πa da = C ⋅ ∆K m dn

KIc, Kc

Material bulk property

The initiation period is supposed to be completed when micro crack growth is no longer depending on the free surface conditions.


Scheurinitiatie • Cyclische verplaatsing van dislocaties

– – – –

Gebeurt op vrij oppervlak Is onomkeerbaar Is lokaal Scheur groeit iedere wisseling Bron: Cursus vermoeiing en FEM, Fatec Engineering/ MG technical solutions BV

5

7-6-2012

Scheurinitiatie (2) • Cyclische verplaatsing van dislocaties


Scheurinitiatie (3) • Belangrijke aspecten: – De eerste belastingswisseling (cylce) is voldoende voor het ontstaan van microscheuren – Scheurgroei bij iedere volgende cycle – Groei scheuren langs glij-vlakken – Scheur groei leidt tot insluitsels

Tijdens de scheurinitiatieperiode is vermoeiing een oppervlakte fenomeen Bron: Cursus vermoeiing en FEM, Fatec Engineering/ MG technical solutions BV

6

7-6-2012

Vermoeiing, ontwerp en productie • Grootte van spanning: – Spanningsconcentraties (ontwerp) – Spanningsconcentraties (oppervlaktekwaliteit) – Spanningsconcentraties (insluitsels materiaal)

• Materiaalkeuze • Warmtebehandeling

Scheurinitiatie & FEM • Scheurinitiatie hangt af van: – Grootte lokale spanning – Richting lokale spanning – Oriëntatie van kristalvlakken binnen korrel

• Wat kunnen we nu met FEM? Nauwkeurig voorspellen van: – Grootte lokale spanning – Richting lokale spanning

• Gebruik maximale hoofdspanningen

7

7-6-2012

Traditionele vermoeiingsanalyse

geometry loading

stress analysis “by hand” estimate of SCF’s

Approximate critical stress-life or strain life with allowance for dynamic effects Fatigue analysis and life estimate

materials

Design modifications


Vermoeiingsanalyse met FEM geometry loading

Static and dynamic FEA accurate within FEA assumptions

Accurate critical stress-life or strain life with full allowance for dynamic effects and accurate prediction of critical locations Fatigue analysis and life estimate

materials

Design modifications


8

7-6-2012

Waarom vermoeiingsanalyse met FEM? Kleine veranderingen in spanning => grote verschillen in levensduur!


Stairwalker: FEM model van de boog

Lineair model Ongeveer 776.000 elementen; 3.6M DOFs Inclusief ondersteuning Bouten gemodelleerd TET10 elementen i.p.v. TET4 Courtesy of ThyssenKrupp Accessibility

9

7-6-2012

Stairwalker: FEM model van de boog (2)

Courtesy of ThyssenKrupp Accessibility

Hoofdspanningen in oorspronkelijk model In grijs gedeeltes waar levensduur onvoldoende is Goede correlatie met test

Stairwalker: FEM model van de boog (3)


Hoofdspanningen in verbeterd model Geen grijze gedeeltes meer

10

7-6-2012

Stairwalker: Resultaat en conclusies • Na drie virtuele prototypes een ontwerp dat voldoet aan levensduureisen • Veel kortere doorlooptijd dan met fysieke prototypen • Aanpassingen zijn alle op detail niveau gebeurd: radii, dikte rib etc. Geen grote gewichtstoename • Vermoeiingseisen zijn een ontwerpeis!

Stairwalker: FEM model van de pivot • Diverse onderdelen: Contact noodzakelijk! • Niet-lineaire berekening – Rekentijd i.v.m. niet-lineariteit en grootte model – 214.000 elementen

• TET10 en HEX8 elementen (geen TET4) • Model ook van rest constructie voor krachtsinleiding • Voorspanning bouten

11

7-6-2012

Stairwalker: FEM model van de pivot (2)

Klein gedeelte bow gemodelleerd MPC gebruikt voor kracthtsinleiding Gedeelte van de onder buis met randvoorwaarden



Contact bodies in exploded view Guide pin rigid Bouten onder voorspanning Courtesy of ThyssenKrupp Accessibility

12

7-6-2012


Grijs is voortijdige vermoeiingsschade!





13

7-6-2012




Stairwalker Pivot: Resultaat en conclusies • Spanningspieken op zelfde plaatsen als in test. Meer probleemlocaties gevonden dan in test • Met kleine aanpassingen worden de prestaties sterk verbeterd • Wordt vervolgd...

14

Vermoeiing getackeld met hulp van FEM

Recommend Documents