Kitkaväsymisestä aiheutuvien säröjen etenemisen tutkiminen murtumismekaniikan avulla

Samankaltaiset tiedostot
Vauriomekanismi: Väsyminen

SISÄLTÖ Venymän käsite Liukuman käsite Venymä ja liukuma lujuusopin sovelluksissa

Murtumismekaniikka III LEFM => EPFM

Ratkaisut 3. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016

HITSATUN LIITOKSEN VÄSYMISKESTÄVYYDEN MÄÄRITTÄMINEN SÄRÖN KASVUN SIMULOINNILLA

Liite A : Kuvat. Kuva 1.1: Periaatekuva CLIC-kiihdyttimestä. [ 1 ]

Valkonen, Ilkka; Valkonen, Antti Tuotantokäyttöön soveltuva edullinen menetelmä hitsin juuren puolen väsymiseliniän arvioimiseksi

Tuukka Yrttimaa. Vaurioituminen. Sitkeä- ja haurasmurtuma. Brittle and Ductile Fracture

Ympyrä 1/6 Sisältö ESITIEDOT: käyrä, kulma, piste, suora

Väsymissärön ydintyminen

Simulation and modeling for quality and reliability (valmiin työn esittely) Aleksi Seppänen

Pinta-alojen ja tilavuuksien laskeminen 1/6 Sisältö ESITIEDOT: määrätty integraali

Vaatimukset. Rakenne. Materiaalit ja niiden ominaisuudet. Timo Kiesi

Kuva 1. Mallinnettavan kuormaajan ohjaamo.

ELEMENTTIMENETELMÄN PERUSTEET SESSIO 01: Johdanto. Elementtiverkko. Solmusuureet.

Vanhoja koetehtäviä. Analyyttinen geometria 2016

10. Jännitysten ja muodonmuutosten yhteys; vaurioteoriat

Tehtävä 1. Lähtötiedot. Kylmämuovattu CHS 159 4, Kylmävalssattu nauha, Ruostumaton teräsnauha Tehtävän kuvaus

Lauseen erikoistapaus on ollut kevään 2001 ylioppilaskirjoitusten pitkän matematiikan kokeessa seuraavassa muodossa:

Vastaanotettu Hyväksytty Julkaistu verkossa

TIMO YRJÄNÄ MURTUMISPARAMETRIEN LASKEMINEN ELEMENTTIMENETELMÄLLÄ

Vaihdelaa(kon synkronirengas C.R Gagg & P.R Lewis / Engineering Failure Analysis 16 (2009)

AKSIAALIVUOSÄHKÖMOOTTORIN VALURUNGON VÄSYMISTARKASTELU

Murtumismekanismit: Väsyminen

Stalatube Oy. P u t k i k a n n a k k e e n m a s s o j e n v e r t a i l u. Laskentaraportti

Tampere University of Technology

TENTEISSÄ SALLITTU KIRJALLISUUS (päivitetty ) Jos ei tenttiä mainittu, ei myöskään lisämateriaalia.

Harjoitus 1. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016. Tehtävä 1 Selitä käsitteet kohdissa [a), b)] ja laske c) kohdan tehtävä.

Suorien ja tasojen geometriaa Suorien ja tasojen yhtälöt

TEKNILLINEN TIEDEKUNTA. Todennäköisyysteoriaan ja murtumismekaniikkaan pohjautuva laskentatyökalu teollisuuden tarpeisiin.

Ympyrän yhtälö

Kartio ja pyramidi

TENTEISSÄ SALLITTU KIRJALLISUUS (päivitetty ) Jos ei tenttiä mainittu, ei myöskään lisämateriaalia.

Hitsaustekniikkaa suunnittelijoille koulutuspäivä Hitsattujen rakenteiden lujuustarkastelu Tatu Westerholm

MUISTIO No CFD/MECHA pvm 22. kesäkuuta 2011

Kertaus. Integraalifunktio ja integrointi. 2( x 1) 1 2x. 3( x 1) 1 (3x 1) KERTAUSTEHTÄVIÄ. K1. a)

Ajankohtaista rakenteiden mekaniikasta. Uusia muotoja virtuaaliseen työntekoon Antti H. Niemi, RIL lounastilaisuus,

Tekijä Pitkä matematiikka Suoran pisteitä ovat esimerkiksi ( 5, 2), ( 2,1), (1, 0), (4, 1) ja ( 11, 4).

