Fatigue life assessment of damaged integral skin-stringer panels

Abstract

Zamorni vek integralnih oplata-uzdužnici panela dobijenih metodom laserskog zavarivanja jeste osnovna tema ove teze. Integralni paneli se obično koriste u vazduhoplovnim strukturama kod kojih su zamor i tolerancija oštećenja od velike važnosti, pošto letelice moraju biti projektovane tako da izdrže i pojavu rekativno velikih zamornih prslina. U ovom radu su razvijeni numerički modeli oplata-uzdužnici panela, sprovedene su kompjuterske simulacije na njima i dobijeni rezultati su upoređeni sa eksperimentalnim vrednostima iz testova na zamor panela debljine 2.8 mm od aluminijuma Al6156-T6. Cilj sprovedenih numeričkih simulacija i poređenja sa eksperimentom bio je verifikacija numeričkih modela za predviđanje veka pod zamorom oštećenih oplata-uzdužnici panela. U tu svrhu su koriščeni parametri mehanike loma, a modeli su analizirani pomoću proširene metode konačnih elemenata (PMKE) integrisane u kompjuteski kod ABAQUS. Pored ove metode korišćene su i druge: analitička, za procenu statičke i zamorne čvrstoće zavarenih spojeva (a na osnovu smernica definisanih u FKM standardima) i klasična metoda konačnih elemenata za simulaciju procesa laserskog zavarivanja i identifikaciju zone uticaja toplote. Numerička simulacija laserskog zavarivanja je pokazala da nakon samog procesa postoje zaostali naponi u materijalu koji se moraju tretirati pre nego što se oplata-uzdužnici paneli izlože spoljašnjem promenljivom opterećenju. U svrhu procene zamornog veka oštećenih integralnih panela (tj. veka panela sa prslinom iniciranom na sredine osnove) i potom poboljšanja njihovog ponašanja sa aspekta zamora, korišćen je softverski kod Morfeo/Crack for Abaqus. Ovaj kod izračunava coordinate 2D i 3D fronta prsline kako se prslina širi kroz strukturu, a potom i raspodelu faktora intenziteta napona KI, KII i KIII duž fronta prsline (vrednosti efektivnog faktora intenziteta napona Keff se takođe određuju). Potom se koristi Parisov zakon za procenu broja ciklusa spoljnjeg opterećenja koji će prslinu proširiti do kritičnih dimenzija. Vrednosti zamornog veka oplata-uzdužnici panela dobijene na ovaj način, korišćenjem PMKE, bile su bliske eksperimentalnim, ali je u nekim slučajevima razlika bila oko 30%. Utvrđeno je da je tolika razlika bila plod nedovoljno dobro definisane mreže konačnih elemenata; iz tog razloga je uticaj broja čvorova i elemenata mreže (tj. njene gustine) takođe analiziran u ovoj tezi. Mora se, međutim, istaći da numerički modeli ovih dimenzija (razmere 1:1) ranije nisu bili korišćeni i da su svi zamorni vekovi dobijeni u simulacijama bili kraći nego oni u VI eksperimentima. To znači da su sva predviđanja dobijena numerikom bila konzervativna, odn. na strani sigurnosti. Da bi se produžio zamorni vek oštećenih oplata-uzdužnici panela koriste se ojačanja u vidu tzv. klipova. Numerički modeli panela sa klipovima su takođe napravljeni, sprovedeni su proračuni i vrednosti broja ciklusa su upoređene sa vrednostima iz eksperimenata sa panelima bez klipova. Dobijen je veći broj ciklusa nego u eksperimentu, što opravdava korišćenje ovakvih elemenata za produženje zamornog veka oštećenih panela. Međutim, potrebna su dalja eksperimentalna istraživanja da bi se potvrdili numerički rezultati, ali ova teza daje dobru osnovu za sledeće korake u tom pravcu.

Fatigue life of integral skin-stringer panels produced by laser beam welding (LBW) is analysed in this thesis. This type of panel is usually used in airframe structure where fatigue and damage tolerance are of paramount importance, since aircraft must be designed to tolerate relatively large fatigue cracks. In this work numerical models of skin-stringer panel were developed, computer simulation were carried out and results were compared to experimental values from fatigue tests of panels made of Al6156-T6/2.8 mm (LB welded). The main aim was to validate a numerical method for fatigue life prediction of damaged skin-stringer panels. This is why a fracture mechanics approach was used in the first place and why models were analyzed using the Extended Finite Element Method (XFEM) through code ABAQUS. Another methods were also used: analytical for static and fatigue strength assessment of welded joints (based on FKM guidelines) and Finite Element Method (FEM) for laser beam welding process simulation and identification of heat affected zone. Numerical simulation of LBW showed significant amount of residual stresses which must be treated before exposing skin-stringer panels to variable external load. In order to evaluate fatigue life of damaged panels (i.e. the life of panels with crack initiated in the middle of the base metal) and consequently improve the damage tolerance performance of integral structures, Morfeo/Crack for Abaqus code was used. This code calculates coordinates of the 2D or 3D crack fronts (as cracks grow through the structure) and distribution of stress intensity factors KI, KII and KIII along the crack front (effective stress intensity factor Keff is also calculated). Then, Paris law is used for estimation of number of cycles that will grow crack to critical length. Values of fatigue life of skin-stringer panels obtained by XFEM method were close to those obtained in the experiment, but in some cases differences were about 30%. It was discovered that difference was caused by not adequately defined mesh; this is why the influence of the element size on the fatigue life estimation was also analyzed in thesis. But, it must be emphasized that numerical models of this size (scale 1:1) were never used before, and that all fatigue life values obtained in numerical simulations were less than experimental values. This means that all predictions were conservative, i.e. on the safe side. In order to increase life of damaged skin-stringer panels so-called clips are used. Numerical models with clips were also made, calculations carried out and results compared with experimental IV values for panels without clips. Longer fatigue life was obtained in simulations with clips, justifying the use of these elements for fatigue life extension. However, experimental investigations must be carried to confirm these numerical findings, but this thesis gives basis for next steps.