BASIC

일반적인 수명예측은 winLIFE BASIC 으로 가능하며 다충성 하중이 작용하는 구조물 및 기어 / 베어링의 피로해석을 위한 모듈을 추가적으로 보유하고 있습니다 .

winLIFE Basic (English/German)

Basic module은 피로와 FEA-connection을 포함, 피로수명 계산의 이론적기초를 제공


피로수명예측을 위한 재료의 정보

-정적 재료속성으로부터의 S-N Curve 생성 


금속성 재료의 피로수명 예측은 FKM-guideline 에 따라 S-N Curve 를 생성시켜 Nominal Stress Method 를 이용하여 이루어진다. S-N Curve 는 elastic limit, tensile strength 등의 정적 재료 속성 및 구성요소의 데이터 (surface, notch effect factor 등 ) 를 바탕으로 만들어진다.


Figure 1은 S-N Curve 를 생성하기 위한 입력창으로써 , 사용자에 의한 데이터의 추가 및 수정이 가능하다.


winLIFE 는 S-N Curve 외에 mean stress 를 고려해 주기 위해 Haigh-diagram 를 사용한다. 


제품의 피로 분석에서 Failure rate 가 중요한 역할을 하는 경우 각S-N Curve 에서 endurance range 내의 서로 다른 scatter range 를 고려할 수 있는 50% S-N Curve 들로부터 유추하여 계산할 수 있다

< Figure 1 : S-N-Curve를 생성하기 위한 입력창>

< Figure 2 : Stress amplitude와 mean stress, fatigue life의 상호작용을 나타내고 있는 Haigh diagram >


용접부위를 위한 S-N Curve 생성


용접부위의 피로해석은 FKM-Guidelines 에 따라 S-N Curve 를 생성 시킨 후 Norminal Stress Method 와 유사한 방법으로 이루어진다 . 먼저 FKM-Guidelines 에 의거하여 용접의 종류에 따라 용접된 구조물의 목록을 만들어 준다. 

< Figure 3 : 용접된 구조물의 형태에 따른 분류>

보다 세밀하고 정확한 피로해석은 FEA analysis 를 이용한 elastic stress 또는 local stress approach 분석을 통하여 가능하다 .

선박 , 윈드 터빈 등과 같은 큰 구조물과 같은 경우 Structure-stresss concept 방법을 통해 해석하게 되며 , FEA system 을 통해 stress tensor 를 세부적으로 확인함과 동시에 방향성을 읽을 수 있다 .


E-N Curve 생성


피로수명 예측을 위하여 Local Strain Approach 방법이 사용되는 경우 필요한 데이터는 cyclic material data(Uniform Material Law 등 ) 를 이용하거나 Internet-Material Database 에서 제공받을 수 있다 .


Figure 5는 정적 수치로부터 cyclic material data 가 얻어진 계산의 한 예를 보여주고 있으며 , Notch 부분의 Stress-Strain path 는 Rainflow-Matrix 또는 재료의 밀도로부터 산출할 수 있다 .

< Figure 4 : 다양한 방법에 따라 피로수명 데이터를 생성하기 위한 입력창 >

< Figure 5 : 피로수명 데이터의 그래픽 및 산출된 stress-strain path >


Internet Material Data Base


winLIFE 유저는 인터넷 데이터 베이스를 통해 약 100 가지의 재료속성에 대한 정보를 획득할 수 있으며 , 적은 수수료로 그 이상의 필요한 정보를 얻을 수 있다.


 -하중의 설정

제품의 수명예측을 위한 하중에 대한 정보는 측정된 시간에 대한 하중 스팩트럼이 이용된다.

< Figure 6 : Internet Material Data Base (One additional site show details such as name and chemical composition, another site the source and author) > 


Load spectrum


Load spectrum 은 다음과 같은 요소를 포함한다 :

  • mean load,
  • load amplitude
  • and number of cycles.

여러 기술분야의 경험을 통해 load spectra 의 어떤 특정한 form 이 나타남을 확인할 수 있으며 , winLIFE 를 통해 매우 간단히 생성할 수 있다 . Figure_8 은 load spectra 의 기본적인 세 가지의 타입을 나타내고 있다 .

< Figure 7 : 시간에 따른 하중 사이클 >

< Figure 8: 다양한 load spectra의 예, built-in generator에서 생성 (top: normal distribution, middle: linear distribution (n=1), bottom: p - spectrum) >


Load histories


측정된 값으로부터 일반적으로 얻어지는 loading history ( 응력 , 역률 (moment) , 힘 ) 가 사용된다 ( Figure 9)

Load spectra rainflow-matrix 의 변형을 위한 데이터의 수정이 가능하다 (Figure_12)

winLIFE 는 파손에 대한 해석결과를 rainflow-matrix 에서 색깔 별로 나타 내며 , critical signal parts 를 명확히 보여준다.

Local concept 가 사용된 경우 , rainflow-matrix 로부터 stress- strain paths 를 유추하여 그래프로 나타낸다.

(Figure_14 ). Total damage 는 damage proportions 를 합하여 얻어진다.

(linear damage accumulation hypothesis)


-피로수명 해석

< Figure 9: 측정된 load history >


FEA를 통한 피로수명 해석


FEA 의 해석 데이터는 피로수명 해석을 위해 winLIFE 로 import 가 가능하며 , 각 노드 별 local stresses 와 conditions 를 고려해 줄 수 있다 .

균열은 대부분 제품의 표면에서 일어나므로 특정 노드를 선택해 피로수명 해석을 수행할 수 있으며 , 노드 수를 줄임으로써 해석시간을 단축시킬 수 있다 .

