Auteur: Karl D’haveloose
Het voorkomen van vermoeiingsfalen is cruciaal bij machineontwerp. Het gaat niet alleen om het vermijden van kostbare reparaties of het beschermen van uw reputatie, maar fundamenteel om de veiligheid en de betrouwbaarheid van machines te garanderen gedurende hun ganse levensduur.
De basics:
Defecten door vermoeidheid, gedefinieerd als het ontstaan en de verspreiding van scheuren door cyclische belastingen, kunnen zelfs de best gebouwde constructies aantasten. Als ze lang genoeg onopgemerkt blijven, kunnen deze scheuren zich ontwikkelen tot veel grotere structurele vervormingen, wat leidt tot ernstige schade aan mechanische onderdelen die anders goed binnen hun limieten lijken te functioneren.
Dit artikel geeft een overzicht van wat falen door vermoeiing is, onderzoekt opmerkelijke voorbeelden uit de praktijk en schetst de kritieke principes, die elke ingenieur zou moeten begrijpen om dit wijdverspreide probleem te helpen voorkomen. Er wordt ook gekeken naar de relatie tussen vermoeiingsfouten en FEA-software.
Een opmerkelijk voorbeeld van vermoeiingsbreuk in de luchtvaartindustrie. Voordat we overgaan tot een discussie over vermoeiingsbreuk, is het een goede oefening om de gevolgen van mechanisch falen te bekijken. Een opmerkelijk voorbeeld uit de praktijk is de crash van de De Havilland Comet in 1954. Als 's werelds eerste commerciële straalvliegtuig was de Comet het kroonjuweel van de Britse lucht- en ruimtevaartindustrie en tevens een symbool van de Britse luchtvaartkracht... totdat een reeks ongelukken de koers veranderde.
Beginnend met BOAC vlucht 781, waren twee fatale rampen met de Comet het onderwerp van een meerjarig onderzoek, waarbij de autoriteiten concludeerden dat metaalmoeheid als gevolg van ontwerpfouten leidde tot explosieve decompressie van de cabine tijdens de vlucht. Met name het vierkante ontwerp van de naar voren gerichte ramen creëerde mogelijkheden voor spanningsaccumulatie op de hoeken, waarvan het effect werd verergerd door geklonken raamsteunen (in plaats van gelijmd).
Samen veroorzaakten deze ontwerpbeslissingen vermoeiingsscheuren na cyclische drukopbouw in de cabine, wat uiteindelijk leidde tot uitbreiding van de scheuren en de daaropvolgende gewelddadige decompressie van het vliegtuig.
Stadia van vermoeiingsbreuken
Voortbouwend op het voorbeeld van wat er gebeurt als constructies niet ontworpen zijn met het oog op vermoeiingsbreuk, kunnen we de principes van vermoeiingsbreuk en de herkenbare kenmerken ervan verder onderzoeken. In een notendop verwijst vermoeiingsbreuk naar de kritische verzwakking van een materiaal dat herhaaldelijk is belast. Op een hoog niveau zijn er verschillende stadia, die een vermoeide constructie doorloopt op weg naar volledig falen.
Zoals hierboven vermeld, is het eerste wat een vermoeide constructie doormaakt... nou ja, vermoeiing. Door blootstelling aan fluctuerende belastingen (bijv. wielen op rails of compressie/compressie van een vliegtuigcabine) kunnen mechanische systemen oppervlakkige scheurtjes of krassen ontwikkelen in gebieden met hoge spanning (bekend als initiatie).
Deze gebieden kunnen kenmerken bevatten, zoals gaten, hoeken of vullingen. Na verloop van tijd groeien deze kleine scheurtjes met elke belastingscyclus (propagatie) en uiteindelijk bereiken ze afmetingen die plotselinge structurele breuken mogelijk maken.
In de afbeelding hierboven worden verschillende stadia van vermoeiingsbreuk getoond. De ‘oorsprong van de vermoeiing’ toont de ontwikkeling van een oppervlakkige scheur, die zich vervolgens voortplant als ‘strandmarkeringen’. Uiteindelijk veroorzaken deze ‘strandmarkeringen’ een ‘overbelasting’ van de constructie, wat leidt tot bezwijken.
