Introduction of a probabilistic fatigue analysis method for components made of spheroidal graphite cast iron, quenched and tempered steel and structural steel

Abstract

The aim of this thesis is to introduce a probabilistic fatigue analysis method for components made of spheroidal graphite cast iron, quenched and tempered steel and structural steel. The method should be based on using local stresses calculated with finite element analysis, without the need to consider nominal stresses. Also, it should be able to consider multiaxial fatigue in proportional and non-proportional loading cases. As a result of this work, clear guidelines and steps for the method should be established in such a way that it is possible to program an automated analysis tool for fatigue analysis according to this method.

The methods used in this work include literature study, use of existing fatigue test data and finite element analysis. Also, the finished workflow is demonstrated with an example analysis of a relatively simple component and load case to clarify the different steps of the analysis.

As a result, required inputs from the user, outputs and different stages of the analysis method are presented. In addition, the results of the example analysis are shown. Based on the results, it is concluded that the introduced method does not require the use of nominal stresses and that multiaxial fatigue can be handled in a comprehensive manner. Furthermore, the flowcharts depicting the workflow give a good basis for the programming work.

Tämän työn tarkoituksena on esitellä käyttöönotettavaksi todennäköisyysteoriaan perustuva väsymisanalyysimenetelmä pallografiittivaluraudasta, nuorrutusteräksestä ja rakenneteräksestä valmistetuille koneenosille. Menetelmän tulee perustua elementtimenetelmällä laskettujen paikallisten jännitysten käyttöön, ilman tarvetta määrittää nimellisiä jännityksiä. Lisäksi menetelmän tulee kyetä ottaa huomioon moniaksiaalinen väsyminen suhteisissa ja epäsuhteisissa kuormitustapauksissa. Työn tuloksena tulisi olla määritetty yksiselitteiset ohjeet siten että menetelmä voidaan ohjelmoida automaattiseksi työkaluksi.

Menetelminä tässä työssä käytetään kirjallisuusselvitystä, olemassa olevan väsytyskoedatan hyödyntämistä ja elementtimenetelmää. Lisäksi analyysimenetelmän vaiheet esitellään melko yksinkertaisen komponentin ja kuormitustapauksen esimerkkianalyysillä.

Työn tuloksena esitellään vaatimukset käyttäjän syöttämistä arvoista ja menetelmän tulosteista, sekä menetelmän eri laskentavaiheet. Lisäksi esitellään esimerkkianalyysin tuloksia. Tuloksiin perustuen johtopäätöksinä voidaan todeta, että esitelty menetelmä ei vaadi nimellisjännitysten käyttöä ja että moniaksiaalinen väsyminen voidaan käsitellä kattavasti. Tämän lisäksi esitellyt vuokaaviot antavat hyvän pohjan ohjelmointityölle.