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos. MS-A0203 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2, kevät 2016

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

HENKILÖAUTOJEN KESKIKUORMITUS HELSINGISSÄ VUONNA 2004

13. Taylorin polynomi; funktioiden approksimoinnista. Muodosta viidennen asteen Taylorin polynomi kehityskeskuksena origo funktiolle

FYSA210/2 PYÖRIVÄ KOORDINAATISTO

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

Ajalliset muunnokset eksploratiivisen paikkatietoanalyysin työkaluna. Salla Multimäki

sitä vastaava Cliffordin algebran kannan alkio. Merkitään I = e 1 e 2 e n

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI I Harjoitustehtäviä syksy Millä reaaliluvun x arvoilla. 3 4 x 2,

Harjoitus 10. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016

Harjoitus 6. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016

r = n = 121 Tilastollista testausta varten määritetään aluksi hypoteesit.

4.3 Kehäkulma. Keskuskulma

Kahden suoran leikkauspiste ja välinen kulma (suoraparvia)

l 1 2l + 1, c) 100 l=0 AB 3AC ja AB AC sekä vektoreiden AB ja

Tämä ehdotus ei ole pelkästään ympäristöön sijoitettu taideteos, vaan taideteos, jossa on kyse liikkeestä - katsojan liikkumisesta.

VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Lauri Karppi j SATE.2010 Dynaaminen kenttäteoria DIPOLIRYHMÄANTENNI.

LOKAN JA PORTTIPAHDAN TEKOJÄRVIEN KALOJEN ELOHOPEAPITOISUUDEN TARKKAILU VUONNA 2012

Väsymisanalyysi Case Reposaaren silta

MATEMATIIKAN KOE, LYHYT OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

2 Raja-arvo ja jatkuvuus

Oppimateriaali oppilaalle ja opettajalle : GeoGebra oppilaan työkaluna ylioppilaskirjoituksissa 2016 versio 0.8

a) Mitkä reaaliluvut x toteuttavat yhtälön x 2 = 7? (1 p.) b) Mitkä reaaliluvut x toteuttavat yhtälön 5 4 x

8. Yhdistetyt rasitukset

MATEMAATTIS- LUONNONTIETEELLINEN OSAAMINEN

Epäeuklidista geometriaa

Harjoitus 9: Excel - Tilastollinen analyysi

Tulipalon vaikutus rakenteisiin CFD-FEM mallinnuksella

Vesihuoltoverkoston korjausvelan laskennan kehitys

FYSIIKAN LABORATORIOTYÖT 2 MAGNEETTIKENTTÄTYÖ

GEOMETRIA MAA3 Geometrian perusobjekteja ja suureita

Murtumissitkeyden arvioimisen ongelmia

Helsingin, Itä-Suomen, Jyväskylän, Oulun, Tampereen ja Turun yliopisto Matematiikan valintakoe klo 10-13

normaali- ja leikkaus jännitysten laskemiseen pisteessä Määritetään ne tasot, joista suurimmat normaali- ja leikkausjännitykset löytyvät

PANK Menetelmä soveltuu ainoastaan kairasydännäytteille, joiden halkaisija on mm.

2 Pistejoukko koordinaatistossa

Oletetaan ensin, että tangenttitaso on olemassa. Nyt pinnalla S on koordinaattiesitys ψ, jolle pätee että kaikilla x V U

VÄSYMISMITOITUS Pasila. Antti Silvennoinen, WSP Finland

Analysoidaan lämpöjännitysten, jännityskeskittymien, plastisten muodonmuutosten ja jäännösjännityksien vaikutus

MATEMATIIKAN KOE PITKÄ OPPIMÄÄRÄ

Perhenimen tuulivoimahanke, Iitti

Anna jokaisen kohdan vastaus kolmen merkitsevän numeron tarkkuudella muodossa

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2017 Insinöörivalinnan matematiikan koe , Ratkaisut (Sarja A)

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Malliratkaisut 5 / vko 48

GeoCalc Stabiliteetti käyttöesimerkki Vianova Systems Finland Oy Versio

PRELIMINÄÄRIKOE PITKÄ MATEMATIIKKA

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

ELEMENTTIMENETELMÄN PERUSTEET SESSIO 05: FEM-analyysista saatavat tulokset ja niiden käyttö.

