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Fatigue failure of metallic structures operating under dynamic loading is a common occurrence in engineering applications. It is difficult to estimate the response of complicated systems analytically, due to structure&amp / #8217 / s dynamic characteristics and varying loadings. Therefore, experimental, numerical or a combination of both methods are used for fatigue evaluations. Fatigue failure can occur on systems and platforms as well as components to be mounted on the platform. In this thesis, a helicopter&amp / #8217 / s Missile Warning Sensor - Cowling assembly is analyzed. Analytical, numerical and experimental approaches are used wherever necessary to perform stress and fatigue analyses. Operational flight tests are used for obtaining the loading history at the analyzed location by using sensors. Operational vibration profiles are created by synthesizing the data (LMS Mission Synthesis). Numerical fatigue analysis of the assembly is done for determining the natural modes and the critical locations on the assembly by using a finite element model (MSC Fatigue). In addition, numerical multiaxial PSD analysis is performed for relating the experimental results (Ansys). Residual stresses due to riveting are determined (MSC Marc) and included in experimental analysis as mean stresses. Bolt analysis is performed analytically (Hexagon) for keeping the v assembly stresses in safe levels while mounting the experimental prototype to the test fixture. Fatigue tests for determining the accelerated life parameters are done by an electromagnetic shaker and stress data is collected. Afterwards, fatigue test is performed for determining whether the assembly satisfies the required operational life. Resonance test is performed at the frequency in which the critical location is at resonance, since there was no failure observed after fatigue testing. A failure is obtained during resonance test. At the end of the study, an analytical equation is brought up which relates accelerated life test durations with equivalent alternating stresses. Therefore, optimization of the accelerated life test duration can be done, especially in military applications, by avoiding the maximum stress level to reach or exceed the yield limit.

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Failure of metallic structures operating under shock loading is a common occurrence in engineering applications. It is difficult to estimate the response of complicated systems analytically, due to structure&rsquo / s dynamic characteristics and varying loadings. Therefore, experimental, numerical or a combination of both methods are used for evaluations. The experimental analysis of the shocks due to firing is done for 12.7mm Gatling gun and 25mm cannon. During the tests, the Gatling gun and the cannon are located on military Stabilized Machine Gun Platform and Stabilized Cannon Platform respectively. For the firing tests, ICP (integrated circuit piezoelectric) accelerometers are attached to obtain the loading history for corresponding points. Shock Response Spectrum (SRS) analysis (nCode Glypworks) is done to define the equivalent shock profiles created on test pieces and the mount of 25mm cannon by means of the gun and the cannon firing. Transient shock analysis of the test pieces and the mount are done by applying the obtained shock profiles on the parts in a finite element model (ANSYS). Furthermore, experimental stress analysis due to shock loading is performed for two different types of material and different thicknesses of the test pieces. The input data for the analysis is obtained through measurements from strain rosette precisely located at the critical location of the test pieces. As a result of the thesis, a proposal is tried to be introduced where strain energy density theory is applied to predict the shock failure at military structures.

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[pt] Este trabalho procura apresentar e discutir, através do estudo de um caso especifico, alguns aspectos da análise de tensões em tubulações compostas por curvas em gomos. O problema estudado corresponde às condições de operação de um sistema que liga o reator a um vaso de pressão de uma planta de produção de ácido fosfórico. A elevada relação diâmetro/espessura deste duto impede que os procedimentos usuais do cálculo de flexibilidade de tubulações, baseados na teoria de vigas, sejam aplicados. Assim, foi utilizado o método dos elementos finitos através de elementos tipo casca. Esta análise numérica foi validada através de modelagens experimentais - extensometros elétricos e medidas de ovalização num modelo reduzido - e analitica - solução de Kitching. Foram também examinados os efeitos sobre o comportamento da tubulação devido aos flanges e diferentes condições de contorno impostas às suas extremidades. Alem disso, o procedimento de calculo sugerido pela norma ANSI/ASME foi discutido. / [en] The aim of this work is to present and discuss the structural behaviour of piping systems containning mitred bends. A duct that joins a reactor to a catch-all vessel of a phosporic acid production unit was studied under the thermal loads (in-plane) imposed during its operation. The pipe high diameter to thichness ratio makes unsuitable the approach of usual flexibility analysis (beam theory) so the finite element method was applied using shell elements. The finite element model was verified by an experimental analysis and by comparing results with those obtainned from a theoretical solution proposed by Kitching. The end effects due to flanges and the piping behaviour when different boundary conditions are imposed at its ends were studied. Also the ANSI/ASME standards for flexibility analysis were discussed.

