KFUPM ePrints

COMPUTATIONAL MODEL FOR MULTIAXIAL FATIGUE NOTCH ANALYSIS

l COMPUTATIONAL MODEL FOR MULTIAXIAL FATIGUE NOTCH ANALYSIS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img]PDF (MS Thesis) - Accepted Version
Restricted to Abstract Only until 01 May 2018.

3830Kb

Arabic Abstract

تقديرات حياة الإرهاق للمكونات الهندسية الحقيقية ليست ناجحة على نحو العينات المخبرية. تتطلب تقديرات حياة الإرهاق للمكونات تقدير دقيق للإجهاد والانفعال عند الجذر بالدرجة الأولى نموذج ناجح لحساب ضرر الإرهاق العديد المحاور. لقد طرحت العديد من النماذج لحساب الضرر الناتج عن الإرهاق على أساس العينات المخبرية الملساء التي تأخذ في الحسبان فقط طريقة الإجهاد و الإنفعال المحلي. طريقة الإجهاد و الإنفعال المحلي تراعي فقط عوامل محدودة لأشكال الشق، مثل تركيز الإجهاد عند الشق، و لكنها لا تاخذ في الإعتبار بعض العوامل الأخرى مثل تدرج الإجهاد و الإنفعال. لقد اعتبر العديد من الباحثين اثر التدرج في الإجهاد و الانفعال فقط ضمنيا، جنبا إلى جنب مع تحليل الإجهادات و الانفعالات المحلية، في نماذج الضرر الناتج من الإرهاق متعدد المحاور باستخدام متوسط (أو فعال) الإجهادات و الإنفعالات في محيط جذر الشق. ومع ذلك، فإن هذا النهج لا يأخذ في الاعتبار حساسية تدرج الإجهادات و الانفعالات و أثرها في تقدير حياة الإرهاق. لذلك، تبذل جهود في هذا العمل الحالي لاعتبار أثر التدرج في الإجهادات و الانفعالات بطريقه مباشره، جنبا إلى جنب مع تحليل الإجهادات و الإنفعالات المحلية، في نماذج الضرر الناتج من الإرهاق لحساب حساسية هذه العوامل و تأثيراتها في تقدير الحياة الإرهاق. يتم تعديل نموذج الضرر الناتج من الإرهاق ذو المحاور المتعددة، المعد بواسطة فاتيمي-سوسي، بحيث يتم اعتبار العوامل الشكلية للشق و تأثراتها بطريقه مباشره. تم تطوير نموذج تصميم رقمي بحيث تتم دراسة الإجهاد و الانفعال البلاستيكي للمكون الهندسي بواسطة برنامج آنسس و من ثم يتم تخمين حياة الإرهاق عن طريق برنامج آخر تم إعداده بواسطة برنامج مات لاب. تم التحقق من فعالية نموذج التصميم المطور عن طريق تحليل التجارب المنشورة و التي تم تنفيذها على عينات ذات حز و المصنوعة من فلاوذ ١٠٤٥. يحسن النموذج المقترح تقديرات حياة الإرهاق بشكل كبير مقارنة مع نموذج فاطمي سوسي الأصيل. اذا اخذ جذر الحز بالاعتبار فإن تخمينات الحياه باستخدام معامل فاطمي و سوسي بين معاملين +\- ٣ بنسبة ٨٣٪ بينما تقع تخمينات النموذج المقترح بين معاملين +\- ٢,٥ بنفس النسبة. اذا ما أخذ فون ميسس الأعلى عند حافة الجذر كموقع حساس فإن معامل فاطمي سوسي يخمن الحياة بنسبة ٧٠,٢٪ بين معاملين +\-٣ بينما يخمن النموذج المقترح الحياة بنسبتين ٦٨,١٪ و ٨٣٪ بين معاملين +\- ٢ و +\- ٢,٥ على التوالي. تشير هذه النتائج الى ان النموذج المقترح قادر على تخمين حياة الإرهاق بشكل أفضل.

English Abstract

Fatigue life estimations of real-life engineering components is not as successful as that of smooth specimens. Fatigue life estimations of notched components require an accurate estimation of stress-strain histories at the notch root and a successful multiaxial fatigue damage model. Many fatigue damage models have been developed based on smooth specimens that only considers the local stress-strain approach. The local stress-strain approach only account for some of the notch geometric factors (effects) like stress and strain concentrations, while they do not account for other notch geometric factors (effects) like stress and strain gradients. Many researchers have taken the stress and strain gradient effects implicitly, along with local stress-strain analysis, in the multiaxial fatigue damage models by using average (or effective) stresses and strain in the vicinity of notch root. However, this approach does not take into account the sensitivity of the stress and strain gradients effects in fatigue life estimation. Therefore, efforts are made in the current work to take the stress and strain gradient effects explicitly, along with local stress-strain analysis, in the fatigue damage models to account for their sensitivity in fatigue life estimation. An existing multiaxial fatigue damage model, the Fatemi-Socie model, is modified to account for notch geometric factors (effects) explicitly. A computational fatigue analysis design tool is developed for fatigue life estimations of notched components. This design tool consists of a finite element elastic-plastic stress analysis using ANSYS and multiaxial fatigue damage analysis using MATLAB. The elastic-plastic finite element analysis provides the notch stress-strain histories for the proposed fatigue damage model to estimate fatigue lives. The notched component under consideration is the SAE 1045 notched shaft. Published experimental fatigue life and strain gage data of the SAE notched shaft are used to evaluate fatigue life estimation capability of the proposed damage model and the validation of finite element model, respectively. The proposed damage model significantly improves fatigue life estimation over that of the Fatemi-Socie model. Taking the notch root as a critical location, the Fatemi-Socie model estimated 83.0% of fatigue life data of all the loading paths within factor of ±3, whereas the proposed damage model estimated 83.0% of the data within factor of ±2.5. Taking the maximum von-Mises location in the vicinity of notch root as the critical location, the Fatemi-Socie model estimated 70.2% of fatigue life data of all the loading paths falling within factor of ±3, whereas the proposed damage model estimated 68.1% and 83.0% of the data within factors of ±2 and ±2.5, respectively. This shows the potential of the proposed damage model for more accurate fatigue life estimations.



Item Type:Thesis (Masters)
Subjects:Engineering
Mechanical
Divisions:College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor:Albinmousa, Jafar
Committee Members:Merah, Nesar and Al-Athel, Khaled Saleh
ID Code:140307
Deposited By:SYED HARIS IFTIKHAR (g201406060)
Deposited On:30 Apr 2017 14:11
Last Modified:01 Jun 2017 13:58

Repository Staff Only: item control page