Technische samenvatting
Kernpunten:

Het artikel beschrijft hoe vermoeiingsanalyse in FEM de levensduur bij herhaalde belastingen beoordeelt, aanvullend op statische sterktecontrole. Het licht de S-N-methode toe als klassieke aanpak voor hoogcyclische vermoeiing en bespreekt beperkingen zoals het ontbreken van een duidelijke vermoeiingsgrens bij aluminium.

  • Materiaalmoeheid veroorzaakt geleidelijke scheurvorming door belastingscycli, zelfs bij spanningen onder de statische sterkte
  • Vermoeiing is naar schatting verantwoordelijk voor ~90% van de defecten aan mechanische onderdelen tijdens gebruik
  • Vermoeiingsscheuren groeien vaak onzichtbaar van microscheurtjes naar plotselinge, catastrofale breuk
  • Vermoeiingsanalyse combineert FEM-spanningsresultaten met materiaalmodellen zoals S-N (Wöhler) om cycli tot scheur te voorspellen
  • Resultaten tonen kritieke locaties en levensduur/veiligheidsfactor, zodat ontwerpoptimalisatie en faalpreventie mogelijk zijn

Ingenieurs die machines en constructies ontwerpen, moeten ervoor zorgen dat hun producten langdurig gebruik zonder beschadigingen doorstaan. Een van de gevaarlijkste verschijnselen die de levensduur van een constructie beperken, is materiaalmoeheid – het geleidelijk ontstaan van vermoeiingsscheuren onder invloed van belastingscycli, zelfs wanneer de belastingen ruim onder de statische sterkte van het materiaal liggen. Naar schatting is vermoeiing verantwoordelijk voor ~90% van de defecten aan mechanische onderdelen tijdens gebruik. Wat het nog erger maakt: vermoeiingsscheuren ontwikkelen zich in het verborgene – van microscopisch kleine scheurtjes tot een plotselinge, catastrofale breuk – vaak zonder waarschuwing. Daarom is de analyse van vermoeiingsbestendigheid een zeer belangrijk onderdeel van het ontwerpen van mechanische constructies met het oog op veiligheid. Vermoeiingsanalyse komt er in de praktijk op neer dat wordt voorspeld na hoeveel cycli een bepaalde plek in de constructie kan gaan scheuren. Tegenwoordig gebeurt dit met computersimulaties, waarbij FEM-sterkteberekeningen (met de eindige-elementenmethode) worden gecombineerd met modellen die het materiaalgedrag bij cyclische belastingen beschrijven. Zo’n simulatie van vermoeiingsduur stelt ingenieurs in staat kritieke punten in de constructie te identificeren, storingen en scheurvorming al in de ontwerpfase te voorkomen en de constructie te optimaliseren op duurzaamheid. Een correct uitgevoerde vermoeiingsanalyse helpt zo kostbare defecten of productrecalls te vermijden en – vooral – verhoogt de veiligheid en betrouwbaarheid van het product tijdens gebruik.

Waar draait vermoeiingsanalyse in FEM-berekeningen om?

Een traditionele sterkteanalyse (statisch) in FEM controleert of een constructie een enkele, maximale belasting kan weerstaan zonder plastische vervorming of bezwijken. Het voldoen aan statische criteria garandeert echter geen langdurige duurzaamheid – een onderdeel hoeft niet te breken door een eenmalige belasting, maar kan door vermoeiing falen na herhaaldelijke toepassing van diezelfde belasting. Een vermoeiingsanalyse vult de MES-berekeningen daarom aan met een beoordeling van de levensduur van de constructie bij herhaald optreden van belastingen.

