Väsymiskestävyyden määritys murtumismekaanisilla särönmallinnusohjelmilla

Tässä työssä tutkitaan Wärtsilä Oyj:n moottorin ja ABB Oy:n generaattorin muodostaman aggregaatin väsymiskestävyyttä lineaarisen murtumismekaniikan avulla. Työn tavoitteena on selvittää ABAQUS/XFEM- ja FRANC3D-ohjelman soveltuvuus kuormitukseltaan ja geometrialtaan vaativan generaattorirungon suunnittelutyökaluksi. Generaattorirungon kuormitukset aiheutuvat aggregaatin käynnin sekä käynnistys- ja sammutusvaiheen aikai-sista syntyvistä värähtelyistä. Tutkimuksessa tarkastellaan generaattorirungon väsymistä käynninaikaisella kuormituksella. Työssä mallinnettiin generaattorirungosta valittu hitsausdetalji alimallinnustekniikalla, jolloin alimallin reunaehdot voitiin määrittää aggregaatille tehdyn vastelaskennan perus-teella. Alimallista tutkittiin kahta erilaista hitsiliitostyyppiä, joihin mallinnettiin XFEM- ja FRANC3D-ohjelmilla erikokoisia säröjä hitsiliitosten rajaviivalle sekä juuren puolelle. Tutkittavilla ohjelmilla saatujen jännitysintensiteettikertoimien avulla säröille voitiin las-kea ekvivalentti jännitysintensiteettikerroin, jota verrattiin kokeellisesti saatuun jännitysin-tensiteettikertoimen kynnysarvoon. XFEM- ja FRANC3D-ohjelmia vertailtiin käytön helppouden, tulosten tarkkuuden sekä laskenta-aikojen perusteella. Käytettävyyden ja laskenta-aikojen perusteella XFEM-ohjelma soveltui paremmin käytettäväksi teollisuudessa suunnittelu- ja kehitystyön apu-työkaluna. FRANC3D taas antoi XFEM-ohjelmaa luotettavampia tuloksia, mutta laskenta-ajat olivat moninkertaiset.

This Master’s Thesis studied the fatigue durability of an aggregate which composed of an engine produced by Wärtsilä Oyj and a generator by ABB Oy. The analysis was based on the linear elastic fracture mechanics. The objective of this thesis is to establish the suitabil-ity of ABAQUS/XFEM and FRANC3D software as a designing tool for this kind of chal-lenging generator frame. The generator frame is challenging in both loading and geomet-rical aspects. The loadings are caused by the vibrations developed during the power up, power down and running phase of the aggregate. The study focuses on the fatigue of the welds of the generator frame during the run-time loads. The weld detail was modelled with sub-modelling technique, when the constraints could be determined based on the response analysis done to the aggregate. From the sub-model, two different types of weld joints were studied. Different sizes of cracks were modelled to the toe and the root of the weld using XFEM and FRAC3D programs. Using the obtained stress intensity factors, the equivalent stress intensity factors were calculated to the cracks. The calculated value was then compared to the experimentally determined threshold value of the stress intensity factor. XFEM and FRANC3D software were compared on the easiness of usage, accuracy of the results and the CPU usage. Usability and CPU usage, the XFEM software was considered more suitable a designing tool for the design and development work. The results obtained from FRANC3D were much more reliable, but the CPU usage was multiple when com-pared to XFEM.