A novel smart fatigue U-notch sensor for structural health monitoring of dangerous modules
Küçük Resim Yok
Tarih
2019
Yazarlar
Dergi Başlığı
Dergi ISSN
Cilt Başlığı
Yayıncı
Karabük Üniversitesi
Erişim Hakkı
info:eu-repo/semantics/openAccess
Özet
Yorulma çevrimsel yüklere maruz kalan tüm yapısal bileşenlerde en yaygın olarak görülen hasar türüdür. Son yıllarda, yapıların kritik bileşenleri için yorulma ömrünün daha iyi tahmin edilmesi için analitik ve ek olarak sayısal modellerin geliştirilmesi için etkileyici çabalar sarf edilmiştir. Yapısal hasar izleme için yorulma sensörlerinin uygulanması, bir bileşenin yapısal ömrünü dikkate alarak zayıflık ve hasarın değerlendirilmesini amaçlamaktadır. Bu çalışmanın temel amacı, yorulma ömrünü tahmin etmek için çentikli bir yorulma sensörü tasarlamak ve analiz etmek, bakım için bir gösterge sağlamak ve herhangi bir büyük hasar oluşmadan önce parçaların değiştirilmesi için yeterli zamana sahip olmaktır. Bu çalışmada, yorulma sensörünün tasarımı, uygulaması ve analizi için ANSYS Workbench yazılımı kullanılmıştır. Sensör modeli, yapı üzerine uygulanan gerilim yüküne paralel olarak tasarlanmış U çentik geometrisine sahip dört kirişten oluşur. Sensörün genişliğinin, uzunluğunun ve kalınlığının büyüklüğü sırasıyla, 305 × 76.2 × 1.6 mm'dir. Ayrıca, sensör malzemesi olarak alüminyum alaşımları (7075 T6, 2024-T4 ve 6061-T6) kullanılmıştır. Gerilme konsantrasyonunun, eleman boyutundan bağımsız olmasını sağlamak için bir meş hassasiyeti çalışması yapılmıştır. Mesh hassasiyet çalışması beş eleman boyutu için yapılmıştır (11717, 21095, 39367, 55222, 121561). Meş hassasiyeti için eşdeğer gerilmeler dikkate alınmıştır. Ayrıca, sensör modelinin ilk tekrarlamalı analizi sırasında elde edilen yüksek stres bölgelerinin kritik yerleri (r = 6,4 mm) için mesh duyarlılık analizi yapılmıştır. Sonuçlar 6,4 mm'lik yarıçapa sahip bir U çentikte maksimum eşdeğer gerilmenin (90,815 MPa) ve 25,4 mm'lik yarıçapa sahip bir U çentikte minimum eşdeğer gerilmenin (68,715 MPa) oluştuğunu göstermiştir. Bu, sensörün yorulma ömrünün artan U-çentik yarıçapı ile arttığını gösterir. Sonuçlara dayanarak, maksimum eşdeğer gerilmenin artan çentik yarıçapı ile azaldığı ve bunun bize yorulma ömrünün sensörün U çentik yarıçapına, uygulanan kuvvetlere ve özellikle sensörün ucundaki gerginliğe bağlı olduğu bilgisini sağladığı söylenebilir. Son olarak, analizler 7075-T6 alaşımının 2024-T4 ve 6061-T6 alaşımlarından daha iyi yorulma ömrüne sahip olduğunu göstermiştir.
Fatigue is the most widely recognized failure in all structural components which are subjected to cycling loads. In recent years, impressive efforts have been made for the development of analytical and additionally numerical models for the better estimation of fatigue life for critical components of structures. The application of fatigue sensors for Structural Health Monitoring (SHM) aims the evaluation of weakness and damage keeping in view the structural life of a component. The main goal of this study is to design and analyze a U notched fatigue sensor to predict the fatigue life, to provide an indication for maintenance and to have sufficient time for the replacement of parts before any catastrophic failure could occur. In this study, ANSYS Workbench software was used to design, implementation and analysis of the fatigue sensor. The sensor model consists of four beams with U notch geometry that has been designed parallel to the applied tension load on the structure. The magnitudes of the width, length and thickness of the sensor are 305 × 76.2 × 1.6 mm, respectively. In addition, aluminum alloys (7075 T6, 2024-T4 and 6061-T6) were used as sensor materials. In order to ensure that the stress concentration is independent of element size, a mesh sensitivity study was performed. The mesh sensitivity study was carried for five ele-ment sizes (11717, 21095, 39367, 55222, 121561). The equivalent stresses were con-sidered for the mesh sensitivity. In addition, the mesh sensitivity analysis was carried out for the critical location (r = 6.4 mm) of the high stress regions obtained during the first iterative analysis of the sensor model. The results showed the maximum equivalent stress (90.815 MPa) at a U notch radius of 6.4 mm and the minimum equivalent stress (68.715 MPa) at a U notch radius of 25.4 mm. It has been shown that the beam with a U notch radius of 25.4 mm had a better fatigue life than the beam with U notch radius of 6.4 mm. This implies that fatigue life of the sensor increases with increasing U-notch radius. Based on the results it can be said that the maximum equivalent stress decreases with increasing notch radius and that this provides us information that fatigue life depends on U notch radius of the sensor, applied forces and specifically tension at the end of the sensor. Finally, analyses showed that 7075-T6 alloy has better fatigue life than 2024-T4 and 6061-T6 alloys.
Fatigue is the most widely recognized failure in all structural components which are subjected to cycling loads. In recent years, impressive efforts have been made for the development of analytical and additionally numerical models for the better estimation of fatigue life for critical components of structures. The application of fatigue sensors for Structural Health Monitoring (SHM) aims the evaluation of weakness and damage keeping in view the structural life of a component. The main goal of this study is to design and analyze a U notched fatigue sensor to predict the fatigue life, to provide an indication for maintenance and to have sufficient time for the replacement of parts before any catastrophic failure could occur. In this study, ANSYS Workbench software was used to design, implementation and analysis of the fatigue sensor. The sensor model consists of four beams with U notch geometry that has been designed parallel to the applied tension load on the structure. The magnitudes of the width, length and thickness of the sensor are 305 × 76.2 × 1.6 mm, respectively. In addition, aluminum alloys (7075 T6, 2024-T4 and 6061-T6) were used as sensor materials. In order to ensure that the stress concentration is independent of element size, a mesh sensitivity study was performed. The mesh sensitivity study was carried for five ele-ment sizes (11717, 21095, 39367, 55222, 121561). The equivalent stresses were con-sidered for the mesh sensitivity. In addition, the mesh sensitivity analysis was carried out for the critical location (r = 6.4 mm) of the high stress regions obtained during the first iterative analysis of the sensor model. The results showed the maximum equivalent stress (90.815 MPa) at a U notch radius of 6.4 mm and the minimum equivalent stress (68.715 MPa) at a U notch radius of 25.4 mm. It has been shown that the beam with a U notch radius of 25.4 mm had a better fatigue life than the beam with U notch radius of 6.4 mm. This implies that fatigue life of the sensor increases with increasing U-notch radius. Based on the results it can be said that the maximum equivalent stress decreases with increasing notch radius and that this provides us information that fatigue life depends on U notch radius of the sensor, applied forces and specifically tension at the end of the sensor. Finally, analyses showed that 7075-T6 alloy has better fatigue life than 2024-T4 and 6061-T6 alloys.
Açıklama
Fen Bilimleri Enstitüsü, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Anahtar Kelimeler
Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