In de ingenieurspraktijk gaat dit als volgt: eerst wordt een FEM-model van het onderdeel opgesteld en worden FEM-berekeningen uitgevoerd voor karakteristieke belastingsgevallen (bijv. een simulatie van rijden over een hobbelige weg voor een voertuigframe, windstootbelasting voor de constructie van een windturbine, enz.). FEM levert de verdeling van spanningen (en vervormingen) in het volledige model. Vervolgens worden aan deze resultaten een materiaalmodel toegevoegd dat rekening houdt met de vermoeiingseigenschappen van het materiaal – meestal in de vorm van een S-N-curve (Wöhler) of parameters voor de vermoeiingssterkte. Op basis daarvan wordt de vermoeiingslevensduur berekend: dus het aantal cycli tot het ontstaan van een scheur of de veiligheidsfactor tegen vermoeiing in elk punt van de constructie. Deze berekeningen kunnen binnen de FEM-software worden uitgevoerd (in vermoeiingsmodules) of met behulp van gespecialiseerde tools voor vermoeiingsanalyse. Het resultaat is onder meer een kaart met de locaties die het meest gevoelig zijn voor scheurvorming en een schatting na hoeveel cycli schade zal optreden. Daardoor weet de ontwerper welke delen van de constructie verbeteringen nodig hebben om de beoogde levensduur en veilige exploitatie te realiseren.

Basis­methoden voor het beoordelen van materiaalmoeheid

Er zijn verschillende beproefde benaderingen voor vermoeiingsberekeningen. De keuze van de methode hangt onder meer af van het vervormingsbereik (elastisch of plastisch), het aantal cycli tot bezwijken en de aard van de belastingen. Tot de basismethoden behoren:

