Vermoeiing getackeld met hulp van FEM

Transcriptie

1 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

2 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 & 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. 2

3 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: 3

4 Vermoeiing komt veel voor! Corrosion, burst 3% SCC, delayed fracture 5% Low cycle fatigue 8% Other 13% Static fracture 13% 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

5 Vermoeiing: Hoe ontstaat het? (2) Initiation Macro Crack Growth Final Failure cyclic slip crack nucleation micro crack growth Stress concentration factor K t K t σ = σ peak nom Stress intensity factor K K = f S π a da dn m = C K K Ic, K c Material surface phenomenon The initiation period is supposed to be completed when micro crack growth is no longer depending on the free surface conditions. Material bulk property Scheurinitiatie Cyclische verplaatsing van dislocaties Gebeurt op vrij oppervlak Is onomkeerbaar Is lokaal Scheur groeit iedere wisseling 5

6 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 6

7 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

8 Traditionele vermoeiingsanalyse geometry loading stress analysis by hand estimate of SCF s Approximate critical stress-life or strain life with allowance for dynamic effects materials Fatigue analysis and life estimate 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 materials Fatigue analysis and life estimate Design modifications 8

9 Waarom vermoeiingsanalyse met FEM? Kleine veranderingen in spanning => grote verschillen in levensduur! Stairwalker: FEM model van de boog Lineair model Ongeveer elementen; 3.6M DOFs Inclusief ondersteuning Bouten gemodelleerd TET10 elementen i.p.v. TET4 9

10 Stairwalker: FEM model van de boog (2) 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

11 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 elementen TET10 en HEX8 elementen (geen TET4) Model ook van rest constructie voor krachtsinleiding Voorspanning bouten 11

12 Stairwalker: FEM model van de pivot (2) Klein gedeelte bow gemodelleerd MPC gebruikt voor kracthtsinleiding Gedeelte van de onder buis met randvoorwaarden Stairwalker: FEM model van de pivot (3) Contact bodies in exploded view Guide pin rigid Bouten onder voorspanning 12

13 Stairwalker: FEM model van de pivot (4) Grijs is voortijdige vermoeiingsschade! Stairwalker: FEM model van de pivot (5) Grijs is voortijdige vermoeiingsschade! 13

14 Stairwalker: FEM model van de pivot (6) Grijs is voortijdige vermoeiingsschade! 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