When developing drivetrain cooling modules for commercial vehicles, the top priority is the strength of the products. The reason lays within the structural change that companies are undergoing where the warehouses are minimized and the companies are relying on the transportation of commercial vehicles. If a drivetrain cooling module would fail to maintain a targeted temperature range of the drivetrain, there is not long until the vehicle is forced to a stop. At worst, the downtime of commercial vehicles can cause companies to come to a halt as well. Therefore, developing verified FE simulation methods together with strength verification tests, are some of the core activities to ensure the strength of the cooling modules before implementation in vehicles. One of the methods that have not been sufficiently verified regards how to perform structural FEA on a crimp joint with a gasket. A crimp joint is established through a hemming process, where the aluminium header tabs are crimped over the polyamide tank, creating a watertight seal together with a gasket. The objective of this master’s thesis is to verify the existing simulation methods of the crimp joint and determine the margin of error with respect to strains. The objective of this thesis is also to develop a verified FE simulation method with a lower margin of error compared to the existing methods. The verification of the methods has been conducted through a comparison between numerical results and an experimental stress analysis, where the strain located on the header is measured with strain gauges in a pressure pulsation rig. The average margin of error found on the three existing methods of simulating the crimp joint was 39,7%, 13,4%, and 11,5% located on the outer bottom dimensioning radius of the crimp joint at a pressure of 100 kPa. However, the method used to determine the margin of error was found to be invalid, but the margin of error is only slightly affected by the verification method where the existing methods still are insufficiently representing the crimp joint. The method of determining the margin of error was then corrected for the development of the new method to represent the crimp joint in the FE model. The developed method in this thesis has an average margin of error of 6,9% at 100, 160, 220, and 260 kPa. / Vid utveckling av kylarmoduler för drivlinor som appliceras i kommersiella fordon, är högsta prioritet att säkerhetsställa hållfastheten hos produkterna. Anledningen ligger kring den strukturomvandling som företag genomgår där storleken på lagerlokaler minskar och företagen väljer att förlita sig på transporterna som utförs av kommersiella fordon istället. Ifall en kylarmodul inte skulle klara av att bibehålla ett bestämt temperaturintervall hos drivlinan så dröjer det inte länge förens fordonet tvingas att stanna. I värsta fall kan fordonets stillestånd påverka ett företag att tvingas stanna i väntan. Därför är utveckling av FE simuleringsmetoder tillsammans med utmattningstest, några av de kärnaktiviteter som utförs för att säkerhetsställa hållfastheten av kylarmodulerna innan de implementeras i fordon. En av de metoder som ännu inte blivit tillräckligt verifierat gäller hur man utför FEA på ett falsförband med packning. Falsförbandet skapas genom en falsningsprocess där ändplåten av aluminium falsas över polyamidtanken, vilket skapar ett vattentätt förband med hjälp av packningen. Omfattningen av detta examensarbete gäller att verifiera de existerande simuleringsmetoderna av falsförbandet och bestämma felmarginalen med avseende på töjningar. Omfattningen av examensarbetet innefattar även ett utvecklingsarbete av en ny FE simuleringsmetod med en lägre felmarginal jämfört med de existerande metoderna. Verifieringen av metoderna sker genom en jämförelse mellan de numeriska resultaten och en experimentell spänningsanalys där töjningen på ändplåten är uppmätt med hjälp av trådtöjningsgivare i en tryckpulsationsrigg. Den genomsnittliga felmarginalen av de tre existerande metoderna för att simulera falsförbandet var 37,9%, 13,4%, och 11,5% vid den nedre dimensionerande yttre radien på falsförbandet vid ett tryck på 100 kPa. Den använda metoden för att bestämma felmarginalen upptäcktes senare vara felaktig, men det resulterar endast i små förändringar av den bestämda felmarginalen, de existerande simuleringsmetoderna är fortfarande sedda som otillräckliga. Metoden för att bestämma felmarginalen korrigerades sedan inför utvecklandet av den nya FE simuleringsmetoden av falsförbandet. Den utvecklade metoden i detta examensarbete har en genomsnittlig felmarginal på 6,9% vid 100, 160, 220 och 260 kPa.