1 PÄÄTÖS 1 (6) POTILAAN SÄTEILYALTISTUKSEN VERTAILUTASOT LASTEN RÖNTGENTUTKIMUKSISSA

Pienahitsien materiaalikerroin w

f (28) L(28) = f (27) + f (27)(28 27) = = (28 27) 2 = 1 2 f (x) = x 2

5.6.3 Matematiikan lyhyt oppimäärä

Koko maan ilveskanta-arvion taustasta ja erityisesti Etelä-Hämeen arviosta. Tiedosta ratkaisuja kestäviin valintoihin

805306A Johdatus monimuuttujamenetelmiin, 5 op

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

3.4 Rationaalifunktion kulku ja asymptootit

Kon Simuloinnin Rakentaminen Janne Ojala

7. laskuharjoituskierros, vko 10, ratkaisut

OSIITAIN JA YKKIEN LIITOSTEN V AIKUTUS PORTAALIKEHAN VOI MASUUREISIIN. Rakenteiden Mekaniikka, Vol.27 No.3, 1994, s

Transkriptio:

Rakenteiden Mekaniikka Vol. 50, Nro 3, 2017, s. 186-190 http://rakenteidenmekaniikka.journal.fi/index https:/doi.org/10.23998/rm.64935 Kirjoittaja(t) 2017. Vapaasti saatavilla CC BY-SA 4.0 lisensioitu. Kitkaväsymisestä aiheutuvien säröjen etenemisen tutkiminen murtumismekaniikan avulla Juho Niva Tiivistelmä. Paperikoneen telan päätyliitokseen ydintyvien kitkaväsymissäröjen etenemistä tutkittiin murtumismekaniikan avulla, soveltaen kolmiulotteista elementtimenetelmään perustuvaa laskentaa jännitysintensiteettikertoimen KK II ja sen vaihteluvälin KK II määrittämiseksi. Analyysi osoitti parametrien kasvukehityksen hidastuvan ja jopa kääntyvän laskuun särön kärjen edetessä riittävän syvälle telavaipan seinämässä. Säröjen kasvunopeuden kannalta tämä tarkoittaa vähintäänkin merkittävää hidastumista, mutta myös pysähtyminen on mahdollinen. Avainsanat: kitkaväsyminen, murtumismekaniikka, jännitysintensiteetti, elementtimenetelmä Vastaanotettu 16.6.2017. Hyväksytty 8.8.2017. Julkaistu verkossa 21.8.2017. Johdanto Kitkaväsymiseksi kutsutaan ilmiötä, joka ydintää ja kasvattaa säröjä yhteenpuristettujen pintojen edestakaisessa mikroskooppisessa luistossa. Englanninkielessä siitä käytetään nimitystä fretting fatigue. Kitkaväsymissäröjä tavataan toisinaan paperikoneen telan, ahdistusja ruuviliitoksesta muodostuvassa, päätyliitoksessa telavaipan ahdistusliitospinnalla. Vaurioituneet vaipat profiloitu-vat voimakkaiden käyttökuormien lisäksi pitkällä kuormitushistorialla. Havaintoja on toisaalta myös säröjen nopeasta ydintymisestä, mikä on tunnusomaista kitkaväsymiselle. Vaurioiden ennaltaehkäisemisen ohella on muodostunut tarpeelliseksi tutkia kehäsäröjen etenemistä vaipan seinämässä kuormitushistorian aikana. Murtumismekaniikkaa soveltava elementtimenetelmään (Finite Element Method, FEM) perustuva laskenta on tähän hyvä työkalu. Sen avulla voidaan arvioida särön kasvun luonnetta suhteellisen niukalla materiaalin murtumis-ominaisuuksien tuntemuksella ja ilman täysmittakaavaista koelaitetta. 186

