Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 53(2007)10, 605-620 UDK - UDC 620.178.3 Izvirni znanstveni članek - Original scientific paper (1.01) Vrednotenje termomehansko obremenjenih izdelkov z deformacijskim pristopom Evaluating Thermo-Mechanically Loaded Components Using a Strain-Life Approach Uroš Rosa - Marko Nagode - Matija Fajdiga (Fakulteta za strojništvo, Ljubljana) Deformacijski pristop sodi med najbolj uveljavljene metode vrednotenja izdelkov, izpostavljenih utrujanju. Za njegovo uporabo pri termomehanskih obremenilnih stanjih in modeliranje lokalnih temperaturno-napetostno-deformacijskih stanj je uporabljen napetostno nadzorovan reološki model vzmet - drsnik s Prandtlovim operatorjem, ki omogoča modeliranje elastoplastičnih materialnih lastnosti. Postopek je razširjen za uporabo na zahtevnih izdelkih v kombinaciji z metodo končnih elementov (MKE). Predstavljeni postopek vrednotenja se uvršča med deljene postopke, pri katerih se ločeno določi napetostno-deformacijska stanja in ločeno izračuna poškodba. Za izračun je bil razvit program za izračun poškodbe (PIP), ki ima možnost uvoza rezultatov, pridobljenih z linearno ali nelinearno MKE analizo. Kritična mesta so določena z uporabo deformacijskih zdržljivostnih krivulj in Skeltonovega energijskega postopka. Materialni podatki so za neizmerjene temperature interpolirani z linearno ali odsekoma kubično Hermit-ovo metodo. Uporaba razvitega modela je prikazana na primeru dveh standardiziranih oblik preizkusancev za deformacijsko nadzorovane preizkuse pri nespremenljivem temperaturnem polju in za kombinacijo naključnega poteka temperaturne in mehanske obremenitve. Raziskana je tudi temperaturna odvisnost parametra Kp, ki je uporabljen v Neuberjevi formuli za oceno elastoplastičnih napetostno-deformacijskih stanj iz rezultatov linearne MKE analize. Predstavljen postopek omogoča računsko hitro vrednotenje izdelkov, obremenjenih z naključno kombinacijo temperaturne in mehanske obremenitve. © 2007 Strojniški vestnik. Vse pravice pridržane. (Ključne besede: termomehansko utrujanje, poškodba, deformacijski postopki vrednotenja, metode končnih elementov) The strain-life approach is one of the most commonly used methods for evaluating component fatigue. In its application for thermo-mechanically load states and for modelling local temperature stress-strain states, we use a stress-controlled rheological spring-slider model with an operator of the Prandtl type, which makes it possible to model the elasto-plastic material properties. The approach is used to evaluate complex components in combination with the finite-element method (FEM). The described evaluation approach is classified as one of the non-unified procedures, where we can determine separately the stress-strain states and separately calculate the damage. For the damage calculation a Damage Calculation Program (DCP) was developed. It has the possibility to import the results acquired by linear or nonlinear FEM analysis. The critical areas are determined by using a deformation endurance curve and the Skelton approach. The material data on non-measured temperatures is interpolated with the linear or cubic Hermite method. The application of the developed model is shown on two standard-shaped test specimens for deformation control tests in a constant temperature field and for a combination of the random temperature history and the mechanical load. The temperature dependence of the Kp parameter used in the Neuber formula for estimating the elasto-plastic stress-strain states from the results of the linear FEM analysis is also included in the research. The described procedure enables a fast numerical validation with a random combination of temperature and mechanical load. © 2007 Journal of Mechanical Engineering. All rights reserved. (Keywords: thermo-mechanical fatigue, damages, strain-life approach, finite element methods) 605 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 53(2007)10, 605-620 OUVOD V avtomobilu je vrsta termomehansko obremenjenih delov, to so glava in blok motorja nosilci motorja, zavore ter celotni izpušni sistem. Vedno večje zahteve po zdržljivosti izdelkov in krajših razvojnih časih so privedle do velikega napredka metod napovedovanja zdržljivosti termomehansko obremenjenih izdelkov. Za uspešno napoved dobe trajanja je treba upoštevati ustrezen materialni model s parametri, pridobljenimi s testiranji, modeliranje napetostno-deformacijskih stanj med cikličnim obremenjevanjem, večosnost, model kopičenja poškodb ter preizkušanje izdelkov za ovrednotenje soodvisnost med simulacijami in meritvami. Za obratovalne razmere, kjer so prisotna zapletena napetostno-deformacijska stanja je v prvi vrsti pomembna izbira pravilnega kriterija za vrednotenje večosnega utrujanja. Trenutno so najbolj razširjeni naslednji postopki: • izračun primerjalne napetosti ali deformacije ([1] do [3]) v vsakem vozlišču modela končnih elementov, • uporaba napetostnih ali deformacijskih invariant [3], • metoda kritične prerezne ravnine (prva sta jo predlagala Brown in Miller ter kasneje dodelali mnogi raziskovalci (Socie, Fatemi - Socie, Papadopoulous,... - [4], [1] in [3])), ki upošteva v vsakem vozlišču najbolj