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Fatigue Life Information using Finite Elements( 피로수명예측 프로그램 )

winLIFE

에이블맥스㈜


CAE 통합 솔루션 전문 에이블맥스㈜


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) – FEM 의 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 concept 을 적용 . 표준으로 사용되는 FKM guideline 뿐만 아니라 인증 등에 필요한 다양한 guideline (next slide) 을 적용하여 SN 곡선을 생성할 수 있다 .


winLIFE 의 특성

• 다른 프로그램과 달리 FEM 결과 없이도 피로수명 예측이 가능하다 .

• FEM stress 결과를 winLIFE 로 쉽게 import 할 수 있다 .

– 표면 Node 의 stress tensor 데이터를 ASCII format 으로 저장할 수 있는 프로그램이라면 어떤 FEM 프로그램과도 interface 할 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 .

• SN 곡선 생성에 필요한 Material database 를 제공한다 .

• Workflow 를 단순화하여 사용자가 쉽게 사용할 수 있다 .

• Mohr circle 등에 대한 값을 그래프로 확인할 수 있어 multiaxial problem 인지의 여부를 쉽게 파악할 수 있다 . - 실험의 방법 및 횟수를 결정하는데 도움을 준다 .


Rules & Regulations for Dimensioning

General Mechanical Engineering:FKM GuidelinesDIN 743ASMEBritish Standard

Welded Constructions:IIW Guideline

Ship Building StandardsGermanischer Lloyd (GL). Korean Register of Shipping (KR). Lloyd's Register ofShipping (LR). Nippon Kaiji Kyokai (NK). Registro Italiano navale (RINA)American Bureau of Shipping (ABS);Det Norske Veritas (DNV);

Wind EnergyGermanischer Lloyd


winLIFE User Interface

winLIFE Screen and recommended workflow

-Workflow 를 단순화하여 사용자가 쉽게 사용할 수 있다 .


Data transfer between FEA and winLIFE

FE Solver(SAMCEF, NASTRAN, ADINA, IDEAS, ANSYS, etc.)

Pre & Post-Processor(SAMCEF, FEMAP, PATRAN, etc.)

Export files for winLIFE*.lst, *.wld

winLIFE-Material database-Component database- Fatigue life calculation- analysis of results- reports- protocol files

Export files from winLIFE-Node number-Damage sum- number of repeating until damage- safety against endurance limit

Data transfer flow

** FEM 해석결과에서 node 의 stress tensor 데이터를 ASCII 형태로만 저장이 가능하면 , winLIFE 로 입력하여 사용할 수 있다 .


FEM analysis program Interface

winLFIE import 파일

형식법칙 :

1. 제목에서 DATA 사이의 space 간격은 4 칸

2. 작업 시 반드시 공백으로 분리 되어야 함 .

3.MPa 단위를 기본으로 함 .


FEM analysis program Interface – SAMCEF version 7.0

SAMCEF version 7.0 Interface

- winLIFE 에 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

(winLIFE 의 post processing 지원 )


Material Database

Material database window

기본적으로 제공하는 database 가 있으며 , 그 외에도 아래와 같이 winLIFE 홈페이지 www.stz-verkehr.de 로부터 물성데이터를 download 받을 수 있다 .

http://www.stz-verkehr.de/


Material Database


winLIFE BASIC

Nominal stress method:

rel. Miner-rule

component test

damage accum.

fatigue life to failure

nominal stress S-N

curve

component test

nominal stress

spectrum

measuring, classificati

on

material

geometry

surface

loading spectru

m

geometry

loadComponent S-N Curves- material properties, - Shape factor, - Stress gradient,- Surface,- dimensions of part

fatigue analysis process using nominal stress method


winLIFE BASIC

Local strain method:-The cyclic stress-strain curve: Real stress and strain 이 필요 (FE method)

- elastic stress-strain analysis 얻어진 stress 를 Neuber’s rule 을 사용 real stress 로 변환

- a strain life curve (E-N curve)- a damage parameter curve

Advantages:-유한요소방법과 함께 사용하기 때문에 automatic procedure 가 가능 ( 사용자가 critical point 를 찾을 필요가 없다 )-재료에 대한 Real stress-strain 가 고려되기 때문에 plastic stress 를 정확히 모델링 할 수 있다 .-low cycle fatigue (high stresses with plastic deformation) 에 better performance

Stress-strain path from the rainflow matrix

Stress-strain characteristics of a material

Damage parameter life curve according to Smith Watson and Topper


• dynamic multiaxial load 에 의해 principal stress 의 방향이 변화하는 경우에 해당 .

