Real time fatigue analysis of a subframe with a virtual model
Härkönen, Aleksi (2023)
Diplomityö
2023
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023061555519
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023061555519
Tiivistelmä
In this thesis, a general method for real time fatigue analysis with a virtual model is developed. A subframe of a hooklift is used as a case study. Previous studies related to predictive maintenance and digital twins are mainly about static or rotating structures. Information about multibody dynamic systems is limited.
Ansys Motion is used to combine multibody dynamics and finite element analysis. The reduced analysis time resulted in double the time compared to the simulated. However, redundant parts of the analysis where stresses are low are not included. This way, the analysis time of a full cycle is faster than the simulated time. A fully linear FE-model is used for the unit force method. Forces extracted from Motion analysis are multiplied with the unit force model to get stresses at five different points where fatigue life is estimated. Fatigue life estimated with the real time model is 4–26 % lower in cycles than with the reference model.
Results need verification by building an accurate model using co-simulation and testing how the real time model compares to those results. Fatigue estimations used are not reliable as cylinders were rigid displacement based and other simplifications were used in the structure during analysis. However, results show that the method could be used in many different applications, but refinement and more studies are needed. Työn tarkoituksena on yleisen menetelmän löytäminen reaaliaikaiseen väsymysanalyysiin simuloimalla. Tapaustutkimuksena käytetään koukkulaitteen apurunkoa. Aiemmat tutkimukset liittyen ennakoivaan huoltoon ja digitaalisiin kaksosiin liittyvät lähinnä staattisiin tai pyöriviin rakenteisiin. Tietoa on vähäisesti liittyen rakenteisiin, joissa on mukana myös monikappaledynamiikkaa.
Ansys Motionilla yhdistetään monikappaledynamiikka ja elementtianalyysi. Analyysiaika saatiin lyhennettyä kaksinkertaiseksi simuloituun aikaan verrattuna. Tarpeettomia analyysin osia, joissa jännitykset ovat alhaiset, ei otettu mukaan. Tällä tavalla koko syklin analyysiaika on nopeampi kuin simuloitu aika. Yksikkövoimamenetelmää varten käytetään täysin lineaarista FE-mallia. Motion analyysin voimat kerrotaan yksikkövoimamallin aiheuttamilla jännityksillä ja siten saadaan jännitykset viidessä eri pisteessä, joissa väsymiskestoikä arvioidaan. Reaaliaikaisella mallilla arvioitu väsymisikä työsykleinä on 4–26 % pienempi kuin vertailumallilla.
Tulokset tulisi tarkastaa rakentamalla tarkka malli käyttämällä yhteissimulaatiota ja testaamalla, kuinka reaaliaikainen malli vertautuu näihin tuloksiin. Käytetyt väsymisarviot eivät ole luotettavia, koska jäykästi mallinnetut sylinterit perustuivat siirtymäohjaukseen ja rakenteessa käytettiin analyysin aikana muita yksinkertaistuksia. Tulokset osoittavat kuitenkin, että menetelmää voitaisiin käyttää monissa eri sovelluksissa, mutta tarkennuksia ja lisätutkimuksia tarvitaan.
Ansys Motion is used to combine multibody dynamics and finite element analysis. The reduced analysis time resulted in double the time compared to the simulated. However, redundant parts of the analysis where stresses are low are not included. This way, the analysis time of a full cycle is faster than the simulated time. A fully linear FE-model is used for the unit force method. Forces extracted from Motion analysis are multiplied with the unit force model to get stresses at five different points where fatigue life is estimated. Fatigue life estimated with the real time model is 4–26 % lower in cycles than with the reference model.
Results need verification by building an accurate model using co-simulation and testing how the real time model compares to those results. Fatigue estimations used are not reliable as cylinders were rigid displacement based and other simplifications were used in the structure during analysis. However, results show that the method could be used in many different applications, but refinement and more studies are needed.
Ansys Motionilla yhdistetään monikappaledynamiikka ja elementtianalyysi. Analyysiaika saatiin lyhennettyä kaksinkertaiseksi simuloituun aikaan verrattuna. Tarpeettomia analyysin osia, joissa jännitykset ovat alhaiset, ei otettu mukaan. Tällä tavalla koko syklin analyysiaika on nopeampi kuin simuloitu aika. Yksikkövoimamenetelmää varten käytetään täysin lineaarista FE-mallia. Motion analyysin voimat kerrotaan yksikkövoimamallin aiheuttamilla jännityksillä ja siten saadaan jännitykset viidessä eri pisteessä, joissa väsymiskestoikä arvioidaan. Reaaliaikaisella mallilla arvioitu väsymisikä työsykleinä on 4–26 % pienempi kuin vertailumallilla.
Tulokset tulisi tarkastaa rakentamalla tarkka malli käyttämällä yhteissimulaatiota ja testaamalla, kuinka reaaliaikainen malli vertautuu näihin tuloksiin. Käytetyt väsymisarviot eivät ole luotettavia, koska jäykästi mallinnetut sylinterit perustuivat siirtymäohjaukseen ja rakenteessa käytettiin analyysin aikana muita yksinkertaistuksia. Tulokset osoittavat kuitenkin, että menetelmää voitaisiin käyttää monissa eri sovelluksissa, mutta tarkennuksia ja lisätutkimuksia tarvitaan.