Application of spectral method in fatigue application life assessment - determination of crack initiation

• Autorzy: Niesłony A. , Bohm M.

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie metody spektralnej w wyznaczaniu trwałości zmęczeniowej – określanie inicjacji pęknięć

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The purpose of this paper is to provide a simple approach for indication of those places of machine parts, where the fatigue crack initiation begins. This method uses FEM and the cyclic stress-strain curve for calculating the stress state on specimens. The multiaxial fatigue failure criterion based on the critical plane approach was used for reduction of the random spatial stress state into the equivalent uniaxial one. The critical plane position was established with the use of the variance method, and fatigue life was determined with assumption of linear damage accumulation. Experimental verification of the proposed method was performed with the use of results of fatigue tests for St52.3 structural steel subjected to biaxial random tension-compression. Cruciform specimens with four holes were tested. During the tests, the place and time of crack initiation were observed. It was shown, that the proposed method for determination of the places of fatigue crack initiation gave results well correlated with the data obtained from experiments. The proposed method could be applied by engineers in order to identify the places and time of fatigue cracks initiation.

PL

Celem niniejszej pracy jest przedstawienie prostego podejścia w wyznaczaniu tych miejsc w elementach maszyn, gdzie nastąpi inicjacja pęknięć. Niniejsza metoda wykorzystuje metodę elementów skończonych (MES) i krzywą cyklicznego odkształcenia w celu obliczenia stanu naprężenia w próbkach. Wieloosiowe kryterium zmęczenia oparte na założeniach płaszczyzny krytycznej zostało zastosowane w celu redukcji przestrzennego losowego stanu naprężenia na ekwiwalentny jednoosiowy. Położenie płaszczyzny krytycznej zostało zdefiniowane przy pomocy metody wariancji, natomiast trwałość zmęczeniowa została wyznaczona zgodnie z założeniami liniowej hipotezy sumowania uszkodzeń. Weryfikacja eksperymentalna zaproponowanej metody została przeprowadzona na podstawie wyników badań zmęczeniowych stali konstrukcyjnej St52.3 poddanej dwuosiowym losowemu obciążeniu rozciąganiem-ściskaniem. W niniejszych badaniach zostały zastosowane próbki krzyżowe z czterema otworami. W trakcie badań były rejestrowane miejsca oraz czas inicjacji pęknięcia. Wykazano, że proponowana metoda wyznaczania miejsc inicjacji pęknięć dała wyniki pokrywające się z otrzymanymi w trakcie eksperymentu. Proponowana metoda może zostać zastosowana przez inżynierów w celu identyfikacji miejsc oraz czasu, w którym nastąpi inicjacja pęknięć zmęczeniowych.

Słowa kluczowe

EN

spectral method; multiaxial fatigue; random loading; crack initiation

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej
• Czasopismo: Journal of Theoretical and Applied Mechanics
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 50 nr 3
• Strony: 819--829
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Niesłony A.

autor

Bohm M.

• Opole University of Technology, Department of Mechanics and Machine Design, Opole, Poland,

Bibliografia

• 1. Cristofori A., Benasciutti D., Tovo R., 2011, A stress invariant based spectral method to estimate fatigue life under multiaxial random loading, International Journal of Fatigue, 33, 887-899
• 2. Dirlik T., 1985, Application of computers in fatigue analysis, Ph.D. Thesis, University ofWarwick
• 3. Fatemi A., Yang L., 1998, Cumulative fatigue damage and life prediction theories: a survey of the state of the art for homogeneous materials, International Journal of Fatigue, 20, 1, 9-34
• 4. Grzelak J., Łagoda T., Macha E., 1991, Spectral Analysis of the criteria for multiaxial random fatigue, Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 22, 85-98
• 5. Halford G.R., 1997, Cumulative fatigue damage modelingcrack nucleation and early growth, International Journal of Fatigue, 19, 253-260
• 6. Łagoda T., Macha E., Będkowski W., 1999, A critical plane approach based on energy concepts: application to biaxial random tension-compression high-cycle fatigue regime, International Journal of Fatigue, 21, 431-443
• 7. Łagoda T., Macha E., Niesłony A., 2005, Fatigue life calculation by means of the cycle counting and spectral methods under multiaxial random loading, Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures, 28, 409-420
• 8. Łagoda T., Ogonowski P., 2005, Criteria of multiaxial random fatigue based on stress, strain and energy parameters of damage in the critical plane, Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 36, 429-437
• 9. Macha E., Niesłony A., 2012, Critical plane fatigue life models of materials and structures under multiaxial stationary random loading: The state-of-the-art in Opole Research Centre CESTI and directions of future activities, International Journal of Fatigue, 39, 95-102
• 10. Manson S.S., 1965, Fatigue: A complex subjectsome simple approximations, Experimental Mechanics, 5, 193-226
• 11. Manson S.S., Halford G.R., 2006, Fatigue and Durability of Structural Materials, ASM International Ohio
• 12. Mroziński S., 2011, The influence of loading program on the course of fatigue damage cumulation, Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 49, 1, 83-85
• 13. Niesłony A., 2009, Determination of fragments of multiaxial service loading strongly influencing the fatigue of machine components, Mechanical Systems and Signal Processing, 23, 2712-2721
• 14. Niesłony A., 2010, Comparison of some selected multiaxial fatigue failure criteria dedicated for spectral method, Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 48, 233-254
• 15. Niesłony A., Macha E., 2007, Spectral Method in Multiaxial Random Fatigue, Lecture Notes in Applied and Computational Mechanics, Springer Berlin, Heidelberg
• 16. Niesłony A., Sonsino C.M., 2006, Calculating the fatigue crack initiation in machine parts under random multiaxial loading, [In:] COMSOL Multiphysics Konferenz 2006 – Neue Wege Der Multiphysik Simulation, 106-111
• 17. Pitoiset X., Preumont A., 2000, Spectral methods for multiaxial random fatigue analysis of metallic structures, International Journal of Fatigue, 22, 541-550
• 18. Read P.J.C.L., Shenoi R.A., 1995, A review of fatigue damage modelling in the context of marine FRP laminates, Marine Structures, 8, 257-278
• 19. Schijve J., 2009, Fatigue of Structures and Materials, Springer Berlin, Heidelberg
• 20. Shamsaei N., Fatemi A., Socie D.F., 2011, Multiaxial fatigue evaluation using discriminating strain paths, International Journal of Fatigue, 33, 597-609
• 21. Stephens R.I., Fuchs H.O., 2001, Metal Fatigue in Engineering, Wiley-IEEE
• 22. Susmel L., 2010, A simple and efficient numerical algorithm to determine the orientation of the critical plane in multiaxial fatigue problems, International Journal of Fatigue, 32, 1875-1883
• 23. Susmel L., Tovo R., 2011, Estimating fatigue damage under variable amplitude multiaxial fatigue loading, Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures, 34, 1053-1077
• 24. Szala J., 1998, Hipotezy sumowania uszkodzeń zmęczeniowych, Wydawnictwa Uczelniane ATR w Bydgoszczy, 175 pp.
• 25. Zhang S., Sakane M., 2007. Multiaxial creep-fatigue life prediction for cruciform specimen, International Journal of Fatigue, 29, 2191-2199