Stokastisen kuormitushistorian analysointi
Niemelä, Lauri (2022)
Niemelä, Lauri
2022
Konetekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Mechanical Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2022-03-31
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202203072378
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202203072378
Tiivistelmä
Rakenteen lujuus- ja väsymistarkastelut ovat keskeisessä roolissa rakenteen mitoituksessa ja sille asetettujen vaatimusten, kuten turvallisuuden, optimoinnin tai turvallisten muutostöiden, varmistamiseksi. Konerakenteet mitoitetaan yleensä väsymis- ja äärikuormia vastaan. Kaikille rakenteille ei löydy standardeja tai suunnitteluohjeita mitoituksessa käytettävien kuormituksien määrittämiseen, jolloin suunnittelijan on itse analysoitava ja määritettävä mitoituskuormat riittävällä tarkkuudella. Tämä on erityisesti haastavaa, kun kuormitukset ovat stokastisia, jolloin kuormitussyklien suuruuksien esiintyvyyksiä analysoidaan tilastollisin menetelmin.
Diplomityön tutkimusongelmana oli stokastisen kuormitushistorian analysointi venymäliuska-mittausten perusteella. Työn tavoitteena oli ratkaista tutkimusongelma käyttäen laajalti teollisuudessa sovellettuja menetelmiä ja hyödyntäen käytettävissä oleva mittausdata mahdollisimman tehokkaasti. Tutkimusongelmaa käsiteltiin kirjallisuuskatsauksen ja tapaustutkimuksen avulla.
Työn kirjallisuuskatsauksessa esiteltiin, miten venymäliuskamittausdatasta saadaan tilastollisesti analysoitava satunnaismuuttuja, miten sen tilastollista käyttäytymistä voidaan mallintaa, sekä miten kuormituksia käsitellään väsymis- ja ääriarvoteorian suhteen. Väsymisteoriassa väsymisvaurio määritettiin jännitysmenetelmän ja Palmgren-Minerin säännön mukaan. Ääriarvoteoriasta esitettiin kolme ääriarvomallia.
Diplomityön tapaustutkimuksen kohteena oli leukamurskain, josta löytyi ennalta toteutettu venymäliuskamittaus. Leukamurskaimelle laadittiin datan käsittely- ja laskentaprosessi väsymis- ja äärikuormien analysointiin. Rakenteen väsyttäviä kuormituksia analysoitiin mallintamalla ja kuvaamalla kaikkia kuormitustasoja ja määrittämällä idealisoidulla väsymisanalyysillä sen aiheuttama väsymisvaurio. Rakenteen äärikuormien analysoinnissa tilastollinen mallintaminen keskittyi ääriarvoteorian ääriarvomallien mukaisesti rajattuun osaan suurimpia havaittuja kuormitushuippuja.
Tapaustutkimus ja sen tulokset loivat kattavan yleiskuvan leukamurskaimen käyttöiän kuormitushistoriasta, sekä se mahdollisti työssä määritetyn laskentaprosessin ja kirjallisuuskatsauksessa esitettyjen menetelmien validoinnin. Tulokset eivät ole työn rajauksen, oletettujen lähtötietojen ja datamäärän takia suoraan sovellettavissa leukamurskaimen mitoitukseen. Tulevalle kehitystyölle luotiin kuitenkin hyvä lähtökohta. Structural strength and fatigue analyses play a key role in ensuring structural requirements, such as structural safety, optimization, and safe modifications. Machine structures are usually dimensioned against fatigue and extreme loads. All types of structures do not have standards or design guidelines for defining loads for structural dimensioning, thus the designer must analyze and determine the design loads with adequate accuracy. This is difficult to accomplish especially when the load history is stochastic, in which case the load cycle magnitudes must be analyzed by statistical methods.
The research problem of the master’s thesis included the analysis of stochastic load history based on stain gauge measurement data. Furthermore, the aim of the thesis was to solve the research problem by using methods widely used in the industry and utilizing the available measurement data as efficiently as possible. The research problem was assessed with a literature review and a case study.
The literature review introduced how the strain gauge measurement data can be statistically analyzed as a random variable, how its statistical behavior can be modeled, and how loads are analyzed from the perspective of fatigue and extreme value theories. Fatigue theory was focused on high cycle fatigue and Palmgren-Miner’s rule. Three extreme value models were introduced from extreme value theory.
