UM Durability

UM Durability

Fatigue analysis (UM Durability)


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Introduction to UM Durability
Workflow diagram
Example: locomotive bogie frame and long-wheelbase flatcar
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istory General information

 

In dem UM Softwarepaket übernimmt das Durability Moduldie Analyse der Lebensdauer von Maschinenbauteilen. Die Modellierung des dynamischen Verhaltens von mechanischen Systemen erfolgt direkt in der UM Software. Die Beschreibung von elastischen Körpern des betrachteten Systems erfolgt mittels eines externen Programms zur Finiten-Elementen Methode. Derzeit unterstützt UM den Import von Daten von zwei Programmen: ANSYS und MSC NASTRAN. Ergebnisse aus numerischen Experimenten mit Hybrid-Modellen (Modell eines Systems aus starren und elastischen Körpern) lassen durch eine ebensdaueranalyse des UM Durability Moduls  ergänzen.

Eine Lebensdaueranalyse beginnt mit dem Aufbau eines dynamischen Hybrid - Modells eines mechanischen Systems. Im Hybrid - Modell werden die elastischen Eigenschaften von Körpern mit Hilfe eines modalen Ansatzes berücksichtigt. Die elastischen Freiheitsgrade der Körper werden durch ein Spektrum von eigen- und statischen Schwingungsformen definiert.

Die Anzahl der elastischen Formen im Spektrum kann zur Optimierung der Geschwindigkeit und Genauigkeit der Modellierung angepasst werden. Die elastischen Schwingungsformen können mit einem Programm der Finiten-Elemente Analyse wie ANSYS oder MSC NASTRAN berechnet werden. Die Lebensdauerprognose des UM Durability Moduls basiert auf der Analyse des Verlaufs der Änderungen der modalen Koordinaten in einer Reihe von numerischen Experimenten unter der Berücksichtigung der Eigenschaften der Dauerfestigkeit des Material. Jede Analyse der Lebensdauer beruht auf zwei wichtigen Faktoren, dem zeitlichen Belastungsverlauf der Spannungen in einzelnen Punkten des Objekts und der Berücksichtigung der Materialdauerfestigkeit im Verlauf der Lebensdauer des Objekts.

Die Spannungswerte an den Knotenpunkten des Finiten-Elementes-Netzes werden mit Hilfe der momentanen modalen Koordinaten des elastischen Körpers berechnet. Im UM FEM module werden elastische Verformungen des Körpers durch eine lineare Kombination von elastischen Formen dargestellt. Durch eine der Problemstellung adäquaten Wahl der elastischen Formen und deren Superposition lässt sich die Verformung des Körpers exakt darstellen und der Rechenaufwand minimiert. Mit Hilfe dieses Ansatzes lassen sich neben der Verformung des elastischen Körpers auch dessen Spannungen berechnen. Aus dem zeitlichen Belastungsverlaufs der modalen Koordinaten kann der zeitliche Spannungsverlauf errechnet werden. Das UM FEM module ermöglicht es die Zeitverläufe der modalen Koordinaten als Datei für jedes numerisches Experiment aufzubewahren.  Unter Verwendung der Zeitverläufe der modalen Koordinaten und der in ANSYS oder MSC NASTRAN berechneten orthonormierten elastischen Formen starrer Körper können Spannungen an jedem Knoten des Finiten-Elementes-Netzes berechnet werden.

Für die Durchführung einer Lebensdaueranalyse wählt man den zu analysierenden elastischen Körper aus, lädt die Dateien mit den entsprechenden Belastungsverläufen der modalen Koordinaten hoch und legt die Materialeigenschaften des Körpers fest.

Sobald alle Daten eingebeben wurden, berechnet das UM Durability Modul die Spannungen an den Knotenpunkten des Finite-Elemente-Netzes, und mit Hilfe des Rainflow Algorithmus die Beanspruchung, aufkommende Ermüdungsschäden und die Lebensdauer des analysierten Körpers bis zum Auftreten von Rissen.

 

istory Introduction to UM Durability


Estimation of long-time strength of construction elements is one of the principle problems taking place during new machines and mechanisms designing. Main factor bearing to the durability of machine parts is a mechanical loading.

Present-day methods enable to make durability estimation in the presence of source data, including fatigue resistance properties of the detail, determined with constructional, technological and operational factors, and detailed description of operational conditions of the detail. Estimation method specifies fatigue resistance properties source data format; full-length operational conditions data contains records of stress-strain stage changing history of the detail, presented in the form of stress loading half-cycle sequence.

Experimental research of stress loading of the detail involves necessity of pre-production model manufacturing. Therefore it cannot be hold at the early stages of mechanism designing. Computer-aided investigation has not this disadvantage and permits to reach a considerable economy of time and resources.

Let,s view the procedure of CAE-based stress loading and durability analysis that is being implemented in Universal Mechanism software to predict the fatigue damage of parts of mechanical systems.

 - Operational conditions of the mechanism are described with the number of particular load cases.
 - Hybrid models of the mechanism, including strength investigated details as flexible bodies, are created with the means of UM FEM module.
 - Numerical experiments for all the selected load cases are hold. Modal coordinates time-histories for all the flexible bodies are evaluated and saved for every numerical simulation. Series of numerical experiments can be held with the means of UM Experiments module. Simulation results are exported to UM Durability module.
 - Durability analysis is hold for a single detail. With the means of UM Durability module groups of sensors (nodes of finite element model of the detail) are described. Based on records of previously calculated modal coordinate time-histories, stress realizations for each sensor for every load case are evaluated. These realizations are schematized for the further durability analysis; their statistical properties are used for the preliminary search of control areas of the detail.
 - Preparation for durability analysis includes selection and setting parameters of the method, relative parts of load cases per life-time unit setting and fatigue resistance properties for control areas description. Durability and accumulated damages are estimated for each control area in case of single load case and in case of load case combination.

Current UM Durability version includes durability prediction algorithms for multi-cycle fatigue, which accord to the regularities of Russian locomotive building, carriage engineering, and their modifications.

The UM Durability module supports:
 - Stress loading and durability evaluation results visualization and export to external programs;
 - Graphical representation of stress loading and durability evaluation result distributions;
 - Add-able fatigue resistance properties of construction materials guide. 

 


 Workflow diagram

UM Durability: Workflow


Example: locomotive bogie frame and long-wheelbase flatcar

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Locomotive bogie
Maximal stress amplitudes distributions for locomotive bogie frame

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Long-wheelbase flatcar stress loading analysis: simulation of movement of a platform with one 40-foot container in tangent with various speeds Long-wheelbase flatcar stress loading analysis: simulation of movement of a platform with one 40-foot container in tangent with various speeds