Master S-N Curve Fatigue Life Prediction of a Railroad Car Bogie Based on Mesh Insensitive Structural Stress Method

Abstract

La prévision de la durée de vie en fatigue d'une structure soudée est un phénomène complexe en raison de la nature de la fatigue et du processus de soudage. De plus, les résultats de la méthode des éléments finis (FEM) sont extrêmement sensibles à la taille des éléments. Par conséquent, il est difficile d'adopter une méthode pour estimer la durée de vie en fatigue, en particulier pour les structures soudées. En outre, l'indépendance de la taille du maillage est un problème critique pour effectuer des méthodes de prédiction de la durée de vie en fatigue qui éliminent le besoin de nombres d'éléments excessifs dans le maillage. Cet article étudie l'approche de la courbe S-N principale (MCA) en utilisant les paramètres de sortie de la méthode de contrainte structurelle insensible au maillage (SSM). Le MCA basé sur le SSM utilise des contraintes structurelles récupérées à partir des forces nodales et des moments nodaux. Pour récupérer ces intrants, le modèle FEM doit être établi correctement. Ainsi, les conditions aux limites et les charges appliquées ont été préparées pour le modèle conformément à la norme BS EN 13749:2021. La technique de sous-modélisation dans le logiciel ANSYS a été utilisée pour analyser la structure du bogie. Pour justifier l'indépendance du maillage pour le modèle, différentes tailles de maillage ont été testées. Dans une gamme spécifique pour les corps de coquille, il a été démontré que le SSM offrait une fonction d'indépendance de maille suffisante. En outre, le MCA a été comparé à la méthode du stress par points chauds et à la méthode du stress nominal sur la base de leurs estimations de la durée de vie en fatigue.La predicción de la vida útil de fatiga de una estructura soldada es un fenómeno complejo debido a la naturaleza de la fatiga y el proceso de soldadura. Además, los resultados del Método de Elementos Finitos (FEM) son extremadamente sensibles al tamaño de los elementos. Por lo tanto, es difícil adoptar un método para estimar la resistencia a la fatiga, especialmente para estructuras soldadas. Además, la independencia del tamaño de la malla es un problema crítico para realizar métodos de predicción de la vida útil de la fatiga que eliminen la necesidad de un número excesivo de elementos en la malla. Este documento investiga el Enfoque de la Curva Maestra S-N (MCA) utilizando los parámetros de salida del Método de Esfuerzo Estructural (SSM) insensible a la malla. El MCA basado en SSM emplea tensiones estructurales recuperadas de las fuerzas nodales y los momentos nodales. Para recuperar estos insumos, el modelo FEM debe establecerse adecuadamente. Por lo tanto, se prepararon las condiciones de contorno y las cargas aplicadas para el modelo de acuerdo con la norma BS EN 13749:2021. Se utilizó la técnica de submodelación en el software ANSYS para analizar la estructura del bogie. Para justificar la independencia de la malla para el modelo, se probaron diferentes tamaños de malla. En un rango específico para cuerpos de carcasa, se demostró que SSM proporciona suficiente característica de independencia de malla. Además, el MCA se comparó con el método de estrés de punto caliente y el método de estrés nominal en función de sus estimaciones de vida de fatiga.Fatigue life prediction of a welded structure is a complex phenomenon due to the nature of fatigue and the welding process. Additionally, Finite Element Method (FEM) results are extremely sensitive to the size of elements. Therefore, it is difficult to adopt a method to estimate the fatigue life, especially for welded structures. Besides, mesh size independence is a critical issue to perform fatigue life prediction methods that eliminates the need for excessive element numbers in the mesh. This paper investigates the Master S-N Curve Approach (MCA) using the output parameters of the mesh insensitive Structural Stress Method (SSM). MCA based on SSM employs structural stresses recovered from nodal forces and nodal moments. To recover these inputs, FEM model should be established properly. Thus, boundary conditions and applied loads were prepared for the model according to the BS EN 13749:2021. The submodeling technique in ANSYS software was used to analyze the bogie structure. To justify the mesh independence for the model, different mesh sizes were tested. In a specific range for shell bodies, SSM was shown to provide sufficient mesh independence feature. Furthermore, MCA was compared with Hot Spot Stress Method and Nominal Stress Method based on their fatigue life estimations.يعد التنبؤ بعمر التعب للهيكل الملحوم ظاهرة معقدة بسبب طبيعة التعب وعملية اللحام. بالإضافة إلى ذلك، فإن نتائج طريقة العناصر المحدودة حساسة للغاية لحجم العناصر. لذلك، من الصعب اعتماد طريقة لتقدير عمر التعب، خاصة بالنسبة للهياكل الملحومة. إلى جانب ذلك، فإن استقلالية حجم الشبكة هي قضية حرجة لأداء طرق التنبؤ بحياة التعب التي تلغي الحاجة إلى أرقام العناصر الزائدة في الشبكة. تبحث هذه الورقة في نهج منحنى S - N الرئيسي (MCA) باستخدام معلمات الإخراج لطريقة الإجهاد الهيكلي غير الحساسة للشبكة (SSM). تستخدم MCA بناءً على SSM الضغوط الهيكلية المستردة من القوى العقدية واللحظات العقدية. لاسترداد هذه المدخلات، يجب إنشاء نموذج FEM بشكل صحيح. وبالتالي، تم إعداد شروط الحدود والأحمال المطبقة للنموذج وفقًا للمواصفة BS EN 13749:2021. تم استخدام تقنية النمذجة الفرعية في برنامج ANSYS لتحليل بنية البوجي. لتبرير استقلالية الشبكة للنموذج، تم اختبار أحجام مختلفة للشبكة. في نطاق محدد لأجسام الصدفة، تبين أن SSM توفر ميزة استقلال الشبكة الكافية. علاوة على ذلك، تمت مقارنة MCA مع طريقة الإجهاد البقعي وطريقة الإجهاد الاسمي بناءً على تقديرات عمر التعب.