  • S-N-methode (stress-life, Wöhler-curve) – De klassieke spanning–aantal cycli-benadering is gebaseerd op grafieken die de relatie tonen tussen het spanningsniveau en het aantal cycli tot bezwijken. De S-N-curve voor een bepaald materiaal wordt experimenteel bepaald: materiaalproefstukken worden onderworpen aan een sinusvormige cyclische belasting met verschillende amplitudes, waarna het aantal cycli tot scheurvorming voor elk proefstuk wordt vastgelegd. Zo ontstaat een grafiek (vaak op log-log-schaal) die bekendstaat als de Wöhler-curve, waarbij lagere spanningen overeenkomen met een hogere levensduur (meer cycli tot scheurvorming). De S-N-methode gaat uit van elastisch gedrag van het materiaal – ze is vooral geschikt voor hoogcyclische vermoeiing, wanneer de spanningen onder de vloeigrens blijven en de levensduur wordt uitgedrukt in duizenden tot miljoenen cycli. Er wordt aangenomen dat boven ca. 10^4 cycli (bijv. in bereiken >10 duizend) het elastische gebied nog steeds domineert, waardoor de S-N-methode betrouwbare resultaten oplevert. De S-N-curve heeft vaak een horizontaal segment bij een groot aantal cycli – dit komt overeen met de vermoeiingsgrens van het materiaal (endurance limit), oftewel de amplitude waaronder stalen proefstukken een onbeperkt aantal cycli kunnen doorstaan zonder scheurvorming. (Let op: niet alle materialen hebben een duidelijke vermoeiingsgrens – aluminium vertoont bijvoorbeeld een geleidelijke afname van de sterkte naarmate het aantal cycli toeneemt; daarom wordt daarvoor conventioneel een sterkte bij 10^7 cycli gedefinieerd in plaats van een oneindige levensduur).
  • Methode ε-N (strain-life, rek-methode) – Wanneer vervormingen niet elastisch blijven, treden lokale plastische vervormingen op (bijv. bij inkepingen, enthalpieën van spanningsconcentratie), waardoor de nauwkeurigheid van de S-N-methode afneemt. In dat geval past men de methode vervorming–aantal cycli toe, ook wel de Coffin-Manson-methodiek genoemd. De ε-N-methode telt de elastische en plastische vervormingen tijdens een cyclus bij elkaar op – zij definieert de totale vervormingsamplitude als de som van de elastische amplitude (Δε_e/2) en de plastische amplitude (Δε_p/2). ε-N-curven combineren de wetten van Basquin (beschrijving van het elastische deel van de spanning–cyclus-relatie) en Coffin-Manson (beschrijving van het plastische deel) tot één vergelijking. De rek-methode wordt vooral toegepast voor laagcyclische vermoeiing (wanneer het aantal cycli tot falen klein is, in de orde van <10 duizend, maar er wel hoge spanningsamplitudes optreden die dicht bij de vloeigrens van het materiaal liggen). Door plastische vervormingen mee te nemen, voorspelt de ε-N-methode beter de levensduur van onderdelen die onder omstandigheden van grote vervormingen werken (bijv. tijdens het opstarten van machines, thermische cycli die thermische uitzetting veroorzaken, enz.).
  • Invloed van de gemiddelde spanning – Goodman-diagram – Werkelijke belastingen zijn zelden volledig symmetrisch wisselend (van trek naar druk). Vaak gaat het om een cyclische belasting met een bepaalde statische component (de zgn. gemiddelde spanning). Een tensiele gemiddelde spanning (trek) is doorgaans ongunstig voor de vermoeiingslevensduur (versnelt de initiatie van scheuren), terwijl een drukkende spanning gunstig kan werken (door microscheuren te sluiten). Om de invloed van de gemiddelde spanning in berekeningen mee te nemen, past men correcties toe en gebruikt men diagrammen voor constante levensduur (de zgn. Goodman-, Gerber- en Soderberg-diagrammen). Het meest gebruikt is het Goodman-diagram – in een assenstelsel zet men de gemiddelde spanning op de horizontale as en de amplitude van de wisselspanning op de verticale as. Het diagram geeft het gebied aan met veilige combinaties van deze waarden. De Goodman-lijn verbindt het punt Rm (de kortstondige sterkte van het materiaal bij een gemiddelde spanning gelijk aan Rm en nul amplitude) met het punt van de vermoeiingsgrens (maximale amplitude bij nul gemiddelde spanning). Elke combinatie van gemiddelde en wisselspanning die onder de Goodman-lijn ligt, betekent dat er geen scheuren ontstaan bij een oneindig aantal cycli; punten erboven duiden op risico op vermoeiingsfalen. In de praktijk corrigeren ingenieurs vaak de effectieve spanningsamplitude volgens de Goodman-formule (of volgens Gerber voor plastische materialen) voordat zij de S-N-curve gebruiken – zo kan de levensduur bij een gegeven gemiddelde spanning worden geschat.
  • Criteria voor multiaxiale vermoeiing (bijv. Dang Van) – Veel onderdelen worden belast onder een complexe (multiaxiale) spannings­toestand – bijvoorbeeld een combinatie van buiging en torsie van een as, of druk + buiging in een buis. Klassieke S-N-curven zijn gebaseerd op nominaal eenassige spanningen; daarom worden voor de beoordeling van multiaxiale vermoeiing criteria gebruikt die rekening houden met passende sterktehypothesen. Een voorbeeld is het Dang Van-criterium, dat vooral wordt toegepast voor de beoordeling van de vermoeiingssterktegrens bij samengestelde belastingen. De Dang Van-methode gaat uit van het zoeken naar combinaties van micro-schuifspanningen en hydrostatische druk in het materiaal die micro-scheuren kunnen initiëren. Het resultaat van een Dang Van-analyse wordt uitgedrukt als een veiligheidsfactor (safety factor) ten opzichte van vermoeiing bij een oneindig aantal cycli, en niet als een concreet aantal cycli tot falen. Voor toepassing van dit criterium zijn speciale materiaalparameters nodig (bepaald op basis van eenassige en tweeassige materiaaltests). Het wordt bijvoorbeeld gebruikt in de automotive-industrie bij de analyse van de duurzaamheid van ophangingscomponenten, transmissies enz., waar de belastingen in meerdere assen variëren en een onbegrensde levensduur van het component met een passende veiligheidsmarge vereist is.
  • Regel van Palmgren-Miner (schade-opsomming) – In een situatie waarin een constructieonderdeel variabele belastingsamplitudes ondervindt (het zogeheten belastingsspectrum), volstaat één enkele S-N-curve niet – het materiaal loopt schade op door cycli met verschillende niveaus. De Miner-regel is een eenvoudige en veelgebruikte hypothese van lineaire cumulatie van vermoeiingsschade. Volgens deze regel verbruikt elke cyclus met een bepaalde amplitude een deel van de “levensduur” van het materiaal. Ondanks de vereenvoudigingen wordt deze methode breed toegepast in de techniek (automotive, luchtvaart, offshore-constructies) voor een indicatieve beoordeling van de vermoeiingslevensduur bij complexe variabele belastingen. Daarmee kun je de invloed van bijvoorbeeld duizenden verschillende meetbelastingen op de bouwplaats optellen tot één eenvoudige indicator voor de mate waarin de vermoeiingslevensduur van het onderdeel is opgebruikt.

