Multiaxial

 

일반적인 수명예측은 winLIFE BASIC 으로 가능하며 다충성 하중이 작용하는 구조물 및 기어 / 베어링의 피로해석을 위한 모듈을 추가적으로 보유하고 있습니다 .

winLIFE Multiaxial (English/German)  

응력방향이 변하는 경우의 피로수명 계산을 가능하게 하는 winLIFE 에 추가된 모듈

500 Loadings 를 동시에 설정 가능

다축성 하중에 의한 피로수명 해석 시 winLIFE BASIC 외에 winLIFE MULTIAXIAL 을 필요로 한다 .


 - Multiaxial load


Dynamic load 가 작용하는 구성요소는 주응력의 방향이 변하게 되는데 이는 2 개 이상의 외부하중이 작용하기 때문이다 .

이러한 multiaxial load 는 bodywork structure, axle components, crankshafts, rotary blades for wind power stations 등의 분야에서 찾아볼 수 있다 .

 

< Figure 1 : Load-time function of forces having an effect on the component >

< Figure 2 : Part under the influence of several forces at the same time  >

< Figure 3: Characteristics of a multiaxial case. The uniaxial and biaxial case can solved with winLIFE BASIC, the multiaxial case needs winLIFE MULTIAXIAL >

< Figure 4: largest principal stress dependent on the principal stress ratio for a surface node >

Figure 는 동역학적 하중을 받는 streeng 을 예로 보여주고 있다 . 이 steering 은 두 방향에서 하중이 작용하며 상호간 직각을이룬다. 


다축성 하중에 의한 피로수명 해석은 단축성보다 많은 해석시간을 요구하므로 제품 표면의 노드에서 해석을 수행하게 된다 . 대부분의 제품균열은 표면에서 시작되므로 이러한 방법으로 해석시간을 단축할 수 있다 . 


다축성과 단축성 하중 문제는 시간에 대한 응력의 함수를 통해 구분할 수 있다.
시간에 따른 각도 f 및 stress ratio s2/s1 가 관찰이 되면 다축성 문제로 해석이 이루어 진다. 시간에 대한 이 두 요소의 변화가 크지 않을 경우 해석시간의 단축을 목적으로 해석결과에 영향이 없는 범위에서 biaxiale/uniaxial problem 해석할 수 있다.


Figure 4 에는 시간에 따른 각도 및 stress ratio s 2/ s 1 를 점으로 나타낸 예이다 (점이 수직의 선에 가깝게 나타날수록 uniaxial problem 의 특성을 지닌다.)


Damage parameter


Normal- / shear stress 에 의한 cutting plane 에서의 응력상태로부터 damage equivalent 의 크기를 구한다 . 여기에 다음과 같은 comparison stress hypothesis / damage parameter 가 사용될 수 있다 .


   • Normal stress - , Shear stress -, mod. distortion energy hypotheses ,

   • Findley

   • Smith Watson Topper, Bergmann, Fatemi Socie,


방향에 따른 피로수명 예측/용점 부위


특히 풍력에너지 분야와 shipbuilding 분야에서는 큰 구조물로 구성되어 있기 때문에 structure stress concept 방법이 일반적으로 사용되고 있으며 , winLIFE 는 다양한 형태의 structure stress concept 를 제공하고 있다.

< Figure 5 : Weld seam with principal stress and unit vector >

 


 - How a fatigue life calculation is carried out 


Using static FEA and superimpose according to(measured) load time histories


FEA 를 이용한 피로수명 해석 과정은 다음과 같다


   • FEA 를 통한 구조물의 loading condition 해석 I

   • Uniaxial problem 에서의 stress S-N Curve 와 같은 방법으로 S-N Curve 생성

      (Local Strain Approach 의 경우 e -N Curve 생성)

   • 해석시간 단축을 위해 필요한 부분의 critical nodes 직접 선택 또는 winLIFE 에서 critical nodes 를 자동으로 설정 .

   • Hysteresis 를 사용함으로써 해석시간을 크게 단축할 수 있다 .

   • Unit load 와 load-time functions 에 의하여 각 노드와 매 time step 에서의 Stress tensor 를 산출한다 .

   • Critical cutting method 에 의하여 각 노드와 매 time step 별로 shear stress 및 normal stress 를 계산한다 . 여기에서 산출된 데이터는 equivalent stress 

      또는 damage parameter 를 계산하는데 사용된다 .

   • 각 노드 , time step, cutting plane 에서의 Equivalent stress 는 rainflow method 에 의해 정리되어지고 , 적합한 hypothesis 를 선택하여 damage 에 대한

      해석이 이루어진다 .

< Figure 6 : flow chart of a fatigue calculation for the multiaxial case in combination with FEA > 


Nonlinear or Transient Analysis


만일 mass accelerations 를 고려해야 하는 경우나 큰 비선형 형태를 보이는 경우 FEA code 나 multi body analysis 를 통해 피로수명 해석을 할 수 있다 .

FEA 를 통해 stress tensor versus time 을 계산할 수 있으며 각 선택된 노드에서의 해석된 결과값은 winLIFE 로 불러올 수 있다 . 피로수명 예측은 불러와진 stress tensor 를 근거로 winLIFE 에서 가능하게 된다 .

< Figure 7 : Import of stress tensor history from a FEA analysis and preparing fro fatigue calculation in each cutting plane >


Using Strain gauges


Strain gauge 측청은 제품수명을 예측하기 위한 기본이 되는 것으로써 , 널리 사용되고 있는 strain rosettes 의 데이터는 직접 읽어 올 수 있다.

일반적으로 피로수명은 측정지점에서 산출되지만 , 이미 측정된 데이터를 바탕으로 다른 지점을 위한 피로수명 해석이 가능하다.


 - 피로해석 시간의 단축 


만일 load-time function 이 긴 경우 multiaxial problem 에서 해석시간이 크게 길어지므로 load-time function 에서 전환점이 있는 부분의 time step 만을 선택하으로써 해석시간의 단축이 가능하다 .

또는 각 load-time function 에서 hysteresis 를 선택하여 time step 을 줄일 수 있다 .

winLIFE MULTIAXIAL 는 load-time function 의 interactively procesing 을 위한 다양한 가능성들을 제공한다 .


 - 결과 분석 


다축성 관련 피로수명 해석에서 결과에 대한 분석은 다음과 같은 방법으로 이루어진다 .

   • Mohr's circle 은 각 노드와 time step 에서 critical cutting planes 를 나타내 , 증가하는 응력 상태를 확인 ( Figure_9 )

   • 각 time step 별 principal stress vector 와 전체 time step 의 총 데미지를 나타낸다 .


FEA program 을 이용해 winLIFE 의 피로해석 결과로부터 색깔 별로 나타낼 수 있다 .

Multiaxial problems 의 해석결과는 uniaxial problems 에 비해 해석의 정확도가 더 요구되므로 winLIFE MULTIAXIAL 과 같은 전문 툴을 이용해 다축성의 정도를 미리 파악하는 것이 매우 중요하다 .

< Figure 8: Mask to read in from strain rosette (Nearly all types of rosettes can be read in by entering the angle of gauge direction) >

< Figure 9 : Mohr's circle on the hand right side for one time step on the left hand side for all time steps >