• 적용분야

- bodywork structure

- axle components

- crankshafts

- rotary blades for wind power stations etc.

Part under the influence of several forces at the same time (steering under dynamic loading)

load-time function

winLIFE MULTIAXIAL


winLIFE MULTIAXIAL

Strain gauges 를 사용하는 경우 :

Strain rosettes 가 사용되어 strain 이 측정된 경우 이 데이터를 입력하여 피로해석을 수행할 수 있다 .

Transverse loading of the transverse control arm


winLIFE MULTIAXIAL- Analysis of the results

Result

- Damage Sum

- Protocol

- S-N Curve with load

- Range mean count

- Principal stress angle

- Rainflow matrix

- Mohr’s Circle

<Damage sum>

<S-N Curve with load>

<Mohr’s Circle>

<Protocol>

<Rainflow matrix>

<Range mean count>

<Principal stress angle>


용접부분의 피로수명 예측

적용분야 : shipbuilding

Wind turbines

Off-Shore-Technics (oil platform, etc)

Automotive engineering

Aircraft engineering


용접부분의 피로수명은 다음과 같은 parameter 에 의해 영향을 받는다 .

– Material(s)– Geometry– Cracks, pores, cavities, undercuts,– Eigen stresses– Surface roughness– Transition notches

용접부분의 피로수명 예측


용접부위의 응력 (Source Radaj, Sonsino)


용접부위 피로수명 예측 방법들

• Nominal Stress Concept: global structure 가 고려되며 , 피로가 발생되는 cross section 에서 nominal stress 가 계산되어야 한다 .

• Notch Stress Concept: welded joint 의 국지적인 특성이 고려되어야 하므로 , FEM 해석에서 fine mesh 를 구성해서 해석이 수행되어야 된다 . – computation cost 가 매우 크기 때문에 실무 보다는 연구 목적으로 사용되는 방법

• Structural Stress Concept: 정해진 규칙에 따라 측정위치가 결정되며 (strain gauge measurement, Haibach), weld transition notch 에 대한 응력으로부터 extrapolation 하여 응력 분포를 얻는다 .


Welded Joints according to the FKM Guideline (Engineering Research Org.)

User Entry:

· Material

· Load

· Component shape

· Temperature

· Eigen stresses

· Component class

· Edge layer method

· Sheet metal thickness

· Protective layer thickness

Calculation:

· Temperature factor

· Component standard value

· S-N curve exponent

· Eigen stress factor

· Thickness factor

· Edge layer factor

· Protective layer factor

· Construction characteristic

· Fatigue limit/alternat.stresses

· Endurance limit


Nominal stress concept / S-N curve


Nominal Stress Concept / FAT-class-catalog according to FKM


Hot-Spot-Concept: Methods of Idealization (Source: IIW-Guideline Hobbacher)

SN 곡선은 FAT-class 100 을 사용하여 생성한다 .

위의 화살표는 측정위치를 나타낸다 .


해석 사례 : Welded Flange Pipe Connection

다음과 입력 조건이 필요 :

•Load part sequence

•Material characteristics

•Material test results

•Geometry of the component

specisman and fixing terms:


Component Loading– local stresses

local stress

to critical spot

bending moment

torsion moment

Weld 에서 발생하는 local stress 를 측정하기 어렵기 때문에 local stress 는 vibration failure 가 일어나는 곳에서 측정하여 사용한다 .