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Bestimmung der Messunsicherheit bei der experimentellen Spannungsanalyse mittels Metallfoliendehnungsmessstreifen. Trotz langjähriger Verfügbarkeit von Dehnungsmessstreifen und den Kenntnissen über deren Wirkungsmechanismen, inklusive der damit verbundenen Abweichungen, existieren nur wenige Betrachtungen hinsichtlich der Messunsicherheit. Vor allem die große Anzahl möglicher Einflüsse und die daraus resultierenden systematischen Abweichungen, in Kombination mit einer fehlenden Möglichkeit zur Kalibrierung, stellen eine Herausforderung und meist einen hohen Aufwand dar. Diese komplexe Ausgangssituation wird anhand theoretischer und praktischer Untersuchungen analysiert und bewertet. Dabei wird das Ziel verfolgt, eine möglichst große Menge von Messaufgaben abzudecken, ohne zugleich eine übermäßig große Messunsicherheit hinnehmen zu müssen. Nach einer umfassenden Darstellung verschiedener Abweichungen werden zunächst die Einflüsse systematisiert. Darauf aufbauend werden Randbedingungen für häufig auftretende Messaufgaben abgeleitet und als Standardszenario zusammengefasst. Im anschließenden Abschnitt werden alle Einflüsse, die im Rahmen der Arbeit nicht empirisch untersucht werden können, mit Hilfe der Randbedingungen theoretisch betrachtet. Einen wesentlichen Anteil an der resultierenden Messunsicherheit besitzen dabei die Ermüdungserscheinungen und die Rückwirkung. Relevant, jedoch von untergeordneter Bedeutung, sind die Hysterese, das Kriechen und die Querempfindlichkeit. Im empirischen Teil wird ein modifizierter Versuchsstand zur Bestimmung des k-Faktors dargestellt, mit dem zeitgleich bis zu 36 Dehnungsmessstreifen untersucht werden können. Einen Schwerpunkt dabei bildet die Mechanik des verwendeten breiten Biegebalkens. Die Auswertung zeigt, dass die Richtungsabweichung der 72 untersuchten Dehnungsmessstreifen weniger als 1° beträgt. Die Messunsicherheit bezüglich des Nullpunktes bei der Dehnungsmessung resultiert vor allem aus der temperaturbedingten Scheindehnung. Deren Korrektur mit dem Polynom laut Datenblatt ist aufgrund der Unsicherheit der thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von 0-30 °C von geringer Wirkung. Bei Langzeitmessungen ab etwa 30-50 Tagen ist trotz Abdeckung mit Polyurethan-Lack zudem die feuchtigkeitsspezifische Nullpunktdrift von Bedeutung. Die Empfindlichkeit der Dehnungsmessung wird durch die losspezifische Streuung des k-Faktors dominiert und ist nicht zeitabhängig. Abschließend werden alle untersuchten Einflüsse zusammengefasst und verglichen. Dadurch wird offensichtlich, dass durch gezielte Einschränkung der zulässigen Lastwechselzahl und der mechanischen Eigenschaften des Messobjektes im Standardszenario die Messunsicherheit um 23 % reduzierbar ist. Zusätzlich wird die Anpassung der Randbedingungen an eine Langzeitmessung mit erweitertem Temperaturbereich demonstriert.:1 Einleitung 1.1 Motivation und Zielstellung 1.1.1 Motivation 1.1.2 Zielstellung und Abgrenzung der Arbeit 1.2 Verfahrensweise und Aufbau der Arbeit 2 Grundlagen 2.1 Abschätzung der Messunsicherheit 2.1.1 Systematik der Messabweichungen 2.1.2 Grundlagen der Messunsicherheit 2.1.3 