Laskentamalli Laskennallinen tarkastelu perustuu olemassa olevaan vauriovaippaan, jonka kuormitushistoria ja särödimensiot tunnetaan. Jotta särönkasvun luonnetta voidaan arvioida luotettavimmalla mahdollisella tavalla, on analyysin ulkopuolelle rajattava matalat, kärkialueeltaan vielä vaikeasti mallinnettavan osittaisluistavan kontaktipinnan läheisyydessä sijaitsevat säröt. Sen sijaan tut-kimukseen on sisällytettävä syvyydeltään havaittuja säröjä pidemmälle vaipan seinämään edenneitä säröjä. Tutkittavat särösyvyydet ovat 6, 10, 14 ja 18 mm. Asain [1] mukaan kitkaväsymissäröjen kehittyminen voidaan jakaa kahteen vaiheeseen. Ensimmäisessä vaiheessa särön ydintää ja sitä kasvattaa leikkaava muodonmuutos- ja jännitystila. Lyhyen sekakuormitusalueen jälkeen särön orientaatio kääntyy sen kärjen siirtyessä sitä avaavan kuormituksen vaikutuksen alaisuuteen. Tällöin säröllä on yleensä pituutta sadoista mikrometreistä yhteen millimetriin ja sen kasvusuunta lähestyy ydintymispinnan normaalia [1, 2]. Havaintojen nojalla on perusteltua käyttää jo useiden millimetrien syvyisten säröjen tutkimisessa laskenta-mallia, jossa säröjen orientaatio on kohtisuorassa ydintymispintaansa nähden. Analyysissä sovellettavaksi murtumisparametriksi valitaan jännitysintensiteettikerroin KK II avaavan kuormitus-tavan sekä tutkittavan rakenteen määräävän vaihtojännityksen nojalla. Etenkin parametrin vaihteluvälillä KK II on keskeinen merkitys särön kasvussa [3]. Päätyliitoksen kehäsäröjen FEM-analyysi suoritetaan alimallinnustekniikkaa hyödyntäen Ansys 17.2 -ohjelmistolla. Alimallin muodonmuutos määritellään ulkoisille kuormituksille altistetun säröttömän emomallin siirtymätuloksista. Särö kuvataan puolielliptisenä ja kohtisuorana ydintymispintaansa nähden. Kärkialueella käytetään elementiityyppiä SOLID186, joka singulaarisuuden tuottamiseksi degeneroi keskisolmullisista kuutioelementeistä kiilan muotoisia [4]. Elementtityypin avulla voidaan tulostaa suoraan ohjelmiston integroimia KK II :n arvoja. Alimallia havainnollistaa kuva 1 ja sen keskeisimmät mitat on lueteltu taulukossa 1. Kuva 1. Alimalli ja sen elementtiverkko. Taulukko 1. Alimallin geometrian dimensiot jännitysintensiteettikertoimen KK II laskennassa. 187

Tunnus Selite [mm] RR 0 vaipan sisäsäde 527,5 ss tt särön etäisyys vaipan otsapinnasta vaipan seinämän paksuus 65,0 65,5 ll särön kehäpituuden puolikas, ellipsin suurempi säde 40,0 Alimallin elementtiverkon verifioimiseksi suoritetaan vertailevaa laskentaa analyyttisellä ratkaisulla, joka elliptisen tasosärön tapauksessa saadaan KK II :lle Greenin ja Sneddonin [5] nojalla muotoon: KK II = σσ ππππ EE(mm) (1 mm2 cccccc 2 ) 1/4, (1) jossa σσ on nimellisjännitys kaukana säröstä, mm = 1 aa 2 /ll 2 ja EE(mm) on täydellinen toisen lajin elliptinen integraali. Kaavalla (1) määritettäviä tuloksia kerrotaan vielä arvolla 1.12, joka on likimain reunasärön muotokerroin [3]. Vertailukelpoisten tulosten saavuttamiseksi verifiointi-analyysissä käytetään ekvivalenttia kuormitusta, joka tuottaa alimalliin yhtälössä (1) sovellettavan nimellisjännityksen. Vertailua suoritetaan myös alunperin Newmanin ja Rajun 1983 julkaisemaan koetuloksiin sovitettuun puolielliptisen pintasärön taulukkoratkaisuun, joka on luettavissa viitteen [3] sivulta 364. Se asettaa ehdon ss aa, ll, jonka voimassaolo alimallissa jää kuitenkin kyseenalaiseksi taulukon 1 perusteella. Tulokset Verifiointianalyysi Alimallilla, yhtälöllä (1) sekä taulukkoratkaisulla määritetyt verifiointianalyysin tulokset on esitetty taulukossa 2. Alimallin osalta taulukon arvot on luettu maksimistaan särörintaman kärjestä. Vastaavasti analyyttiset arvot on määritetty kulman arvolla = ππ/2. Taulukko 2. Verifiointianalyysissä sovelletut parametrit aa ja σσ sekä määritetyt jännitysintensiteettikertoimen KK II arvot. aa [mmmm] σσ [MMMMMM] FEM Analyyttinen Taulukko 6 20 3,11 2,98 3,28 6 18 60 20 4,86 9,35 4,51 8,94 4,97 9,83 18 60 14,61 13,54 14,89 Päätyliitoksen analyysi Emomallin analyysissä alimallinnusalueelle muodostuu jännitystila, jossa telavaipan aksiaalijännitys vaihtaa etumerkkiään niin seinämän kuin kehäkierroksenkin matkalla. Särön kasvun tutkimiseksi KK II :n arvoja tulostetaan kahdesta alimallista, joiden sijainnit vaipan kehällä 188

