Ανάλυση αξιοπιστίας οχημάτων σε αστοχία λόγω κόπωσης υπό την επιρροή αβεβαιοτήτων

Abstract

The continuous need for optimizing the quality of industrial products, coupled with the rapid development of the technology in electronic computers, has led to more detailed modeling of complex mechanical systems, aiming at more accurate and faster determination of their dynamic response. This trend resulted in the need for solving systems of equations of motion with large dimension. At the same time, frequently, the need for more realistic description of the dynamic behavior of modern mechanical systems introduces strongly nonlinear terms in the equations of motion. These requirements make necessary the development of appropriate numerical methodologies. In the present work, specific methodologies are developed and applied for solving both linear and nonlinear large order structural systems, subjected to stochastic loads. First, a methodology is developed that runs in the frequency domain and is appropriate for linear structures. Then, a time domain methodology is applied, which is appropriate even for systems with nonlinear characteristics. Both of these analyses are used for obtaining results determining the fatigue lifetime as well as the reliability analysis for a complex structure. More specifically, the methodologies are applied to a city bus model. The bus model is first set up by applying the finite element method and contains non-linear terms related to the restoring and damping forces of the suspensions. The model of the bus considered moves on roads, whose geometric profile is described by a stochastic process with specific statistical characteristics. After specifying the stochastic response of the vehicle, the fatigue life of the structure is calculated by applying the methodologies developed. In the final part of the study, a failure reliability analysis is also performed, based on a combination of the methodologies developed for predicting the response to stochastic response and the lifetime in fatigue.

Η συνεχής ανάγκη για βελτιστοποίηση της ποιότητας των προϊόντων της βιομηχανίας, σε συνδυασμό με την ραγδαία εξέλιξη των ηλεκτρονικών υπολογιστών, έχει οδηγήσει στην τάση για μια όσο το δυνατόν λεπτομερέστερη μοντελοποίηση σύνθετων μηχανολογικών κατασκευών, με στόχο τον ακριβή και ταχύ προσδιορισμό της δυναμικής τους συμπεριφοράς. Αυτή η τάση για αναλυτικότερη γεωμετρική περιγραφή των κατασκευών έχει ως αποτέλεσμα την ανάγκη για επίλυση συστημάτων εξισώσεων κίνησης με μεγάλη διάσταση. Παράλληλα, η ανάγκη για πιο ρεαλιστική περιγραφή της συμπεριφοράς των σύγχρονων μηχανικών προβλημάτων εισάγει ισχυρά μη γραμμικούς όρους στις εξισώσεις που τα περιγράφουν. Όλες αυτές οι απαιτήσεις κάνουν επιτακτική την ανάγκη για ανάπτυξη και εξέλιξη κατάλληλων αριθμητικών μεθοδολογιών. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας αναπτύχθηκαν και εφαρμόστηκαν ειδικές μεθοδολογίες για την επίλυση τόσο γραμμικών, όσο και μη γραμμικών κατασκευών, όταν αυτές διεγείρονται με στοχαστικά φορτία. Πολλές φορές στα πραγματικά προβλήματα της βιομηχανίας παρουσιάζονται αβεβαιότητες στην φόρτιση του εξεταζόμενου μοντέλου. Οι μεθοδολογίες που αναπτύχθηκαν έδωσαν έμφαση στην επίλυση συστημάτων που απαρτίζονται από συνιστώσες με μεγάλο αριθμό βαθμών ελευθερίας και εμφανίζουν έντονη μη γραμμική συμπεριφορά. Για την ακρίβεια αναπτύχθηκε μια μεθοδολογία που εκτελείται στο πεδίο των συχνοτήτων και ενδείκνυται για γραμμικές κατασκευές, και μια μεθοδολογία που εφαρμόζεται στο πεδίο του χρόνου και επιλύει ακόμη και κατασκευές με μη γραμμικά χαρακτηριστικά. Τα αποτελέσματα των αναλύσεων αυτών χρησιμοποιούνται στην συνέχεια για τον προσδιορισμό της διάρκειας ζωής της κατασκευής σε κόπωση, καθώς και για την ανάλυση της αξιοπιστίας της. Οι μεθοδολογίες που αναπτύχθηκαν εφαρμόστηκαν σε μοντέλο αστικού λεωφορείου. Το μοντέλο αυτό διακριτοποιήθηκε με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων και περιέχει μη γραμμικούς όρους στιβαρότητας και απόσβεσης στις αναρτήσεις του, καθώς και στα σημεία που συνδέονται οι αναρτήσεις με το αμάξωμα του οχήματος. Το εξεταζόμενο μοντέλο του λεωφορείου θεωρείται ότι κινείται επάνω σε δρόμο, του οποίου το γεωμετρικό προφίλ προκύπτει από τη μελέτη μιας στοχαστικής διαδικασίας με συγκεκριμένα στατιστικά χαρακτηριστικά. Αφού καθοριστεί η στοχαστική απόκριση του οχήματος προσδιορίζεται στη συνέχεια με κατάλληλες μεθοδολογίες και η διάρκεια ζωής του σε κόπωση. Τέλος, πραγματοποιείται ανάλυση αξιοπιστίας της κατασκευής για αστοχία από κόπωση με τη βοήθεια και τον συνδυασμό όλων των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από την στοχαστική απόκριση και την διάρκεια ζωής σε κόπωση.