Simulation of structural stress history based on dynamic analysis
Rantalainen, Tuomas (2012-11-23)
Väitöskirja
Rantalainen, Tuomas
23.11.2012
Lappeenranta University of Technology
Acta Universitatis Lappeenrantaensis
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-265-326-0
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-265-326-0
Tiivistelmä
Modern machine structures are often fabricated by welding. From a fatigue point
of view, the structural details and especially, the welded details are the most prone
to fatigue damage and failure. Design against fatigue requires information on the
fatigue resistance of a structure’s critical details and the stress loads that act on
each detail. Even though, dynamic simulation of flexible bodies is already current
method for analyzing structures, obtaining the stress history of a structural detail
during dynamic simulation is a challenging task; especially when the detail has a
complex geometry. In particular, analyzing the stress history of every structural
detail within a single finite element model can be overwhelming since the amount
of nodal degrees of freedom needed in the model may require an impractical
amount of computational effort.
The purpose of computer simulation is to reduce amount of prototypes and speed
up the product development process. Also, to take operator influence into account,
real time models, i.e. simplified and computationally efficient models are required.
This in turn, requires stress computation to be efficient if it will be performed
during dynamic simulation.
The research looks back at the theoretical background of multibody dynamic
simulation and finite element method to find suitable parts to form a new approach
for efficient stress calculation. This study proposes that, the problem of stress
calculation during dynamic simulation can be greatly simplified by using a
combination of floating frame of reference formulation with modal superposition and a sub-modeling approach. In practice, the proposed approach can be used to
efficiently generate the relevant fatigue assessment stress history for a structural
detail during or after dynamic simulation.
In this work numerical examples are presented to demonstrate the proposed
approach in practice. The results show that approach is applicable and can be
used as proposed. Modernien koneiden rakenteet valmistetaan usein hitsaamalla. Väsymiskestävyyden
näkökulmasta rakenteen yksityiskohdat ja etenkin hitsatut yksityiskohdat ovat
erityisen herkkiä väsymään ja sitä kautta vaurioitumaan. Väsymiselle alttiiden
rakenteiden suunnittelu tarvitsee onnistuakseen tietoa kriittisten yksityiskohtien
väsymiskestosta ja jokaisen rakenneyksityiskohdan kuormituksesta. Vaikka joustavien
kappaleiden dynamiikan simulointi on yleisesti käytössä oleva menetelmä
rakenteiden analyysiin, rakenneyksityiskohdan jännityshistorian simuloiminen
dynaamisen analyysin aikana on haastava tehtävä. Haasteellisuus korostuu etenkin
silloin kun yksityiskohdan geometria on monimutkainen. Rakenteen jokaisen yksityiskohdan
jännityshistorian analysoiminen yhdellä tarkalla elementtimallilla voi
olla ylitsepääsemätön tehtävä, sillä mallin sisältämän suuren solmuvapausasteiden
määrän käsittely ylittää käytännössä käytössä olevan laskentatehon.
Tietokonesimuloinnin käytön tarkoitus on vähentää tarvittavien prototyyppien
määrää ja nopeuttaa tuotekehitysprosessia. Mikäli suunniteltavan koneen käyttäjän
vaikutus halutaan ottaa huomioon koneen toimintaa simuloitaessa, on
reaaliaikamallin käyttö tarpeellista. Reaaliaikamallilla tarkoitetaan tässä mallia,
joka on yksinkertaistettu ja laskennallisesti niin tehokas, että sitä voidaan ajaa
pöytäkoneella. Jos jännityshistoria lasketaan reaaliaikaisen dynaamisen simuloinnin
aikana, asettaa se tiukat vaatimukset myös jännitysten simuloinnin laskentatehokkuudelle.Tutkimuksessa poimitaan monikappaledynamiikan ja elementtimenetelmän teoreettisesta
taustasta sopivia palasia uudenlaisen ja tehokkaan menetelmän koostamiseksi
jännitysten laskentaa varten. Tässä työssä esitetään, että ongelmaa
jännitysten laskennasta dynaamisen simuloinnin aikana voidaan huomattavasti
yksinkertaistaa yhdistämällä kelluvan koordinaatiston menetelmää, muotojen superponointia
ja alimallinusta. Kehitettyä menetelmää voidaan käyttää väsymisen
kannalta oleellisten rakenneyksityiskohtien jännityshistorioiden tehokkaaseen
tuottamiseen dynaamisen simuloinnin aikana tai sen jälkeen.