제품수명의 해석결과는 다시 FEA program 으로 불러 와 색깔 별로 나타낼 수 있으며 , 파손정도의 영역을 구분하여 확인할 수 있다 .


winLIFE 는 다음과 같은 FEA-codes 와 연계하여 피로수명을 해석할 수 있다.

  •  SAMCEF

  •  FEMAP-basierende Programme wie MSC.NASTRAN, NEiNASTRAN, NX.NASTRAN, WTP2000

  •  IDEAS


winLIFE 의 해석결과는 ANSYS 와 MEDINA 와도 interface 를 통해 확인할 수 있다.

FEA program 을 이용하여 winLIFE 에서 어떻게 피로수명 해석이 수행되는지 truck suspension 을 해석한 것을 예로 살펴보고자 한다 (Figure 10)


첫 번째 단계로써 구성요소의 응력을 FEA 를 통해 분석한 후 각 하중의 elastic stress 를 F(t)/F 0 의 비로부터 구할 수 있다.

(F 0 : strandard load, F(t): acting force)

예로 F(t) 가 Figure 11 과 같이 작용하는 경우 , 그에 상응하는 모멘트를 계산할 수 있다 . Local concept 와 같은 경우 Neber's rule 을 이용하여 비탄성 물질의 변형 해석은 물론 각 노드에 작용하는 stress path 를 actual stress-strain curve 에서 구할 수 있다.


winLIFE 는 측정에 의해 구해진 하중 (Figure 11 ) 으로부터 Figure 12 와 같은 하중에 대한 rainflow count 를 도출한다.


Figure 13 과 Figure 15는 피로수명 해석을 위한 Material data 이다.


Rainflow matrix (Figure 12) 와 cyclic properties (Figure 13) 로부터 stress-strain-path(Figure 14) 를 도출하여 , 구조물의 각 노드에서의 damage parameter life curve 를 생성한다.


Local Strain Approach 외에 응력을 바탕으로 한 S-N Curve 를 통해서도 피로수명 예측이 가능하다.

< Figure 12 : Rainflow Matrix >

< Figure 14 : Critical node 에 대한 rainflow matrix 로부터 구한 stress-strain path >

< Figure 13 : cyclic stabilized material properties >

< Figure 15 : Damage Parameter Life Curve according to Smith Watson and Topper >


Without FEA


만일 FEA 를 사용하지 않는 경우 피로수명 예측은 단 하나의 점에서만 가능하다 ( 대부분 notch). Geometry 및 하중과 응력의 상호 작용 (notch factor, stress gradient, surface 등 ) 은 사용자가 직접 정의해 주어야 하며 , Nominal Stress Method 와 Local Strain Approach 의 방법이 사용된다 .

Nominal Stress Method 에는 fatigue limit 를 위한 여러 가지 가정이 사용될 수 있으며 , Figure_16 은 사용 가능한 가정들을 나타내고 있다 .


피로해석이 Local Strain Approach 에 의해 수행되는 경우 FEA 를 사용하는 방법과 유사하나 한 점에서만 해석이 가능하다 . 


 - Addition of different calculation results


자동차의 피로해석을 수행할 시 자동차의 주행거리는 도로의 상태에 따라 실제 주행거리의 차이가 생길 수 있다 . 이러한 여러 상황을 고려한 피로수명 예측을 위하여 다음과 같은 방법으로 해석결과를 수정해 줄 수 있다


   • find and remove Spikes

   • select data and multiplying, adding or overwriting them

      또는 rainflow matrix 의 사이클 수를 변경해 줄 수 있다.


 - Data Handling and correction


사용자가 직접 층정한 값을 사용할 시 잘못된 데이터는 분석의 첫 번째 단계부터 오류를 불러올 수 있으므로 , 대부분 데이터 수정 및 보정이 필요하게 된다 . winLIFE 에서는 대화형 방식을 통해 입력된 데이터를 체크 또는 수정이 가능하다.

Load histories, load spectra 의 변경 방법

   •  find and emove Spikes

   •  select ata and multiplying, adding or overwriting them.

       이 외에도 rainflow-matrix 내의 사이클 수를 변경이 가능하다.


 - Presenting and analysing the results


모든 일반적인 그래픽 및 result presenting 을 제공한다.

   •  Rainflow-Matrix

   •  Range Mean Pair Count

   •  Level Crossings

   •  S-N-Curve together with the load spectrum and percentage damage

   •  Haigh-diagram including the loads as points

   •  Protocol file including the results for each node

< Figure 16 : possible hypotheses available in winLIFE >


Report Generator


Report Generator 는 사용자가 그래픽을 포함한 표준형 보고서를 제공하며 각 해석방법에 따라 다른 형식을 가지고 있다 . 이 형식은 사용자로부터 변경이 가능하다

< Figure 17 : R eport generator 의 입력창 >

< Figure 18 : pdf-report which is automatically created according the user-selections from figure 17 >


Unlts


Internal Calculation in winLIFE is always done using the following units


length [mm]

strain [‰]

RPM [1/min]

force [N]
stress or pressure [N/mm²]
torque [N/m]

 

만일 사용자가 직접 단위를 정의하고자 하는 경우 단위와 conversion factor 를 입력해 주면 된다 .


<< winLIFE Version 3.1 부터 다음과 같은 단위체계 사용 가능 >>

초기 단위는 ISO-standards 로 설정되어 있다 .

<Default.unt>: 모든 conversion factor 는 1 이다 .

units: [mm], [N], [‰], [N/mm²]

* US 단위를 사용하는 경우 : units: [in], [lbf], [‰], [lbf/in²]