Simulation of structural stress history based on dynamic analysis

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.