The case study was completed for a jaw crusher, which had a pre-measured strain gauge measurement. A data processing and calculation process was developed for the jaw crusher to analyze fatigue and extreme loads of the structure. The fatigue loads of the jaw crusher were studied by modeling the load history from all load levels and determining the accumulated fatigue damage based on an idealized fatigue analysis. Extreme loads were explored by focusing the statistical modeling on a limited part of the highest observed load peaks according to the extreme value models introduced in extreme value theory.
The case study and its results provided a comprehensive overview of the jaw crusher’s stochastic load history during its lifespan. The study also provided the validation of the defined calculation process and the use of different methods introduced in the literature review. The results are not directly applicable for dimensioning a jaw crusher due to the defined thesis limitations, assumed input values, and amount of data. However, a good foundational basis was built for future work.
Diplomityön tutkimusongelmana oli stokastisen kuormitushistorian analysointi venymäliuska-mittausten perusteella. Työn tavoitteena oli ratkaista tutkimusongelma käyttäen laajalti teollisuudessa sovellettuja menetelmiä ja hyödyntäen käytettävissä oleva mittausdata mahdollisimman tehokkaasti. Tutkimusongelmaa käsiteltiin kirjallisuuskatsauksen ja tapaustutkimuksen avulla.
Työn kirjallisuuskatsauksessa esiteltiin, miten venymäliuskamittausdatasta saadaan tilastollisesti analysoitava satunnaismuuttuja, miten sen tilastollista käyttäytymistä voidaan mallintaa, sekä miten kuormituksia käsitellään väsymis- ja ääriarvoteorian suhteen. Väsymisteoriassa väsymisvaurio määritettiin jännitysmenetelmän ja Palmgren-Minerin säännön mukaan. Ääriarvoteoriasta esitettiin kolme ääriarvomallia.
Diplomityön tapaustutkimuksen kohteena oli leukamurskain, josta löytyi ennalta toteutettu venymäliuskamittaus. Leukamurskaimelle laadittiin datan käsittely- ja laskentaprosessi väsymis- ja äärikuormien analysointiin. Rakenteen väsyttäviä kuormituksia analysoitiin mallintamalla ja kuvaamalla kaikkia kuormitustasoja ja määrittämällä idealisoidulla väsymisanalyysillä sen aiheuttama väsymisvaurio. Rakenteen äärikuormien analysoinnissa tilastollinen mallintaminen keskittyi ääriarvoteorian ääriarvomallien mukaisesti rajattuun osaan suurimpia havaittuja kuormitushuippuja.
Tapaustutkimus ja sen tulokset loivat kattavan yleiskuvan leukamurskaimen käyttöiän kuormitushistoriasta, sekä se mahdollisti työssä määritetyn laskentaprosessin ja kirjallisuuskatsauksessa esitettyjen menetelmien validoinnin. Tulokset eivät ole työn rajauksen, oletettujen lähtötietojen ja datamäärän takia suoraan sovellettavissa leukamurskaimen mitoitukseen. Tulevalle kehitystyölle luotiin kuitenkin hyvä lähtökohta.
The research problem of the master’s thesis included the analysis of stochastic load history based on stain gauge measurement data. Furthermore, the aim of the thesis was to solve the research problem by using methods widely used in the industry and utilizing the available measurement data as efficiently as possible. The research problem was assessed with a literature review and a case study.
The literature review introduced how the strain gauge measurement data can be statistically analyzed as a random variable, how its statistical behavior can be modeled, and how loads are analyzed from the perspective of fatigue and extreme value theories. Fatigue theory was focused on high cycle fatigue and Palmgren-Miner’s rule. Three extreme value models were introduced from extreme value theory.
The case study was completed for a jaw crusher, which had a pre-measured strain gauge measurement. A data processing and calculation process was developed for the jaw crusher to analyze fatigue and extreme loads of the structure. The fatigue loads of the jaw crusher were studied by modeling the load history from all load levels and determining the accumulated fatigue damage based on an idealized fatigue analysis. Extreme loads were explored by focusing the statistical modeling on a limited part of the highest observed load peaks according to the extreme value models introduced in extreme value theory.
The case study and its results provided a comprehensive overview of the jaw crusher’s stochastic load history during its lifespan. The study also provided the validation of the defined calculation process and the use of different methods introduced in the literature review. The results are not directly applicable for dimensioning a jaw crusher due to the defined thesis limitations, assumed input values, and amount of data. However, a good foundational basis was built for future work.