Transcript winLIFE

Fatigue Life Information using Finite Elements
(피로수명예측 프로그램)
winLIFE
에이블맥스㈜
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CAE 통합 솔루션 전문 에이블맥스㈜
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winLIFE
(Fatigue Life Information using Finite Elements)
• 개발사: Steinbeis Transfer Center (독일)
• 피로수명계산
- Without FEA (Finite Element Analysis)
: 다른 프로그램과 달리 FEM 결과 없이도 피로수명 예측이 가능하다.
: nominal stress and local stress and strain concepts
- With FEA (Finite Element Analysis) – FEM의 결과를 이용한 계산.
• 제공되는 모듈
- Basic (Uniaxial) – Nominal stress, local stress and local strain method
- Multiaxial - local stress and local strain method
-Gearwheels and Bearings – 기어와 베어링을 위한 전문 모듈 제공
* Welding - Nominal stress, local stress, Structural concept을 적용. 표준으로 사
용되는 FKM guideline뿐만 아니라 인증 등에 필요한 다양한 guideline (next slide)
을 적용하여 SN 곡선을 생성할 수 있다.
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winLIFE의 특성
• 다른 프로그램과 달리 FEM 결과 없이도 피로수명 예측이 가능하다.
• FEM stress 결과를 winLIFE로 쉽게 import할 수 있다.
– 표면 Node의 stress tensor 데이터를 ASCII format으로 저장할 수 있는 프로그램이라면 어
떤 FEM 프로그램과도 interface할 수 있다.
• 기어 & 베어링을 위한 전문 모듈인 Gearwheels and Bearings 모듈을 제공한다.
• 여러 인증기관에서 제시하는 Guideline (next slide)을 적용하여 SN 곡선을 생성할 수 있다.
• SN곡선 생성에 필요한 Material database를 제공한다.
• Workflow를 단순화하여 사용자가 쉽게 사용할 수 있다.
• Mohr circle 등에 대한 값을 그래프로 확인할 수 있어 multiaxial problem 인지의 여부를 쉽
게 파악할 수 있다. - 실험의 방법 및 횟수를 결정하는데 도움을 준다.
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Rules & Regulations for Dimensioning
General Mechanical Engineering:
FKM Guidelines
DIN 743
ASME
British Standard
Welded Constructions:
IIW Guideline
Ship Building Standards
Germanischer Lloyd (GL).
Korean Register of Shipping (KR).
Lloyd's Register of
Shipping (LR).
Nippon Kaiji Kyokai (NK).
Registro Italiano navale (RINA)
American Bureau of Shipping (ABS);
Det Norske Veritas (DNV);
Wind Energy
Germanischer Lloyd
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winLIFE User Interface
-Workflow를 단순
화하여 사용자가 쉽
게 사용할 수 있다.
winLIFE Screen and recommended workflow
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Data transfer between FEA and winLIFE
FE Solver
(SAMCEF, NASTRAN, ADINA, IDEAS, ANSYS, etc.)
Export files from winLIFE
Pre & Post-Processor
(SAMCEF, FEMAP, PATRAN, etc.)
-Node number
-Damage sum
- number of repeating until damage
- safety against endurance limit
winLIFE
Export files for winLIFE
*.lst, *.wld
** FEM 해석결과에서 node의 stress tensor 데
이터를 ASCII 형태로만 저장이 가능하면,
winLIFE로 입력하여 사용할 수 있다.
Data transfer flow
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-Material database
-Component database
- Fatigue life calculation
- analysis of results
- reports
- protocol files
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FEM analysis program
Interface
winLFIE import 파일 형식
법칙:
1.제목에서 DATA 사이의 space 간격은 4칸
2.작업 시 반드시 공백으로 분리 되어야 함.
3.MPa 단위를 기본으로 함.
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FEM analysis program Interface
– SAMCEF version 7.0
SAMCEF version 7.0 Interface
- winLIFE에 바로 적용 가능한 export file (*.LST) 생성
1. 특정 node 또는 all node 별 data 생성
2. Plate 와 Solid data 별도 data 생성
3. Uniaxial 과 Multiaxial 모두 지원
4. winLIFE 결과 파일인 *.erg 형식의 file 바로 import 가능
(winLIFE의 post processing 지원)
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Material Database
기본적으로 제공하는 database가 있으며,
그 외에도 아래와 같이 winLIFE 홈페이지
www.stz-verkehr.de 로부터 물성데이터를
download 받을 수 있다.
Material database window
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Material Database
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winLIFE BASIC
Nominal stress method:
Component S-N Curves
- material properties,
- Shape factor,
- Stress gradient,
- Surface,
- dimensions of part
material
component test
geometry
surface
loading
spectrum
nominal stress
S-N curve
geometry
nominal stress
spectrum
load
measuring,
classification
damage accum.
component test
fatigue life to
failure
rel. Miner-rule
fatigue analysis process using nominal stress method
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winLIFE BASIC
Local strain method:
-The cyclic stress-strain curve: Real stress and strain이 필요 (FE method)
- elastic stress-strain analysis  얻어진 stress를 Neuber’s rule을 사용 real stress로 변환
- a strain life curve (E-N curve)
- a damage parameter curve
Advantages:
-유한요소방법과 함께 사용하기 때문에 automatic procedure가 가능
(사용자가 critical point를 찾을 필요가 없다)
-재료에 대한 Real stress-strain 가 고려되기 때문에 plastic stress를 정확히 모델링 할 수 있다.
