Numerical simulation of high-cyclic fatigue of steel structural members

Abstract

High cyclic fatigue is considered as one of the most common failure mechanisms of steel components. Over the last decades a lot of methodologies have been proposed for the design of steel components against high cyclic fatigue and lot of commercial softwares have been developed in order to help civil and mechanical engineers to address this problem. The scope of the present research effort is to study the problem of high cyclic fatigue of steel members using numerical methods. In the framework of this dissertation a robust and efficient algorithm has been developed in order to predict the crack tip position, the crack propagation direction and the crack growth rate of steel members. More specific, the crack growth rate is estimated based on the calculation of J-integral around the crack tip, while a novel methodology for an effective loading cycle skipping is proposed. The developed methodology, which employs Finite Element method and cohesive elements, has been verified against experimental results of two different specimens geometries (compact and SENB).

Η πολυ-κυκλική κόπωση θεωρείται μια απο τις πιο συχνές αιτίες αστοχίας μεταλλικών δομικών στοιχείων. Τις τελευταίες δεκαετίες έχουν προταθεί πολλές μεθοδολογίες για των σχεδιασμό μεταλλικών δομικών στοιχείων έναντι πολυ-κυκλικής κόπωσης και πολλά εμπορικά πρόγραμμα έχουν αναπτυχθεί με σκοπό να επιταχύνουν τους υπολογισμούς που πραγματοποιούνται απο τους εκάστοτε μηχανικούς. Ο σκοπός της παρούσας διατριβής είναι να μελετήσει το πρόβλημα της πολυ-κυκλικής κόπωσης με την χρήση της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων. Πιο συγκεκριμένα αναπτύχθηκε ένας αλγόριθμος ο οποίος μπορεί σε ένα μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων να εντοπίσει το κρίσιμο σημείο στο οποίο θα αναπτυχθεί κάποια ρωγμή, να προσδιορίσει την διεύθυνση αυτής και να εκτιμήσει τον ρυθμό ανάπτυξής της. Το ολοκλήρωμα J και τα στοιχεία συνοχής (cohesive) συνδυάστηκαν ώστε να μπορέσει να γίνει η εκτίμηση του ρυθμού ανάπτυξης της ρωγμής. Επιπρόσθετα η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε προσφέρει μια αποτελεσματική προσπέλαση των κύκλων φόρτισης πράγμα που κάνει το συγκεκριμένο αλγόριθμό ιδιαίτερα αποδοτικό σε υπολογιστικό χρόνο. Τέλος η προτεινόμενη μεθοδολογία πιστοποιήθηκε με πειραματικές δοκιμές οι οποίες πραγματοποιήθηκαν στα πλαίσια της συγκεκριμένης διατριβής.