kritično ravnino za ocenitev dobe trajanja in • energijski postopek ([5] in [14]), ki upošteva sproščeno energijo med cikličnim obremenjevanjem. Poleg zgornje delitve se lahko postopki delijo tudi glede na področje uporabe in zahteve analize. Zgodovinsko je bila prva delitev med'Visokociklicnim” (VCU) in “malocikličnim” (MCU) utrujanjem. Na področju VCU je bilo najodmevnejše pionirsko delo Wöhlerja z razvojem napetostnega pristopa. Na področju MCU pa v šestdesetih letih dvajsetega stoletja prispevek Mansona in Coffina z uveljavitvijo deformacijskega pristopa. Tovrstna delitev je pogosta tudi dandanes zaradi pretežnih elastičnih deformacij pri utrujanju VCU ter plastičnih deformacij pri utrujanju MCU, kar je opazno pri metodi kritične prerezne ravnine [3] ali energijski metodi [5]. Pomembno raziskovalno področje je tudi razvoj enotnega modela za utrujanje VCU in MCU, kar je na primeru energijskih metod prikazano v [5] in [21]. Namen prispevka je pokazati razviti postopek, ki je kot razširitev metod podanih v [9], 606 1 INTRODUCTION In a car there are several thermo-mechanically loaded components, e.g., the engine block and head, the engine supports, the brakes and the whole exhaust system. The growing demands for longer lives and shorter development times have led to great advances in the methods for predicting the life of thermo-mechanically loaded components. For an efficient life prediction several requirements have to be fulfilled: a proper material model with material parameters derived from testing, modelling of the stress-strain response during cycle loading, multi-axiality, a damage accumulation model, and component testing to evaluate the correlation between the life prediction models and the experiments. In operating conditions where complex stress-strain fields are present, the first challenge is to properly select the multi-axial fatigue criterion. At present the following criteria are the most widely used: • Calculation of the equivalent stress or strain ([1] to [3]) in each node of the finite-element model. • The use of stress or strain invariants [3]. • The critical plane approach (initially suggested by Brown and Miller and later modified by several researchers, e.g., Socie, Fatemi - Socie and Papadopoulous - [4], [1] and [3]) that considers the critical plane in each selected node for the life estimation. • The energy criterion ([5] and [14]) that takes into account the dissipated energy during cycle loading. Besides the upper division, approaches can be divided according to their field of usage or analyses requirements. Historically, the first division was between high-cycle (HCF) and low-cycle fatigue (LCF). Wöhler pioneered the field of HCF and the development of the stress-life approach. In the field of LCF Manson and Coffin made substantial developments with the establishment of the strain-life approach. This differentiation is still present today, mainly due to the tendencies for elastic deformation in HCF and inelastic deformation in LCF, as can be seen in the critical plane approach in [3] or the energy method [5]. An important field of research concerns the development of a unified approach to LCF and HCF, as can be seen in the example of the energy methods in [5] and [21]. The purpose of this paper is to show a developed procedure that is an extension of the Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 53(2007)10, 605-620 [11] in [12], uporaben v kombinaciji z metodo končnih elementov (MKE) na izdelkih zahtevnih oblik. Metoda uporablja elastoplastičen materialni model vzmet - drsnik, ki omogoča modeliranje napetostno-deformacijskih stanj pri spremenljivih obremenitvah in temperaturah. V nadaljevanju je prikazan celotni postopek ter njegova overitev na dveh primerih. 1 PREDLAGANI POSTOPEK VREDNOTENJA TERMOMEHANSKEGA UTRUJANJA 1.1 Deljenje analiz V primeru termomehanskega utrujanja (TMU) na izdelek hkrati delujejo spreminjajoče se mehanske obremenitve (sile, tlak itn.) in temperaturne obremenitve zaradi segrevanja izdelka. Za pridobitev temperaturnih polj v izdelku, ki se uporabijo v trdnostnih analizah, je treba opraviti delitev med termičnimi oz. analizami CFD in trdnostnimi preračuni. Pri prvi skupini analiz se pridobi temperaturna polja v izdelku za celoten obremenitveni potek, ki se nato skupaj z mehanskimi obremenitvami uporabijo v trdnostni MKE analizi. V našem primeru za izračun poškodbe izvedemo delitev med trdnostno in poškodbeno analizo. Pridobljena napetostno-deformacijska in temperaturna polja se izvozijo v razviti program za izračun poškodbe (PIP), kjer se izvedejo končni preračuni. Uporabljena delitev analiz je uspešno uporabljena skupaj s Skeltonovim energijskim kriterijem v avtomobilski industriji ([1],[7] in [8]). Predlagan postopek vrednotenja poteka v naslednjem vrstnem redu: 1. Izračun temperaturnih polj za celotni potek obremenitev s prehodno termično ali CFD analizo MKE. 2. Izračun napetostno-deformacijskega odziva za obračalne točke obremenitvenega poteka z MKE. Analiza je lahko linearna ali nelinearna. 3. Iz MKE je izvoženi potek napetosti in temperature za vsa vozlišča v razviti program za izračun poškodbe (PIP). 