-low cycle fatigue (high stresses with plastic deformation)에 better performance
Stress-strain characteristics
of a material
Damage parameter life curve
according to Smith Watson and Topper
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Stress-strain path from the rainflow
matrix
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winLIFE MULTIAXIAL
• dynamic multiaxial load에 의해 principal stress의 방향이 변화하는 경우에
해당.
• 적용분야
- bodywork structure
- axle components
- crankshafts
- rotary blades for wind power stations etc.
load-time function
Part under the influence of several forces
at the same time (steering under dynamic
loading)
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winLIFE MULTIAXIAL
Strain gauges를 사용하는 경우 :
Strain rosettes가 사용되어 strain이 측정된 경우 이 데이터를 입력하여 피로해석을
수행할 수 있다.
Transverse loading of the transverse control arm
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winLIFE MULTIAXIAL- Analysis of the results
Result
- Damage Sum
- Protocol
- S-N Curve with load
- Range mean count
<Protocol>
<Principal stress angle>
- Principal stress angle
- Rainflow matrix
- Mohr’s Circle
<Damage sum>
<S-N Curve with load>
<Rainflow matrix>
<Range mean count>
<Mohr’s Circle>
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용접부분의 피로수명 예측
적용분야:
 shipbuilding
 Wind turbines
 Off-Shore-Technics (oil platform, etc)
 Automotive engineering
 Aircraft engineering
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용접부분의 피로수명 예측
용접부분의 피로수명은 다음과 같은 parameter에
의해 영향을 받는다.
–
–
–
–
–
–
Material(s)
Geometry
Cracks, pores, cavities, undercuts,
Eigen stresses
Surface roughness
Transition notches
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용접부위의 응력 (Source Radaj, Sonsino)
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용접부위 피로수명 예측 방법들
• Nominal Stress Concept: global structure가 고려되며, 피로가
발생되는 cross section에서 nominal stress가 계산되어야 한다.
• Notch Stress Concept: welded joint의 국지적인 특성이
고려되어야 하므로, FEM 해석에서 fine mesh를 구성해서 해석이
수행되어야 된다. – computation cost가 매우 크기 때문에 실무
보다는 연구 목적으로 사용되는 방법
• Structural Stress Concept: 정해진 규칙에 따라 측정위치가
결정되며 (strain gauge measurement, Haibach), weld transition
notch에 대한 응력으로부터 extrapolation하여 응력 분포를 얻는다.
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Welded Joints according to the FKM
Guideline (Engineering Research Org.)
User Entry:
Calculation:
· Material
· Temperature factor
· Component shape
· Component standard value
· Load
· S-N curve exponent
· Edge layer method
· Eigen stress factor
· Eigen stresses
· Thickness factor
· Temperature
· Edge layer factor
· Sheet metal thickness
· Protective layer factor
· Protective layer thickness
· Construction characteristic
· Component class
· Fatigue limit/alternat.stresses
· Endurance limit
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Nominal stress concept / S-N curve
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Nominal Stress Concept /
FAT-class-catalog according to FKM
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Hot-Spot-Concept: Methods of Idealization
(Source: IIW-Guideline Hobbacher)
위의 화살표는 측정위치를 나타낸다.
SN 곡선은 FAT-class 100을 사용하여 생성한다.
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해석 사례: Welded Flange Pipe Connection
specisman and fixing terms:
다음과 입력 조건이 필요:
•Load part sequence
•Material characteristics
•Material test results
•Geometry of the component
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Component Loading– local stresses
Weld에서 발생하는 local stress를 측정하기 어렵기 때문에 local stress는
vibration failure가 일어나는 곳에서 측정하여 사용한다.
local stress
to critical spot
bending moment
torsion moment
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Stress Concept에 따른 피로수명 예측과정
progress of nominal stress
T
S
Zeit [s]
Zeit [s]
stress-time-function
(t)=S(t)*kt
(t)=T(t)*kt
co m p o n en t d a ta
peak-to-valley height on surface
technology effect
stress factor Kt
stress gradient
material data
generator
fracture stress
yield point Re
X
section plane n
dismantled
y
yx
xy
x



Sa
stress test calculation for every elected
node for every time step for every
section plane
S-N curve
Sa
Haigh
N
Sm
1 rain flow matrix
load_to
damage
accumulation
load_from
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Welded Flange Pipe Connection - Results
nominal stress amplitude
(maximum of spectrum)
Analytical fatigue life prediction
300
280
260
240
220
200
180
160
140
120
100
1,0E+04
test crack
test failure
notch stress concept multi
local strain approach multi
1,0E+05
1,0E+06
1,0E+07
number of cycles of bending moment until zum crack (50% failure prohability)
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Welded Flange Pipe Connection - Results, FKM
winLIFE
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Gearwheel & Bearing
• winLIFE BASIC & winLIFE GEAR WHEELS AND BEARINGS
피로의 원인
- Gear tooth base의 피로 (bending fatigue)
Gear tooth base의 피로는 dynamic bending에 의해 발생하게 되는데, 이는 표면에 균열을
발생시키며 최종적으로 파단현상을 일으킬 수 있다.
