University of Oulu

Virtuaalinen väsymistestaaminen

Saved in:
Author: Niskanen, Immo1
Organizations: 1University of Oulu, Faculty of Technology, Mechanical Engineering
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 2.2 MB)
Pages: 37
Persistent link: http://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202103161333
Language: Finnish
Published: Oulu : I. Niskanen, 2021
Publish Date: 2021-03-16
Thesis type: Bachelor's thesis
Description:

Tiivistelmä

Väsymisen tutkiminen ilmiönä on tärkeää, sillä se on usein rakenteiden kestoiän määrittävä tekijä. Ilmiön ennustamiseksi on kehitetty useita erilaisia malleja. Näiden mallien tarkkuudet vaihtelevat ja kaikki mallit eivät toimi kaikissa tilanteissa, minkä vuoksi yksikään malli ei ole vielä saanut yleistä hyväksyntää. Työssä perehdytään virtuaalisen väsymistestaamisen historiaan, tulevaisuuden näkymiin, sekä tarkastellaan erilaisten kappaleiden käyttäytymistä yhden tällaisen mallin avulla. Lisäksi työssä käydään pintapuolisesti läpi materiaalien väsymistä ilmiönä.

Tarkasteltava malli on kiteiden plastisuuteen perustuva elementtimalli. Kideplastisuusmallin tarjoama lähestymistapa mahdollistaa väsymisen tarkastelemisen mikromekaanisella tasolla. Jaksollisen kuormituksen vaikutuksen plastisuuteen ja mikrorakenteellisten ominaisuuksien ymmärtäminen on oleellista, jotta voidaan muodostaa kattava käsitys väsymisestä ilmiönä. Yksinkertaisuuden vuoksi mallista on jätetty materiaalin vaurioitumisen vaikutus pois ja se on muutettu toimimaan pienten siirtymien teorian mukaisesti. Kideplastisuusmalli otettiin käyttöön Zset-ohjelmistossa, jossa sillä suoritettiin elementtimenetelmäsimulaatioita. Tulosten käsittelyssä käytettiin Pythonia.

Mallilla suoritetaan puhtaan materiaalin ja sulkeuman sisältävien kappaleiden vetokokeita sen toiminnan arvioimiseksi. Sulkeuman sisältävää materiaalia tarkastellaan myös väsyttävässä jaksollisessa kuormituksessa. Tarkasteltaville kappaleille on annettu martensiittisen suurlujuusteräksen arvot. Sulkeumat ovat pyöreitä ja täydellisesti kiinnittyneitä materiaalin matriisiin. Sulkeuman tarkastelussa on käytetty jokaisessa tilanteessa alumiinioksidille tyypillistä suurta kimmokerrointa, lukuun ottamatta osiota, jossa tarkastellaan sulkeuman kimmomoduulin vaikutusta materiaalin käyttäytymiseen. Kideplastisuusmallin havaitaan tuottavan realistisia tuloksia plastisen käyttäytymisen perusteella. Myös kideorientaation vaikutus on selvästi havaittavissa koetilanteissa.

Virtual fatigue testing

Abstract

Research of fatigue as a phenomenon is important as it is often the defining factor of a component’s life. Many models have been developed to predict material fatigue, yet all of these models have inaccuracies and do not work in every situation. Therefore there is no universal acceptance for any model as the best for modeling fatigue. This work focuses on the history of fatigue modeling, future of virtual fatigue testing and fatigue as a phenomenon. A model based on crystal plasticity and its functioning is inspected in greater detail.

The inspected model uses the finite element method for simulations. The crystal plasticity approach enables investigating fatigue as a micromechanical phenomenon. Understanding the effects of cyclic loading on plasticity and microstructural properties is crucial for complete understanding of material fatigue. For simplicity, material damage is not considered in this work. The crystal plasticity model is also transformed for the theory of small deformations. The model was used for FEM simulations in Zset-software and Python was used to process the results.

The model was used to simulate a tensile test for clean material and for material with a round inclusion. Clean material was also simulated in cyclic loading. The values of a high strength martensitic steel were used for the material. The inclusions used were bonded perfectly to the material matrix. They were given a Young’s modulus typical of aluminum oxide inclusion in all the simulations except for the study of material behavior’s dependence on inclusion stiffness. The crystal plasticity model produces realistic results based on the plastic behavior. It also simulates accurately the effect of crystal orientation.

see all

Subjects:
Copyright information: © Immo Niskanen, 2021. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.