4. Če so napetosti pridobljene z linearno analizo, so v PIP-u napetosti v plastičnem področju ocenjene z Neuberjevo formulo. 5. V PIP-u se izvede modeliranje celotnih histereznih zank z reološkim modelom vzmet -drsnik [9]. methods given in [9], [11] and [12]. It is used in combination with the finite-element method (FEM) and can be applied to components with a complex shape. The procedure uses an elastoplastic springslider material model, which enables the modelling of stress-strain states under variable loads and temperatures. In the sections that follow the entire process and its validation on two examples are shown. 1 THE PROPOSED PROCEDURE FOR TMF EVALUATION 1.1 Uncoupling of analysis In the case of thermo-mechanical fatigue (TMF) the variable mechanical loading (force, pressure, etc.) and the temperature loading are acting simultaneously on the component. In order to obtain the temperature fields that are used in stress-strain analyses the thermal or CFD analyses and the structural analyses are uncoupled. With the first group of analyses the temperature fields for the entire load history are obtained, which are later applied in combination with the mechanical loadings in the structural finite-element analyses (FEA). For the damage calculation the uncoupling between the structural and the damage analyses is performed too. The obtained stress-strain and temperature fields are exported to the developed Damage Calculation Program (DCP), where the final calculation is performed. This kind of uncoupling is successfully applied in combination with Skelton’s energy criterion in the automotive industry ([1],[7] and [8]). The proposed evaluation procedure is performed in the next steps: 1.Calculation of the temperature fields for the load history with the transient thermal FEA or CFD analyses. 2.Calculation of the stress-strain response for the turning points in the given load history with the FEA. The analysis can be either linear or non-linear. 3.From the FEA the stress and temperature histories for all the nodes are exported to the specifically developed Damage Calculation Program (DCP). 4.If the stresses have been computed with the linear FEA the DCP estimates the elastoplastic stresses at the turning points with the Neuber approximate formula. 5.In the DCP a stress-strain modelling of the complete hysteresis loops is performed using the stress-controlled spring-slider model [9]. Vrednotenje termomehansko obremenjenih izdelkov - Evaluating Thermo-Mechanically Loaded Components 607 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 53(2007)10, 605-620 6. Štetje obremenitvenih ciklov z rainflow metodo z upoštevanjem metode zapiranja ciklov, predstavljene v [9], in ekvivalentne temperature cikla[9]. 7. Izvedena je ocena poškodbe s Smith-Watson-Topper-jevim parametrom [10] in ocena sproščene energije. 6.After the stress-strain modelling the rainflow cycle counting is performed, by utilizing the cycle closure method used in [9] and the calculation of the equivalent cycle temperature [9]. 7.Damage estimation using the Smith-Watson-Topper parameter [10] and the estimation of the dissipated energy is performed. 1.2 Napetostno nadzorovan model elastoplastičnosti 1.2 Stress-controlled model of elastoplasticity Modeliranje napetostno-deformacijskega odziva v PIP-u se izvaja s serijsko vezanim modelom vzmet - drsnik, ki je zmožen modeliranja kinematičnega utrjevanja za izotermne in neizotermne primere. Ker je bil model že obširno predstavljen v [9], so v nadaljevanju podane le končne enačbe. Ob neupoštevanju izotropnega utrjevanja je za vrednotenje utrujanja pogosto v uporabi stabilizirana ciklična napetostno-deformacijska Ramberg-Osgoodova krivulja [9]: Modelling of the stress-strain response in the DCP is performed with the stress-controlled serially connected spring-slider model, which is capable of modelling elastoplastic hardening solids and nonlinear kinematic hardening for isothermal or non-isothermal cases. The model was thoroughly presented in [9], which is why only the final set of equations is listed below: E(T) {K'(T) 1/n(T) (1), kjer so: T temperatura, E(T) modul elastičnosti, K’(T) koeficient cikličnega utrjevanja in n\T) eksponent cikličnega utrjevanja. Poleg zgornje enačbe se lahko uporabi katerokoli elastoplastično razmerje s kinematičnim utrjevanjem. Ob predpostavki, da so na voljo stabilizirane ciklične napetostno-deformacijske krivulje, je lahko elastoplastična deformacija modelirana s Prandtlovim operatorjem. Celotna elastoplastična deformacija je lahko izražena v obliki Prandtlovega operatorja: T, E(T), K’(T) and n’(T) are the temperature, the Young modulus, the cyclic hardening coefficient, and the cyclic hardening exponent, respectively. There is no limitation, however, on using any other stress-strain relation that exhibits elastoplastic behaviour with nonlinear kinematic hardening. Supposing that cyclically stable cyclic stressstrain curves are available, the elastoplastic strain can be modelled with an operator of the Prandtl type. The total elastoplastic strain can be expressed in the form known as the operator of the Prandtl type: e()= rX(r) sa7() /-0 za 0 < t1 < t2 < <*,.< , kjer sta Ti = T(ti) in a (/.) člena s splošno začetno vrednostjo: (2)