valitaan emomallin aksiaalijännityksen ääriarvojen perusteella. Näin on mahdollista laskea yhden vaipan pyörähdyksen aikainen KK II :n suuruus. Sen määrityksessä huomioidaan myös negatiiviset KK II -arvot, sillä prosessiliuosten pääsyä säröpinnoille ei voida poissulkea. Laskentatulokset särön kärkiviivalta lukien on esitetty KK II :n osalta kuvassa 2 ja KK II :n kuvassa 3. Kuva 2. Jännitysintensiteettikerroin KK II särön kärkiviivaa pitkin luettuna kehäsijainneissa 1 (a) ja 2 (b). Kuva 3. Jännitysintensiteettikertoimen vaihteluväli KK II kehäsijaintien 1 ja 2 tuloksista laskettuna. Tulosten arviointi Taulukon 2 nojalla voidaan todeta alimallin elementtiverkon kykenevän kuvaamaan jännitystilaa särön kärjessä jokseenkin tyydyttävästi. Sen avulla määritetyt jännitysintensiteetin arvot ovat poikkeuksetta yhtälön (1) ja taulukkoratkaisun välissä. Poikkeama yhtälöön (1) 189

näyttää kasvavan nimellisjännityksen mukana, mutta verrattaessa taulukkoratkaisuun käy päinvastoin. Päätyliitoksen osalta kuvista 2 ja 3 havaitaan sekä jännitysintensiteetin että sen vaihteluvälin kasvavan särön edetessä, mikä on luonnollista särön kehittyessä syvemmäksi. Parametrien kasvu kuitenkin pysähtyy ja kääntyy laskuksi ennen syvyyttä aa=18 mm. Yhtälön (1) nojalla tämä täytyy selittyä särön kärkialueen jännitystilan muutoksella, jossa nimellisjännityksen lineaarinen riip-puvuussuhde jännitysintensiteettiin dominoi särön syvyyden aa-riippuvuutta. Todennäköisesti syvyysalueella aa=14...18 mm on särön kärki jo riittävän kaukana osittaisluistavan ydintymis-pinnan korkeista jännityksistä, eivätkä vaipan globaali aksiaalijännitys ja sen vaihtelu kykene jatkamaan särön kasvattamista. Vähintäänkin voidaan todeta kasvunopeuden, joka on voimak-kaasti riippuvainen KK II :sta, kokevan merkittävän hidastumisen tällä alueella. On syytä korostaa, että tulokset syvyydellä aa=6 mm ovat virheellisiä johtuen emomallin elementtiverkon kyvyttömyydestä kuvata paikallista jännitystilaa lähellä kontaktipintaa. Havait-tujen säröjen olemassa olo todistaa suuremman jännitysintensiteetin ja sen vaihtelun esiintymisen ensimmäisten millimetrien matkalla ydintymisestä. Todellisuudessa matalampien säröjen tulos-käyrät lähestyvätkin syvempien vastaavia niiden yläpuolelta, jolloin KK II (aa=6 mm) > KK II (aa=18 mm) kuvasta 3 poiketen. Muutoin säröt eivät kasvaisi edes havaittuihin syvyyksiinsä. Tulokset särön kasvun taitteesta osuvat yllättävän lähelle tutkimusvaipasta havaittuja syvimpiä säröjä. Laskennallisesti määritettyjen KK II :n arvojen suuruusluokka on materiaalikokeiden mukaisen kynnysarvon KK II,tth alapuolella. Tämäkin on loogista, kun huomioidaan emo-, ja siten myös alimallin, olevan tarkimmillaan syvien säröjen alueella. Tuloksia ei voida yleistää kaikkien vauriotelojen tapauksiin, vaan särön kasvun kehitys on telageometrian ja käyttökuormien määräämän seinämän aksiaalijännitysjakauman säätelemä. Viitteet [1] Asai K (2012) Fracture Mechanics Analysis of Fretting Fatigue Considering Small Crack Effects, Mixed Mode, and Mean Stress Effect, Applied Fracture Mechanics, Alexander Belov (Ed.), InTech, https://doi.org/10.5772/51463. [2] Noraphaiphipaksa N, Kanchanomai C & Mutoh Y (2013) Numerical and experimental investigations of fretting fatigue: Relative slip, crack path and fatigue life. Engineering Fracture Mechanics 112-113: (58-71), https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2013.10.007. [3] Ikonen K & Kantola K (1986) Murtumismekaniikka. 2. painos. Helsinki: Otatieto. [4] ANSYS R17.2 Documentation 1.2.1.2. Modeling 3-D Linear Elastic Fracture Problems, user s manual. [5] Green A & Sneddon I (1950) The distribution of stress in the neighbourhood of a flat elliptical crack in an elastic solid. Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society 46: (159-163), https://doi.org/10.1017/s0305004100025585. Juho Niva Valmet Technologies Oy Rautpohjankatu 3, PL 587, 40101 Jyväskylä juho.niva@valmet.com 190