Messunsicherheit nach GUM und GUM S1 2.1.4 Messaufgabenspezifische Messunsicherheit 2.2 Metallfolien-DMS 2.2.1 Messprinzip 2.2.2 Ursachen für Messabweichungen 2.2.3 Maßnahmen zur Reduzierung von Abweichungen 2.3 Statistische Methoden 2.3.1 Design of Experiments (DoE) 2.3.2 Statistische Methoden zur Versuchsauswertung 3 Entwurf eines Standardszenarios 3.1 Definition des Standardszenarios 3.2 Randbedingungen für das Standardszenario 3.2.1 Mensch 3.2.2 Messmittel 3.2.3 Versuchsdurchführung 3.2.4 Messobjekt 3.2.5 Umgebungsbedingungen 3.3 Ursachen und Effekte im Standardszenario 3.3.1 Applikation 3.3.2 Messmittel 3.3.3 Versuch 3.3.4 Umgebung 3.4 Angewandte Methoden zur Reduzierung von Abweichungen 3.4.1 Kompensationsverfahren 3.4.2 Korrektion von Abweichungen 4 Theoretische Betrachtung der Messunsicherheiten 4.1 Vorgehensweise bei der Abschätzung der Messunsicherheit 4.2 Messmittel 4.2.1 Messverstärker 4.2.2 Rauschen 4.3 Versuch 4.3.1 Querdehnungsempfindlichkeit 4.3.2 Ermüdungsverhalten 4.3.3 Hysterese 4.3.4 Kriechen 4.3.5 Rückwirkung 4.3.6 Linearität 4.4 Umgebungseinflüsse 4.4.1 Thermospannung 4.4.2 Thermische Drift 5 Empirische Untersuchung zur Messunsicherheit 5.1 Versuchsplanung 5.1.1 Versuchsbeschreibung 5.1.2 Versuchsmaterial und Personal 5.1.3 Versuchsplan 5.1.4 Versuchsablauf 5.2 Versuchsaufbau zur Bestimmung des k-Faktors 5.2.1 Theoretische Grundlagen zum Versuch 5.2.2 Probenmechanik des breiten Biegebalkens 5.2.3 Praktische Umsetzung der 4-Punkt-Biegung 5.3 Langzeitversuch 5.3.1 Versuchsaufbau und Datenerfassung 5.3.2 Umgebungsbedingungen 5.4 Auswertung der Versuche 5.4.1 Richtungsabweichung 5.4.2 Grundwiderstand 5.4.3 Nullpunkt 5.4.4 k-Faktor 6 Messunsicherheit für das Standardszenario und Zusammenfassung 6.1 Zusammenfassung des Standardszenarios 6.1.1 Messunsicherheit Standardszenario 6.1.2 Anpassung des Standardszenarios 6.2 Zusammenfassung und Ausblick 6.2.1 Zusammenfassung 6.2.2 Ausblick Literaturverzeichnis Anhang A Nichtlinearität der Wheatstoneschen Messbrücke B Tabellen zum Standardszenario C Herleitungen zur theoretischen Abschätzung D Bestimmung der Materialkennwerte E Daten der einzelnen Messstellen des Versuchs F Ergänzungen zum Versuch G Ergänzungen zur Auswertung des Versuchs / This thesis deals with the determination of the measurement uncertainty in experimental stressanalysis using metal foil strain gauges. Despite the availability of strain gauges for many years and the knowledge of their mechanisms of action, including the associated errors, only a few considerations exist with regard to the measurement uncertainty. Particulary the large number of possible influences and the resulting systematic errors, in combination with a lack of possibility for calibration, represent a challenge and usually a high expense. This complex initial situation is analysed and evaluated on the basis of theoretical and practical investigations. The aim is to cover as many measurement tasks as possible without having to accept an excessively high measurement uncertainty at the same time. After a comprehensive presentation of various errors, the influences are first systematized. Based on this, boundary conditions for frequently occurring measurement