Työssä kuvattua uutta menetelmää ja sen käyttöä on esitelty numeerisin esimerkein.
Tulokset osoittavat, että lähestymistapa on toimiva ja menetelmä on
käyttökelpoinen.
of view, the structural details and especially, the welded details are the most prone
to fatigue damage and failure. Design against fatigue requires information on the
fatigue resistance of a structure’s critical details and the stress loads that act on
each detail. Even though, dynamic simulation of flexible bodies is already current
method for analyzing structures, obtaining the stress history of a structural detail
during dynamic simulation is a challenging task; especially when the detail has a
complex geometry. In particular, analyzing the stress history of every structural
detail within a single finite element model can be overwhelming since the amount
of nodal degrees of freedom needed in the model may require an impractical
amount of computational effort.
The purpose of computer simulation is to reduce amount of prototypes and speed
up the product development process. Also, to take operator influence into account,
real time models, i.e. simplified and computationally efficient models are required.
This in turn, requires stress computation to be efficient if it will be performed
during dynamic simulation.
The research looks back at the theoretical background of multibody dynamic
simulation and finite element method to find suitable parts to form a new approach
for efficient stress calculation. This study proposes that, the problem of stress
calculation during dynamic simulation can be greatly simplified by using a
combination of floating frame of reference formulation with modal superposition and a sub-modeling approach. In practice, the proposed approach can be used to
efficiently generate the relevant fatigue assessment stress history for a structural
detail during or after dynamic simulation.
In this work numerical examples are presented to demonstrate the proposed
approach in practice. The results show that approach is applicable and can be
used as proposed.
näkökulmasta rakenteen yksityiskohdat ja etenkin hitsatut yksityiskohdat ovat
erityisen herkkiä väsymään ja sitä kautta vaurioitumaan. Väsymiselle alttiiden
rakenteiden suunnittelu tarvitsee onnistuakseen tietoa kriittisten yksityiskohtien
väsymiskestosta ja jokaisen rakenneyksityiskohdan kuormituksesta. Vaikka joustavien
kappaleiden dynamiikan simulointi on yleisesti käytössä oleva menetelmä
rakenteiden analyysiin, rakenneyksityiskohdan jännityshistorian simuloiminen
dynaamisen analyysin aikana on haastava tehtävä. Haasteellisuus korostuu etenkin
silloin kun yksityiskohdan geometria on monimutkainen. Rakenteen jokaisen yksityiskohdan
jännityshistorian analysoiminen yhdellä tarkalla elementtimallilla voi
olla ylitsepääsemätön tehtävä, sillä mallin sisältämän suuren solmuvapausasteiden
määrän käsittely ylittää käytännössä käytössä olevan laskentatehon.
Tietokonesimuloinnin käytön tarkoitus on vähentää tarvittavien prototyyppien
määrää ja nopeuttaa tuotekehitysprosessia. Mikäli suunniteltavan koneen käyttäjän
vaikutus halutaan ottaa huomioon koneen toimintaa simuloitaessa, on
reaaliaikamallin käyttö tarpeellista. Reaaliaikamallilla tarkoitetaan tässä mallia,
joka on yksinkertaistettu ja laskennallisesti niin tehokas, että sitä voidaan ajaa
pöytäkoneella. Jos jännityshistoria lasketaan reaaliaikaisen dynaamisen simuloinnin
aikana, asettaa se tiukat vaatimukset myös jännitysten simuloinnin laskentatehokkuudelle.Tutkimuksessa poimitaan monikappaledynamiikan ja elementtimenetelmän teoreettisesta
taustasta sopivia palasia uudenlaisen ja tehokkaan menetelmän koostamiseksi
jännitysten laskentaa varten. Tässä työssä esitetään, että ongelmaa
jännitysten laskennasta dynaamisen simuloinnin aikana voidaan huomattavasti
yksinkertaistaa yhdistämällä kelluvan koordinaatiston menetelmää, muotojen superponointia
ja alimallinusta. Kehitettyä menetelmää voidaan käyttää väsymisen
kannalta oleellisten rakenneyksityiskohtien jännityshistorioiden tehokkaaseen
tuottamiseen dynaamisen simuloinnin aikana tai sen jälkeen.
Työssä kuvattua uutta menetelmää ja sen käyttöä on esitelty numeerisin esimerkein.
Tulokset osoittavat, että lähestymistapa on toimiva ja menetelmä on
käyttökelpoinen.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [1037]