Het verloop van de vermoeiingsanalyse stap voor stap

Vermoeidheidsanalyse FEM is een gestructureerd proces waarmee je stap voor stap de duurzaamheid van een constructie kunt beoordelen en kritieke plekken kunt aanwijzen. Hieronder presenteren we een typische volgorde van werkzaamheden:

  1. Probleemdefinitie en FEM-model: De ingenieur definieert de geometrie van het onderdeel en de belastingsgevallen die de werkelijke bedrijfsomstandigheden het best weergeven. In deze fase wordt vastgesteld welke typen cyclische belastingen worden geanalyseerd (bijv. sinusvormige belastingen, willekeurige trillingen, aan/uit-cycli van het apparaat, enz.). Vervolgens wordt het onderdeelmodel in de eindige-elementenmethode voorbereid – het FEM-net, de materiaaleigenschappen (elastisch, plastisch) en de randvoorwaarden en belastingen die overeenkomen met herhaalde werkcycli.
  2. FEM-berekeningen voor cyclische belastingen: Er worden FEM-simulaties uitgevoerd (meestal statische of dynamische analyses) om spanningen en vervormingen als gevolg van de opgelegde belastingen te bepalen. In het eenvoudige geval kan dit één belastingscyclus zijn (bijv. maximale doorbuiging van een balk); in complexere situaties gaat het om een reeks van meerdere gevallen die verschillende fasen van de cyclus of verschillende belastingsscenario’s representeren. Als er een belastingshistorie uit metingen beschikbaar is (bijv. rekstrooksignalen in de tijd), worden cyclus-extractietechnieken zoals het Rainflow-algoritme toegepast om het variabele belastingssignaal te reduceren tot een set cyclusblokken met gedefinieerde amplitudes en gemiddelden.
  3. Identificatie van zwaar belaste zones: Al op basis van alleen de FEM-spanningsanalyse kun je gebieden aanwijzen met de hoogste spanningen of de grootste spanningsconcentraties (bijv. bij inkepingen, gaten, lasinkepingen enz.). Daar zal waarschijnlijk de initiatie van een vermoeiingsscheur optreden. In een vermoeiingsanalyse zijn deze locaties bijzonder belangrijk – vaak definieert men zogeheten hot-spots voor vermoeiing, dus punten waarvoor de levensduur wordt berekend. FEM-software kan automatisch elementen detecteren met de ongunstigste factor voor wisselende spanningen, of de engineer selecteert ze op basis van de resultaten en ervaring.
  4. Selectie van het vermoeiingsmodel en materiaalgegevens: In de volgende stap moeten gegevens worden aangeleverd over de vermoeiingssterkte van het materiaal. Er wordt een passende S-N-curve voor het materiaal gekozen (met de gewenste veiligheidsfactor, overlevingskans – bijv. 97,7% – en voor het bijbehorende R-bereik, d.w.z. de verhouding tussen min/max-spanningen). Als plastische vervormingen worden verwacht, worden in plaats van S-N de ε-N-curven gebruikt (Coffin-Manson-parameters voor het materiaal). Bronnen voor deze gegevens kunnen branchenormen zijn, experimentele resultaten van de materiaalproducent of vermoeiingsdatabanken. Ook moet worden vastgesteld of we een correctie voor de gemiddelde spanning toepassen – we voeren bijvoorbeeld een parameter voor de gemiddelde spanning voor de betreffende cyclus in of hanteren conservatief het Goodman-diagram (wat in de praktijk neerkomt op een verlaging van de toelaatbare amplitude van wisselspanningen naarmate de gemiddelde spanning toeneemt). Indien nodig worden correcties meegenomen voor de kerfgevoeligheidsfactor en de oppervlaktekwaliteit, vooral wanneer de S-N-gegevens afkomstig zijn van laboratoriumproeven op gladde proefstaven, terwijl het werkelijke onderdeel een ruw oppervlak heeft of gelaste verbindingen bevat.
  5. Berekening van levensduur of schade: Met de spanningsverdeling uit het belastingsscenario en de materiaalgegevens gaan we over tot de eigenlijke levensduurvoorspelling. Voor elk relevant punt (bijv. een element van het FEM-net in een hot-spot) wordt de vermoeiingslevensduur berekend. Als er één dominante belastingscyclus is, lezen we uit de S-N-curve het aantal cycli tot falen af bij een amplitude gelijk aan de spanning in dat punt en de gemiddelde spanning). Vaak hebben we echter meerdere verschillende belastingsniveaus – dan wordt de hierboven beschreven Miner-sommatie toegepast. Vaak is het resultaat van de vermoeiingsanalyse ook een veiligheidsfactor – een veelvoudige marge ten opzichte van het aangenomen aantal cycli, of het minimale aantal cycli gedeeld door het vereiste aantal cycli. Bij criteria zoals Dang Van wordt het resultaat rechtstreeks gegeven als veiligheidsfactor voor oneindige levensduur (bijv. informatie of de betreffende plek de vereiste 10^6 cycli met een marge van 1.5 aankan of niet).
  6. Lokaliseren en beoordelen van scheuren: De laatste stap is de interpretatie van de resultaten. De analyse wijst de specifieke zones van de constructie aan met de laagste duurzaamheid (of de grootste schade). Daar kan het vroegst de initiatie van een vermoeiingsscheur beginnen. In rapporten worden doorgaans contourkaarten op het FEM-model gepresenteerd die de verdeling tonen van het voorspelde aantal cycli tot falen of de waarde van de vermoeiingsveiligheidsfactor. De engineer richt zich op onderdelen die de meest kritieke waarden vertonen. Als de minimale voorspelde levensduur van de constructie niet aan de uitgangspunten voldoet (bijv. het component moet 1 miljoen cycli doorstaan, terwijl de analyse een scheur na 200 duizend aangeeft), moeten ontwerpwijzigingen worden voorgesteld: aanpassing van de geometrie (afronden van inkepingen, vergroten van de doorsnede), het materiaal vervangen door een materiaal met een hogere vermoeiingssterkte, verbetering van de oppervlaktekwaliteit of het toepassen van verhardingsprocessen (bijv. kogelstralen) om de levensduur te verlengen.
  7. Verificatie en prototypetests: Hoewel een FEM-vermoeiingsanalyse waardevolle voorspellingen oplevert, is het best practice om de resultaten te bevestigen met prototypetests. Vaak worden vermoeiingstests uitgevoerd op kritische componenten of complete subassemblages (bijv. een meer-miljoen cyclische belasting van de auto-ophanging op een testopstelling) en vergeleken met de simulatievoorspellingen. Zo kan het model worden gekalibreerd en maken de verkregen experimentele gegevens het mogelijk om het materiaalmodel beter af te stemmen (bijv. door de S-N-curves voor het werkelijke materiaal na lassen of bewerking nader te specificeren). Zo’n verificatielus zorgt ervoor dat het eindproduct een zowel simulatief als experimenteel bevestigde vermoeiingslevensduur heeft, wat het vertrouwen in de veiligheid ervan vergroot.