Twee belangrijke types van vermoeiingsbreuk zijn hoogcyclische en laagcyclische vermoeiing. Hoogcyclische vermoeiing verwijst naar relatief lage spanningsbelastingen, die op een mechanisch onderdeel inwerken en die leiden tot vermoeiingsbreuk na miljoenen belastingscycli. Anderzijds heeft laagcyclische vermoeiing betrekking op hogere spanningsbelastingen, die leiden tot falen na een kleiner aantal cycli (duizenden).
Overwegingsfactoren om het risico op vermoeiingsbreuk te verminderen
Nu het concept van vermoeiingsbreuk goed gedefinieerd is aan de hand van grondbeginselen en een voorbeeld, is de logische vraag die gesteld moet worden: “Hoe kunnen ingenieurs en ontwerpers de oorzaken van vermoeiingsbreuk aanpakken en voorkomen?”
Een voor de hand liggend antwoord heeft te maken met de keuze van het materiaal dat gebruikt wordt bij de fabricage. Door zorgvuldig de juiste materialen te kiezen, kunnen ingenieurs ervoor zorgen dat mechanische componenten bestand zijn tegen een grote verscheidenheid aan belastingsgevallen en omgevingscondities. Bovendien kunnen fabrikanten in het ontwerpproces rekening houden met restspanningen, zoals die worden geïntroduceerd door lassen of machinale bewerking, om het ontstaan van scheuren te vertragen.
Bovendien is het beheersen van de belastingsomstandigheden cruciaal voor het verminderen van het risico op vermoeiingsbreuk. Bij het ontwerpen van componenten moeten ingenieurs de omvang, richting en frequentie van cyclische belastingen evalueren om te voorspellen waar scheuren zouden kunnen ontstaan. Een soortgelijk sentiment leidt de inspanningen om de effecten van temperatuurgerelateerde spanningen te voorspellen. Extreme en fluctuerende temperaturen kunnen materialen na verloop van tijd verzwakken, waardoor de snelheid waarmee scheuren zich kunnen voortplanten toeneemt.
Een veelgebruikte methode die ingenieurs gebruiken om hun ontwerpproces te ondersteunen is het simuleren van de reactie van een product of materiaal met behulp van FEA-software.
De relatie tussen FEA en vermoeiingsanalyse
Finite Element Analysis (FEA) is een belangrijk onderdeel van de gereedschapskist van een ingenieur, vooral als het gaat om het voorspellen van vermoeiingsfouten in mechanische ontwerpen. Door een netwerk van kleinere elementen te maken van complexe geometrieën kan FEA-software gedetailleerde spannings- en rekverdelingen berekenen onder realistische belastingsgevallen. Ingenieurs kunnen dan gebieden identificeren die onderhevig zijn aan hoge spanning, wat vaak de eerste delen van een ontwerp zijn waar scheurvorming optreedt.
Geavanceerde FEA-software kan simulatieresultaten combineren met vermoeiingsanalyses en illustraties maken zoals S-N (spanning versus aantal cycli)-curven. Deze grafieken kunnen een beeld schetsen van de vermoeiingslevensduur van een materiaal, waardoor ontwerpers inzicht krijgen in welke materialen het meest geschikt zijn voor de uit te voeren taak.
Door middel van deze vermoeiingsanalyse kan FEA vermoeiingsgevoelige gebieden markeren en ingenieurs in staat stellen om gerichte verbeteringen aan te brengen, wat uiteindelijk leidt tot betrouwbaardere componenten met een langere levensduur.
Prestaties optimaliseren op basis van geleerde lessen
Het idee van vermoeiingsfalen is een belangrijk studiegebied in veel technische disciplines en heeft zich in de loop der tijd ontwikkeld. Technologische vooruitgang in software heeft ingenieurs tegenwoordig geholpen om vermoeiingsanalyses nauwkeuriger dan ooit uit te voeren, wat leidt tot het bouwen van betere en veiligere constructies.
Hoewel rampen, zoals het neerstorten van de De Havilland Comet, altijd een risico zullen blijven in verband met vliegreizen, stelt het gecombineerde gebruik van FEA-software met geavanceerde CAD-programma's ingenieurs in staat om dit risico zoveel mogelijk te beperken. Desalniettemin blijven de lessen die geleerd zijn uit de mislukkingen van de Comet vandaag de dag relevant en benadrukken ze de noodzaak om vermoeidheidsfalen al in de vroegste stadia van het machineontwerp aan te pakken.
