Numeričko modeliranje postupka zaustavljanja širenja pukotina : doktorska disertacija - Vulić, Nenad; Alfirević, Ivo; Jecić, Stjepan; Grubišić, Vatroslav (Zagreb : N. Vulić, 1995)
Sažetak: Zamorne pukotine u konstrukcijama izazivaju brojne poteškoće, s mogućim vrlo ozbiljnim posljedicama, kao što su oštećenja i lomovi. Cilj ovog rada je doprinijeti pouzdanosti metalnih konstrukcija, s gledišta zaustavljanja širenja zamornih pukotina primjenom jednostavnog postupka izradbe zaustavnih provrta u vrhovima pukotina. Zadatak je bio ispitati parametre, koji utječu na djelotvornost postupka zaustavnih provrta, te iznaći postupak njihove optimizacije, tj. izbora takve kombinacije parametara, koja će omogućiti da se što je moguće više odgodi nastanak nove pukotine, nakon sanacije prethodne zaustavnim provrtima. Uzorci, koji opisuju ponašanje dijela konstrukcije na kojemu se pojavila pukotina, su odabrani tako da omogućavaju praktičnu primjenu dobivenih rezultata na stvarnim konstrukcijama.
Primijenjen je postupak numeričkog modeliranja razdiobe deformacija i naprezanja na uzorcima, metodom konačnih elemenata. Nelinearnim proračunom, koji polazi od elastoplastičnog modela materijala, uzimajući u obzir i kinematičku nelinearnost, određene su deformacije i naprezanja u numeričkim modelima uzoraka, izloženih ciklički promjenljivom opterećenju stalne amplitude. Procjena vijeka trajanja uzorka do nastanka nove pukotine polazi od amplituda i srednjih vrijednosti izračunatih deformacija i naprezanja. Ona se osniva na Manson-Coffinovoj jednadžbi i modifikaciji Smith-Watson-Topperovog parametra, koja uzima u obzir predznak srednjeg naprezanja. U radu su analizirani sljedeći parametri postupka zaustavnih provrta, za uzorke od aluminijske slitine AlCuMg2 i čelične zatike, zanemarujući frekvenciju vanjskog opterećenja i koroziju trenja
- Primijenjeni postupak sanacije, tj. proširivanje zaustavnih provrta alatom za protrnjivanje, sa ili bez naknadnog utiskivanja zatika; - Postotak prekomjernosti alata/zatika, u odnosu na početni promjer zaustavnih provrta; - Utjecaj debljine uzorka, izražen koncepcijom numeričkog proračuna (stanje ravninske deformacije, ili stanje ravninskog naprezanja); - Utjecaj oblika uzorka izražen položajem pukotine ( u sredini ili na rubu uzorka); - Utjecaj relativne duljine pukotine, za uzorke s pukotinom na rubu; - Utjecaj amplitude i omjera vanjskih opterećenja uzorka. Rezultati rada prikazani su u obliku dijagrama numeričke procjene vijeka trajanja u srednjem presjeku uzoraka, te u obliku dijagrama zavisnosti vijeka trajanja o postotku prekomjernosti obrade zaustavnih provrta, zavisno o postupku sanacije, obliku uzorka,te relativnoj duljini pukotine.
Numerički rezultati su uspoređeni s eksperimentalnim rezultatima, dostupnim prema literaturi i nađeno je njihovo vrlo dobro slaganje, što potvrđuje opravdanost primjene numeričkog modela. Rezultati ukazuju na to da, za navedeni materijal uzoraka, numeričku procjenu vijeka trajanja treba osnivati na ekvivalentnim deformacijama i normalnim naprezanjima u uzdužnom smjeru uzorka.Pojedine utjecajne veličine analizirane su na osnovu numeričkih rezultata,što je tabelarno prikazano.Zapaža se da postupak obrade zaustavnih provrta s naknadnim utiskivanjem zatika daje znatno povoljniji vijek trajanja,nego samo njihova hladna obrada protrnjivanjem.Nadalje stupanj prekomjernosti alata/zatika značajno utječe na vijek trajanja kod uzoraka s pukotinom na rubu (osobito kod pukotina velike relativne duljine),što je manje izraženo kod uzoraka s pukotinom u sredini.
Summary: Fatigue cracks in structures cause many problems, with possible serious consequences, such as failures and fractures. The objective of this thesis is to contribute to the reliability of metal structures, with respect to stopping of cracks propagation, by means of a simple procedure, known as crack arrest holes procedure. The task was to investigate the parameters affecting the efficiency of crack arrest holes procedure and to investigate the possibility of their optimization, i.e. the selection of such a combination of parameters, which will postpone the initiation of a new crack as much as possible, after the reparation of a previous one. Specimens, used to describe behavior of a structural part with a crack, are selected in such a way that they allow possibility of practical application of the obtained results in real structures.
Numerical modeling of distribution of strains and stresses in these apecimens, by means of finite element methods was applied. Strains and stresses in numerical models of specimens, exposed to the cyclic variable loading, with a constant amplitude were calculated by means of a nonlinear calculation procedure, based on elastoplastic material model and taking the effect of kinematic nonlinearities into account, as well. Estimation of fatigue life to the initiation of a new crack is based on amplitudes and mean values of the calculated strains and stresses. This estimation is based upon the Manson-Coffin equation and the modification of Smith-Watson-Topper's parameter, taking into account the sign of the mean stress.
The following parameters of crack arrest holes procedure, for the specimens made of aluminum alloy AlCuMg2 (i.e. 2024-T3) and steel pins were analyzed in this research, neglecting the influence of external loading frequency and friction corrosion: -Applied reparation procedure, i.e. cold expansion of crack arrest holes by mandrelizing, with or without an insertion of pins (solid sleeves) into the holes, after the cold expansion; -The degree of oversize of a mandrel/pin, with respect to the initial diameter of the holes; -Specimens thickness influence (expressed by a numerical calculations concept, based on plane stresses or plane strain approach); -Specimens shape influence, expressed by the crack position (in the middle, or at the edge); -Influence of relative length of the crack, for specimens with a crack at the edge
-Influence of external loading amplitude and external loading ratio. The thesis results are shown in the diagrams of numerical fatigue life estimation values in the specimens midsection and the diagrams showing the relation of estimated fatigue life to the percentage of crack arrest holes oversize, for various reparation procedures, specimen shapes and the relative crack lengths. The numerical results are compared with experimental results from the literature and a very good agreement was found. This justifies the implementation of a numerical model. It is shown that, for the material analyzed, numerical estimation of fatigue life should be based on equivalent strains and normal stresses in the longitudinal direction. Particular parameters were analyzed on the basis of the numerical results.
The results showed that the procedure with insertion of pins gave much better results than the mandrelizing alone. The fatigue life estimation is to be based upon the equivalent strains and the normal stresses in the loading direction. In addition to this, the degree of oversize has a more significant influence to the fatigue life of specimens with an edge crack (especially for the cracks of relatively high length), that for the specimens with a crack in the middle.
Doktor tehničkih znanosti - strojarstvo
Komisija za ocjenu: Ivo Alfirević, Stjepan Jecić, Vatroslav Grubišić; Komisija za obranu: Ivo Alfirević, Stjepan Jecić, Vatroslav Grubišić; datum obrane 27.10.1995.; datum promocije 29.03.1996.
Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb, 1995
Bibliografija: str. 139-143
Summary
Keywords: Zamorne pukotine -- Sanacija