기어 휠의 파단현상은 notch factor 및 표면의 거침 정도, 응력 크기 등에 크게 영향을
받는다.
- Tooth flank의 피로 (pittings)
톱니 사이의 미끄러짐이 없이 압력만이 가해지는 normal force가 작용하는 범위에서는
Hertz Pressing이 발생하며, 이는 pitting의 형태로 제품에 피로현상을 일으키게 된다.
Damage mechanisms
- Tooth foot bending in combination with a notch in the foot
- Local pressure in the flange results in pitting
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Gearwheel & Bearing
Gear tooth base fatigue
- Gear tooth base의 dynamic bending으로 피로가
발생하며 이것이 crack의 주요원인이 된다.
- surface roughness, stress, notch factor에 따라 결
국 파괴가 발생된다.
- Detailed S-N curves 생성
Peripheral force on a tooth and the bending stress on
the base of the tooth which results from this
Life curves according to different hypotheses
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winLIFE
Tooth flank fatigue (pittings)
- tooth의 힘이 tooth flank로 전달되면 Hertz 압력
으로 작용하는데 이것이 피로의 원인이 된다.
Force on a tooth and the pressure ratios resulting from this
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winLIFE
Fatigue life of antifriction bearings
- 피로의 원인은 tooth flank에서 pitting이 발생하는
것과 동일하다 (local Hertz Pressing)
- bearing의 수명계산 역시 exponential equation에 근
거하며 이 경우 Nominal stress method의 값과 유사하
다.
- life curve는 element type 형태를 갖는다.
Antifriction bearing
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Automotive Gearbox 적용사례
City bus automatic transmission (Voith)
Torque speed characteristic of a gear wheel
Time history of the input
torque for a fatigue
calculation of axles
Loading speed characteristic of a bearing
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Automotive Gearbox - Axles
1. Method 정의
(Nominal stress method - critical point에서 notch stress와 loading관계, notch effect
factor 가 필요, Local strain approach - With FEA
2. Rainflow count
(damage에 영향을 주는 loading을 결정)
3. S-N curve for nominal stress method
(static material data & the data of the axle (surface, notch radius))
4. an e-N curve and a damage parameter
curve for local strain approach
(제공된 material data과 Uniform material law를
적용하여 curve 생성)
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winLIFE 적용 사례들
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Automotive lower control arm
- Fatigue analysis using
winLIFE multiaxial module
NEiNASTRAN model
Strain-life curve for the material
Number of cycles to failure
for different load cases
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Stress ranges for different load cases
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Commercial Vehicle Wheel from G-AlSi7
Mg. in warm-hardened condition
The state of the area of the component where
failure due to oscillation is critical is measured
using strain gauges.
The data for this test is taken from the FKM
Research Guidelines No. 235
Strain measurement input
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Rotating components
Examples:
• Rotating vehicle wheel
• transmission shaft with gear wheels
• Rotating hub of a wind turbine
• crankshaft
Solution:
• Use static unit load conditions which
are made to resemble reality
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Rotating components – Vehicle Wheel
•
•
•
•
•
•
•
고정된 좌표시스템에서 작용되는forces와
moments을 측정.
unit load conditions을 정의하고 측정된 load로
전환.
모든 unit load 조건에 따라 FEM 해석 수행.
S-N curve 생성
모든 면의 노드에 대해 fatigue life Pre-check하
고 critical node의 list 작성.
100개의 노드에 대한 피로수명계산을 수행
결과에 대한 variants와 sensitivity를 확인.
Vehicle Wheel
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Automotive
-Driveline (clutches, torgue-converters, retarders, housing
of gear boxkes, shafts, planetary gears, torsional springs)
-Suspension (suspensions, axles, springs)
7-speed automatic gear box of Daimler Chrysler
Military vehicle Fennek
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Airplane
- Landing 과정에서의 피로해석
Plane used for measurement
Landing gear with strain gauges
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Energy-systems
Wind energy system
- Tower, rotary hub, etc.
- many different load scenarios exist
- rotor에 작용하는 forces와 torques의 측정을 통해 load histories가
얻어지며 이 결과를 통해 피로수명예측을 할 수 있다.
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Naval Industry
- 파도에 의해 선박에 작용하는 dynamic loading을 적용.
- 선박은 일반적으로 30년 이상 사용되기 때문에 피로수명이 중요한 설
계 기준이 된다.
- 표준화된 기존의 S-N-curves를 사용할 수 있다.
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감사합니다.
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