Levensduurberekening van Dynamische Constructies: Fatigue-analyse en Hot Spot Stress
Levensduurberekening van Dynamische Constructies: Fatigue-analyse en Hot Spot Stress
Dynamische constructies worden voortdurend blootgesteld aan variabele belastingen. Dit leidt tot spanningswisselingen die op lange termijn vermoeiing en uiteindelijk falen kunnen veroorzaken. Een accurate berekening van de levensduur van deze constructies is cruciaal voor veiligheid en betrouwbaarheid. Dit artikel beschrijft de stappen voor het berekenen van de levensduur van een dynamische constructie, waarbij gebruik wordt gemaakt van een lastspectrum.
- Lastspectrum en optredende belastingen
Het startsignaal voor een correcte levensduurberekening is het vaststellen van het lastspectrum. Dit spectrum beschrijft de variërende belastingen die gedurende de levensduur op de constructie inwerken. Elke stap in het spectrum vertegenwoordigt een specifieke belastingstoestand met een bijbehorende normaalspanning.
De normaalspanningen worden berekend op basis van:
- De geometrie van de constructie
- De materiaaleigenschappen
- De dynamische krachten die op de constructie werken
De spanningsverschillen tussen de belastingstoestanden vormen de basis voor het bepalen van de vermoeiing.
- Vermoeiingsanalyse bij lassen: Hot Spot Stress-methode
Voor de vermoeiingsanalyse rondom lassen wordt de Hot Spot Stress-methode toegepast. Deze methode is bijzonder effectief omdat lassen gevoelige locaties zijn waar spanningsconcentraties optreden.
2.1 Hot Spot Stress-analyse in FEM-rekenmodellen
In het Finite Element Method (FEM) model worden lassen expliciet gemodelleerd. De mesh in de wand van het basismateriaal rondom de las wordt verfijnd volgens gestandaardiseerde richtlijnen. Deze verfijning zorgt voor een accurate bepaling van de spanningen in kritische zones.
De Hot Spot Stress wordt berekend door:
- De normaalspanningen op specifieke meetpunten nabij de las te bepalen
- Deze normaalspanningen te combineren tot een Hot Spot Stress spanning, volgens een gestandaardiseerde formule
De resulterende Hot Spot Stress geeft de maatgevende spanning weer die wordt gebruikt om het aantal spanningswisselingen tot scheurvorming te berekenen.
- SN-curve en vermoeiingslevensduur
Voor constructiedelen buiten lasverbindingen wordt de vermoeiingslevensduur bepaald aan de hand van de S-N curve van het betreffende materiaal. De S-N curve beschrijft de relatie tussen de spanningsamplitude en het aantal cycli dat tot falen leidt.
Bij het gebruik van de S-N curve zijn de volgende factoren van belang:
- Het specifieke materiaal van de constructie
- De verhouding tussen minimale en maximale spanning (stress ratio)
- De dikte van de wand
- De temperatuur waaraan de constructie wordt blootgesteld
- Het aantal belastingwisselingen per tijdseenheid
- Factoren die de levensduur beïnvloeden
Diverse factoren spelen een rol bij het bepalen van de levensduur:
- Lastspectrum: Beschrijft de variatie in belasting over tijd.
- Optredende belastingen: De krachten en momenten die inwerken op de constructie.
- Lasdetails: De geometrie van de las en de hoek ten opzichte van de hoofd normaalspanning.
- Materiaalkeuze: Elk materiaal heeft unieke eigenschappen die de weerstand tegen vermoeiing bepalen.
- Spanningverhouding (stress ratio): De verhouding tussen minimale en maximale spanning tijdens de cycli.
- Wanddikte: Dikkere wanden vertonen andere vermoeiingseigenschappen dan dunne platen.
- Temperatuur: Warmte-invloeden kunnen spanningen en materiaaleigenschappen aanzienlijk wijzigen.
- Aantal belastingwisselingen: Hoe vaker een belasting optreedt, des te sneller kan vermoeiing ontstaan.
- Restlevensduurberekening
Bij het berekenen van de resterende levensduur van een constructie is inzicht in de belastinghistorie essentieel. Het aantal reeds doorlopen cycli wordt in kaart gebracht om de resterende vermoeiingslevensduur te bepalen. Dit maakt het mogelijk om te voorspellen wanneer inspectie, onderhoud of vervanging nodig is.
5.1 Stap voor stap benadering voor restlevensduurberekening:
- Inventarisatie van het bestaande lastspectrum
- Berekening van de optredende spanningen in kritieke zones
- Bepaling van de spanningsverschillen tussen belastingstoestanden
- Toepassing van de Hot Spot Stress-methode voor lasverbindingen
- Vergelijking van berekende spanningen met de relevante S-N curve
- Vaststelling van de vermoeiingslevensduur op basis van cumulatieve schadebeginselen.
Door deze stappen nauwgezet te volgen, kan de levensduur van dynamische constructies betrouwbaar worden voorspeld, wat essentieel is voor het veilig functioneren van constructies in diverse sectoren zoals offshore, bruggenbouw en zware machinebouw.
- Conclusie
De berekening van de levensduur van dynamische constructies is een complex maar essentieel proces om schade door vermoeiing te voorkomen. De combinatie van een nauwkeurig lastspectrum, FEM-rekenmodellen met verfijnde mesh-technieken en de juiste toepassing van S-N curves en de Hot Spot Stress-methode zorgt voor betrouwbare voorspellingen. Deze aanpak draagt bij aan de veiligheid, efficiëntie en duurzaamheid van constructies in veeleisende omgevingen.