Toepassing van vermoeiingsanalyse in verschillende sectoren

Vermoeiingsanalyses zijn tegenwoordig de norm in tal van industriële sectoren, van de automotive tot de energiesector. Overal waar componenten worden blootgesteld aan herhaalde belastingen, maken ingenieurs gebruik van vermoeiingssimulaties om voldoende duurzaamheid te waarborgen en storingen te voorkomen. Hieronder enkele voorbeelden van toepassingen in verschillende sectoren:

  • Automotive: Voertuigconstructies moeten honderden duizenden kilometers aan trillingen, schokken en wisselende belastingen kunnen doorstaan. Vermoeiingsanalyse wordt ingezet bij het ontwerp van dragende frames, ophangingscomponenten, carrosserieën, assen, velgen en zelfs motoronderdelen. Zo ondergaat een draagarm van de ophanging bij oneffenheden in het wegdek voortdurend buigcycli – met een vermoeiingssimulatie kan worden beoordeeld of hij na een bepaald aantal torsiecycli niet zal scheuren. In motoren worden krukassen en drijfstangen onderzocht op materiaalvermoeiing door miljoenen verbrandingscycli. Autofabrikanten gebruiken zowel FEM-berekeningen als proefbanktesten (zgn. durability testing) om zeker te stellen dat bijvoorbeeld het voertuigframe geen vermoeiingsscheuren zal vertonen gedurende de volledige gebruiksduur. Met vermoeiingsanalyses kan ook de massa van componenten worden geoptimaliseerd – onnodige overdimensionering wegnemen waar een kleinere doorsnede nog steeds aan de duurzaamheidseisen voldoet, wat resulteert in lichtere en zuinigere voertuigen.
  • Luchtvaart: De luchtvaartsector hecht al sinds de tragische ongevallen met De Havilland Comet-straalvliegtuigen in de jaren 50 (veroorzaakt door vermoeiingsscheuren in de huid rond de ramen) enorm veel belang aan materiaalmoeheid. Elk passagiersvliegtuig heeft een vastgelegde vermoeiingslevensduur uitgedrukt in start-landingscycli en in drukcycli van de romp. Sterkte-analyses van luchtvaartconstructies bevatten altijd een hoofdstuk over vermoeiing – bijvoorbeeld berekeningen na hoeveel drukcycli er een scheur in de huid kan ontstaan, of wanneer een onderdeel van het landingsgestel mogelijk aan vervanging toe is. Men past de filosofieën fail-safe en damage-tolerance toe: men gaat dus uit van het bestaan van scheuren en ontwerpt onderdelen zo dat een falen niet plotseling of catastrofaal is (bijv. dubbele liggers in vleugels, regelmatige defectoscopische inspecties van kritieke zones). Simulatie van de vermoeiingsduurzaamheid maakt het mogelijk inspectie-intervallen vast te stellen – bijvoorbeeld te voorspellen dat na 5000 vluchtcycli een inspectie van een bepaald knooppunt van het landingsgestel nodig is. Zo behoudt de luchtvaart een hoog veiligheidsniveau en worden constructieonderdelen van vliegtuigen optimaal benut (ze worden niet te vroeg en ook niet te laat vervangen).
  • Industriële machines en technische constructies: In de zware industrie werken veel installaties cyclisch – smeedpersen oefenen duizenden keren druk uit, bovenloopkranen heffen en laten lasten herhaaldelijk zakken, bruggen en kranen worden blootgesteld aan cyclische belastingen door voertuigverkeer of wind. Vermoeiingsanalyses worden bijvoorbeeld toegepast voor kraangieken (beoordeling van de levensduur van lassen op plaatsen met de grootste buigmomenten), lier-/windtrommels (aantal kabelopwikkelcycli tot breuk), of stalen constructies van hoogbouw (slingeren door wind veroorzaakt miljarden spanningscycli in constructieonderdelen). Ook in de civiele techniek wordt vermoeiing onderzocht – zo moeten wegbruggen honderdduizenden passages van vrachtwagens kunnen doorstaan. Normen (bijv. Eurocode) vereisen dat vermoeiingsanalyses voor bruggen worden uitgevoerd, waarbij het voertuigverkeer wordt meegenomen als een reeks belastingscycli. Bij roterende machines, zoals turbines of generatoren, is vermoeiing eveneens cruciaal – schoepen van een stoomturbine ondervinden periodieke krachtvariaties door de stoomstroming, generatorassen krijgen te maken met torsietrillingen. Elk dergelijk onderdeel is gevoelig voor vermoeiingsscheuren; daarom analyseren ingenieurs deze verschijnselen al in de ontwerpfase van mechanische constructies om storingen tijdens de bedrijfsvoering te voorkomen.
  • Energietechniek: In de energiesector, met name bij hernieuwbare energiebronnen en energiecentrales, spelen vermoeiingsvraagstukken een grote rol. Zo worden windturbines blootgesteld aan voortdurend wisselende windbelastingen – de rotorbladen buigen bij elke omwenteling en elke windvlaag door, wat neerkomt op miljoenen spanningscycli gedurende 20-30 jaar bedrijfsduur van de turbine. Met een vermoeiingsanalyse kan worden voorspeld of er bijvoorbeeld na 10^7 cycli op een kritische plek van het blad (bij de bladwortel) geen scheur zal ontstaan; op basis daarvan wordt de ontwerp-levensduur van de turbine vastgesteld en worden periodieke bladinspecties gepland. In de klassieke thermische energieopwekking doet zich daarentegen het probleem van thermische laagcyclische vermoeiing voor – bijvoorbeeld leidingen en ketels ondervinden spanningen bij elke opwarming en afkoeling van de installatie. Het aantal volledige start/stop-cycli van een centrale wordt juist begrensd door de vermoeiingssterkte van het materiaal (MES-analyses bepalen hoeveel van zulke thermische cycli een ketelbuis kan doorstaan voordat deze scheurt). Ook in kerncentrales zijn sterkte-analyses met het oog op vermoeiing van onderdelen van het koel- en drukcircuit verplicht. Vermoeiingssimulaties wijzen locaties aan waar mogelijk scheuren kunnen ontstaan (bijv. nozzle-aansluitingen, lasnaden, bochten in leidingen) en maken het mogelijk om NDT-inspecties van deze plekken tijdens een onderhoudsstop te plannen, voordat zich een kritische scheur ontwikkelt. Samengevat is vermoeiingsanalyse in de energiesector een hulpmiddel dat zowel de betrouwbaarheid van de energievoorziening als de veiligheid van de infrastructuur borgt.

