Väsymissärön mallinnus vauriontunnistusta varten

Abstract

Tämän insinöörityön tavoitteena oli väsymissärön mallinnuksella luoda vauriontunnistusta varten simuloitua anturidataa sekä ehjästä että vaurioituneesta rakenteesta. Tutkittavana rakenteena oli ulokepalkki pyöreällä putkiprofiililla ja vauriotyyppinä väsymissärö, joka on tyypiltään niin sanottu hengittävä särö. Vaurio mallinnettiin myös avoimena särönä tulosten vertailun vuoksi. Simuloinnin tulosten perusteella selvitettiin pienin vauriontunnistuksessa havaittavan särön koko. Simulointiin käytettiin elementtimenetelmään perustuvaa Abaqus FEA -ohjelmistoa.

Simuloitavista malleista mitattiin rakenteen ylä- ja alapinnoilta valituista mittaussolmuista vauriontunnistusta varten kiihtyvyydet ja venymät, kun rakenteen vapaassa päässä vaikutti satunnaisheräte. Molemmilla särötyypeillä simuloitiin kaksi ehjää ja neljä vaurioitunutta rakennetta. Vaurioituneissa rakenteissa särökoot olivat 50 %, 25 %, 13,5 % ja 7,7 % profiilin pinta-alasta. Särön sijainti malleissa oli 10 mm:n etäisyydellä rakenteen juuresta.

Hengittävän särön osalta pystyttiin havaitsemaan sekä kiihtyvyyksien että venymien perusteella kaikki mallinnetut säröt niin rakenteen ala- kuin yläpinnan mittaussolmujen perusteella.

Avoimen särön osalta havaittiin yläpinnan venymien perusteella kaikki säröt, mutta kun analyysistä jätettiin pois lähimpänä säröä oleva mittaussolmu, ei enää havaittu minkään kokoisia säröjä. Sekä yläpinnan kiihtyvyyksien että alapinnan venymien perusteella havaittiin kuitenkin suurin ja toiseksi suurin avoin särö (50 % ja 25 %).

Insinöörityön tuloksena saatiin toimivat mallit valitun ulokepalkkirakenteen simuloimiseen sekä havaittiin työn kannalta merkitykselliset vauriot.

Malleissa on vielä simuloinnin realistisuuden kannalta parannettavaa. Esimerkiksi vaimennuksella, jota ei käytetyissä malleissa ollut, on todennäköisesti vaikutusta rakenteen käyttäytymiseen vauriontunnistuksen kannalta merkittävällä tavalla. Myös säröpintojen kontaktin parantaminen vaatii jatkoselvitystä.

The objective of this Bachelor’s thesis was to create simulated sensor data from damaged and undamaged structures for fatigue crack detection. The studied structure was a cantilever beam with a hollow circular cross-section and the type of the damage analyzed was a fatigue crack. A fatigue crack is the so-called breathing crack. The studied structure was also modeled using open cracks for the comparison of results between breathing cracks and open cracks. Based on the results of the simulations, the smallest detectable crack size was studied. Simulations were carried out using Abaqus FEA software.

Accelerations and strains were extracted from the selected measurement nodes at the bottom and at the top of the geometry while random excitation was applied at the free end of the beam. Two undamaged and four damaged structures were simulated using both crack types. In the damaged structures, the crack sizes were 50 %, 25 %, 13.5 % and 7.7 % of the surface area of the profile. The location of the crack was 10 mm from the fixed end of the beam.

In case of breathing cracks, all modeled cracks were detected successfully based on both accelerations and strains on the basis of the extracted data from both top and bottom measurement nodes.

In case of open cracks, all modeled open cracks were detected based on the strains of the top surface. On the other hand, if a measurement node closest to the crack is eliminated from the analysis, no cracks were detected. However, based on both accelerations on the top surface and strains on the bottom surface of the structure, the largest and the second largest crack was detected (50 % & 25 %).

As a result of this thesis, functional FEM-models of the studied cantilever beam structure were made and the most significant damages were detected.

In conclusion, it was discovered that further research is necessary to improve the used models to obtain more realistic simulations and results. For example, the current models do not include damping, which will probably affect the behavior of the structure from the point of view of damage detection as well. Also, the contact modeling of the fatigue crack should be improved for more realistic contact interaction and results.