Utmattningsdimensionering med FEM kriterier och metodik. Mårten Olsson, KTH Hållfasthetslära och Sven Norberg, Scania CV AB

Transkript

1 Utmattningsdimensionering med FEM kriterier och metodik Mårten Olsson, KTH Hållfasthetslära och Sven Norberg, Scania CV AB

2 Denna presentation handlar om kriterier FAST utmattningsanalys med FAST FAST = Fatigue AnalysiS Tool

3 Allmänt Man måste skilja på kriterier och tekniker att beräkna riktiga spänningar (hot spot, ytfaktor, ) och tekniker att hantera spektrumlaster och tekniker vid spridning i mtrldata

4 Lite förutsättningar Belastningscykel finns, cykliskt återkommande spänningstillstånd HCF högcykelutmattning Oftast dimensionering mot utm.gräns

5 Ett enkelt fleraxligt kriterium - Sines σ vm +α S σ h,mean =β S Använd σ ij när σ vm beräknas. h = hydrostatisk Mean = medel m.a.p max & min.

6 Mer om Sines σ vm +α S σ h,mean =β S Påverkas INTE av medelskjuvspänning = bra tyckte Sines. (OBS: Inte ett absolut krav, men relativt.) Kriteriet tillåter inte roterande huvudspänningsriktningar.

7 Kritisktplankriterier Idé: Kriteriet uttrycks i skjuv- och normalspänningar på ett snittplan. De beskriver belastningscykeln. I varje punkt i kroppen finns ett mest belastat plan = det kritiska planet. Av de kritiska planen i alla punkter är en mest belastad = där initieras utmattning i strukturen. Skall fungera för alla belastningscykler, även roterande huvudspänningsriktningar.

8 Spänningsvektorn på ett snittplan Dela upp i: Normalspänningsvektor och Skjuvspänningsvektor En cykel = sluten kurva Vad är skjuvspänningens amplitud?

9 Skjuvspänningsamplitud: olika förslag finns Ett bra förslag: Finn den minsta cirkel som omsluter skjuvspänningsvektorns trajektoria (tangerar på tre ställen) Diametern är dubbla skjuvsp.amplituden (..ofta ett streck!)

10 Ett fleraxligt kritisktplankriterium (τ a +α F σ n ) max =β F Där ( ) max avser plan - Findley Materialparametrar: α F normalspänningskänslighet β F - utmattningsgräns

11 Findley kan användas för ändlig livslängd (τ a +α F σ n ) max = σ e,utm log( )

12 Kritisktplankriterier Fler utmattningseffektivspänningar finns. Fler definitioner på τ a finns. Målet är att beskriva fysiken

13 FAST - Fatigue AnalysiS Tool FAST skall användas vid praktisk dimensionering = design loop FAST används för kriterieutvärdering och kriterieframtagning = research loop FAST är ett program- och scriptsystem som länkar ihop andra program

14 MATERIAL PROPERTIES CRITERIA RESEARCH LOOP The loop is repeated until a satisfactory criterion is found, after which the materials are assigned fatigue properties. Elastic / plastic properties FAST FATIGUE ASSESSMENT EXPERIMENTAL HCF RESULTS Load & geometry FEA

15 RESEARCH LOOP MATERIAL PROPERTIES Fatigue properties Elastic Elastic / plastic plastic CRITERIA The loop is repeated until a satisfactory criterion is found, after which the materials are assigned fatigue properties. properties properties FAST FATIGUE ASSESSMENT EXPERIMENTAL HCF RESULTS Load & geometry Load FEA Geometry DESIGN LOOP The loop is repeated until the design meets all the requirements, here the fatigue strength is the most noteable requirement. DESIGN REQUIREMENTS Geometrical constraints DESIGN

16 MATERIAL PROPERTIES EXPERIMENTAL HCF RESULTS Fatigue properties MATLAB CRITERIA Elastic / plastic properties Load & geometry Load ABAQUS FEA Geometry RESEARCH LOOP The loop is repeated until a satisfactory criterion is found, after which the materials are assigned fatigue properties. MATLAB FAST & PYTHON DESIGN LOOP ABAQUS FATIGUE ASSESSMENT VIEWER The loop is repeated until the design meets all the requirements, here the fatigue strength is the most noteable requirement. DESIGN REQUIREMENTS Geometrical constraints DESIGN

17 FAST är flexibel Extraherar alla data: Spänning Töjning Geometri Enkelt att implementera nya kriterier Alla kriterieklasser kan användas Kan batch-köras Anpassas enkelt till specialfall, roterande böjning hanterat i kriterieformuleringen, effektivt

18 FAST är snabb Endast utvalda delar behandlas Adaptiv algoritm för kritiskplansökning Ca. 250 plan beräknas för Findley, motsvarar ca jämnt fördelade Återanvänder vanliga värden, t.ex.: Hydrostatisk spänning Maximal skjuvspänningsamplitud

19 Resultatpresentation Lokala resultat visas i postprocessor Icke-lokala resultat, t.ex. global utmattningssannolikhet, kan presenteras

20 Tillämpningsexempel Nishida et al. Evaluation of strength of double notched specimens, Key Engineering Materials, Vols , 2003, pp

21

22 Kriterier Crossland σ vm + α C σ h,max = β C Findley (τ a + α F σ n ) max = β F Matake τ a,max + α M σ n,max plane = β M Sines σ vm + α S σ h,mean = β S Dang Van (τ max (t) + α DV σ h (t) ) max = β DV τ max (t) from DV s microstress McDiarmid τ a,max σ n,max plane + = 1 2σ t AB, uts Papadopoulos T a,max + α P σ h,max = β P T a from P s definition

23 Volym eller värde?

24 Utvärdering vid utmattningsgränsen 2,5 max βi, j max βi, A0 αi = 0, 3 i = kriterium j = provstav 2,0 1,5 1,0 0,5 A0 B0 D0 C0 A15 A10 D15 C15 C10 B5 C5 B15 B10 D10 D5 Crossland Dang Van Findley Matake McDiarmid Papadopoulos Sines Femfat

25 Utvärdering vid utmattningsgränsen 2,5 max βi, j max βi, A0 αi = 0, 3 i = kriterium j = provstav 2,0 1,5 1,0 Hål utan anvisn. Utan hål Hål och anvisn. 0,5 A0 B0 D0 C0 A15 A10 D15 C15 C10 B5 C5 B15 B10 D10 D5 Crossland Dang Van Findley Matake McDiarmid Papadopoulos Sines Femfat

26 Slutsatser Enbart max.nivån för utmattningseffektivspänningen ger ej bra förutsägelse Problemet är olika stora påkända volymer / spänningsgradient Inte ens Femfat är tillfredställande (tar hänsyn till grad.effekt) FAST fungerar bra

27 Pågående och framtida arbete Statistiska volymseffekter i FAST Gradienteffekter i FAST Fler kriterier, även oortodoxa i FAST Nya experiment för att undersöka ovanstående

28 Tack för mig!