Samenvattend is vermoeiingsanalyse een krachtig hulpmiddel voor de werktuigbouwkundig ingenieur. Ze vult de traditionele FEM-berekeningen aan met de dimensie tijd en levensduur, en geeft zo een completer beeld van de constructieve veiligheid. In een tijd van toenemende eisen aan productbetrouwbaarheid, marktconcurrentie en verantwoordelijkheid richting de gebruiker, wordt het vermogen om vermoeiingsgedrag te voorspellen cruciaal. Investeren in een degelijke vermoeiingsanalyse in de ontwerpfase betaalt zich tijdens de gebruiksfase ruimschoots terug – in storingsvrije werking, lagere servicekosten en tevreden gebruikers, die een product met een lange levensduur krijgen. Het loont daarom om al vanaf de start van projecten vermoeiingsanalyses mee te nemen als een standaardonderdeel van het technische ontwerp van mechanische constructies, net zoals statische of thermische analyses. Zo’n holistische aanpak zorgt ervoor dat onze constructies niet alleen op papier sterk zijn, maar ook duurzaam in de echte wereld.

Oceń post

Vermoeiingsanalyse met behulp van FEM

Het betreft het geleidelijk ontstaan en de ontwikkeling van scheuren onder invloed van cyclische belastingen, zelfs wanneer deze aanzienlijk onder de statische sterkte liggen. Het verschijnsel kan leiden tot een plotseling falen zonder voorafgaande waarschuwingen.

Om te schatten na hoeveel belastingscycli op een bepaalde plaats in de constructie scheurinitiatie kan optreden. Dit maakt het mogelijk kritieke punten te identificeren en het ontwerp vóór implementatie te verbeteren.

Analyse van de statische sterkte controleert de weerstand tegen een enkele maximale belasting. Vermoeiingsanalyse beoordeelt de duurzaamheid bij herhaalde belastingscycli, die door statische criteria niet wordt gegarandeerd.

Eerst worden de spannings- en/of rekverdelingen berekend voor karakteristieke belastingsgevallen. Vervolgens worden deze gecombineerd met een model van de vermoeiingseigenschappen van het materiaal, bijv. de S-N-curve (Wöhler), om het aantal cycli tot bezwijken of de veiligheidsfactor te bepalen.

De S‑N-methode is typisch voor hoogcyclische vermoeiing, wanneer het materiaal voornamelijk elastisch werkt (boven ca. 10^4 cycli). De ε‑N-methode (Coffina‑Mansona) is beter bij laagcyclische vermoeiing en lokale plastische vervormingen, wanneer plastische rekken van belang zijn.

Delen: LinkedIn Facebook