Stress Concept 에 따른 피로수명 예측과정

1 rain flow matrix

damageaccumulation

load_from

load_to

Sa

N

Sa

Sm

material data

S-N curve Haigh

generator

X

c o m p o n en t d a tapeak-to-valley height on surfacetechnology effect stress factor Ktstress gradient

fracture stressyield point Re

Zeit [s]Zeit [s]

progress of nominal stress

x

y

xy

yx

section plane n dismantled

(t)=S(t)*kt(t)=T(t)*kt

stress-time-function

S T

stress test calculation for every electednode for every time step for every section plane


Welded Flange Pipe Connection - Results


Welded Flange Pipe Connection - Results, FKM

winLIFE


Gearwheel & Bearing

• winLIFE BASIC & winLIFE GEAR WHEELS AND BEARINGS

피로의 원인

- Gear tooth base 의 피로 (bending fatigue)

Gear tooth base 의 피로는 dynamic bending 에 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 flank 의 피로 (pittings)

톱니 사이의 미끄러짐이 없이 압력만이 가해지는 normal force 가 작용하는 범위에서는

Hertz Pressing 이 발생하며 , 이는 pitting 의 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


Gearwheel & Bearing

Gear tooth base fatigue

Peripheral force on a tooth and the bending stress on the base of the tooth which results from this

- Gear tooth base 의 dynamic bending 으로 피로가 발생하며 이것이 crack 의 주요원인이 된다 . - surface roughness, stress, notch factor 에 따라 결국 파괴가 발생된다 .- Detailed S-N curves 생성

Life curves according to different hypotheses


winLIFE

Tooth flank fatigue (pittings)

Force on a tooth and the pressure ratios resulting from this

- tooth 의 힘이 tooth flank 로 전달되면 Hertz 압력으로 작용하는데 이것이 피로의 원인이 된다 .


winLIFE

Fatigue life of antifriction bearings

Antifriction bearing

- 피로의 원인은 tooth flank 에서 pitting 이 발생하는 것과 동일하다 (local Hertz Pressing)

- bearing 의 수명계산 역시 exponential equation 에 근거하며 이 경우 Nominal stress method 의 값과 유사하다 .

- life curve 는 element type 형태를 갖는다 .


Automotive Gearbox 적용사례

City bus automatic transmission (Voith) Time history of the input torque for a fatigue calculation of axles

Torque speed characteristic of a gear wheel Loading speed characteristic of a bearing


Automotive Gearbox - Axles

1. Method 정의(Nominal stress method - critical point 에서 notch stress 와 loading 관계 , notch effect factor 가 필요 , Local strain approach - With FEA

2. Rainflow count(damage 에 영향을 주는 loading 을 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 data 과 Uniform material law 를 적용하여 curve 생성 )


winLIFE 적용 사례들


Automotive lower control arm

NEiNASTRAN model

- Fatigue analysis using winLIFE multiaxial module

Strain-life curve for the materialNumber of cycles to failure for different load cases

Stress ranges for different load cases


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


Rotating components

Examples:• Rotating vehicle wheel• transmission shaft with gear

wheels• Rotating hub of a wind turbine• crankshaftSolution:• Use static unit load conditions

which are made to resemble reality


Rotating components – Vehicle Wheel

Vehicle Wheel

• 고정된 좌표시스템에서 작용되는 forces 와 moments 을 측정 .

• unit load conditions 을 정의하고 측정된 load 로 전환 .

• 모든 unit load 조건에 따라 FEM 해석 수행 .• S-N curve 생성• 모든 면의 노드에 대해 fatigue life Pre-

check 하고 critical node 의 list 작성 .• 100 개의 노드에 대한 피로수명계산을 수행• 결과에 대한 variants 와 sensitivity 를 확

인 .


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


Airplane

- Landing 과정에서의 피로해석

Landing gear with strain gauges

Plane used for measurement


Energy-systems

Wind energy system

- Tower, rotary hub, etc.- many different load scenarios exist- rotor 에 작용하는 forces 와 torques 의 측정을 통해 load histories 가 얻어지며 이 결과를 통해 피로수명예측을 할 수 있다 .


Naval Industry

- 파도에 의해 선박에 작용하는 dynamic loading 을 적용 .- 선박은 일반적으로 30 년 이상 사용되기 때문에 피로수명이 중요한 설계 기준이 된다 .- 표준화된 기존의 S-N-curves 를 사용할 수 있다 .


감사합니다 .

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