tasks are derived and summarized as a standard scenario. In the following section, all influences that cannot be investigated empirically within the scope of the work are considered theoretically with the help of the boundary conditions. The fatigue damage and the reinforcement effect have a significant share in the resulting measurement uncertainty. Relevant, but of secondary importance, are hysteresis, creep and transverse sensitivity. In the empirical part, a modified test rig for determining the k-factor is presented, with which up to 36 strain gauges can be measured simultaneously. One focus is on the mechanics of the wide bending beam used. The evaluation shows that the error due to misalignment of the 72 examined strain gauges is less than 1°. The measurement uncertainty with regard to the zero-point in the strain measurement results primarily from the thermal output of the strain gauge. Its correction with the polynomial according to the data sheet is of little effect due to the uncertainty of the thermal expansion coefficients in the temperature range of 0-30 °C. In the case of long-term measurements from about 30-50 days, the moisture-specific zero-point drift is also significant despite covering in polyurethane lacquer. The sensitivity of the strain measurement is dominated by the batch-specific scatter of the k-factor and is not time-dependent. Finally, all examined influences are summarised and compared. This illustrates that the measurement uncertainty can be reduced by 23 % in the standard scenario by specifically limiting the permissible number of load cycles and mechanical properties of the test object. In addition, the adaptation of the boundary conditions to a long-term measurement with extended temperature range is demonstrated.:1 Einleitung 1.1 Motivation und Zielstellung 1.1.1 Motivation 1.1.2 Zielstellung und Abgrenzung der Arbeit 1.2 Verfahrensweise und Aufbau der Arbeit 2 Grundlagen 2.1 Abschätzung der Messunsicherheit 2.1.1 Systematik der Messabweichungen 2.1.2 Grundlagen der Messunsicherheit 2.1.3 Messunsicherheit nach GUM und GUM S1 2.1.4 Messaufgabenspezifische Messunsicherheit 2.2 Metallfolien-DMS 2.2.1 Messprinzip 2.2.2 Ursachen für Messabweichungen 2.2.3 Maßnahmen zur Reduzierung von Abweichungen 2.3 Statistische Methoden 2.3.1 Design of Experiments (DoE) 2.3.2 Statistische Methoden zur Versuchsauswertung 3 Entwurf eines Standardszenarios 3.1 Definition des Standardszenarios 3.2 Randbedingungen für das Standardszenario 3.2.1 Mensch 3.2.2 Messmittel 3.2.3 Versuchsdurchführung 3.2.4 Messobjekt 3.2.5 Umgebungsbedingungen 3.3 Ursachen und Effekte im Standardszenario 3.3.1 Applikation 3.3.2 Messmittel 3.3.3 Versuch 3.3.4 Umgebung 3.4 Angewandte Methoden zur Reduzierung von Abweichungen 3.4.1 Kompensationsverfahren 3.4.2 Korrektion von Abweichungen 4 Theoretische Betrachtung der Messunsicherheiten 4.1 Vorgehensweise bei der Abschätzung der Messunsicherheit 4.2 Messmittel 4.2.1 Messverstärker 4.2.2 Rauschen 4.3 Versuch 4.3.1 Querdehnungsempfindlichkeit 4.3.2 Ermüdungsverhalten 4.3.3 Hysterese 4.3.4 Kriechen 4.3.5 Rückwirkung 4.3.6 Linearität 4.4 Umgebungseinflüsse 4.4.1 Thermospannung 4.4.2 Thermische Drift 5 Empirische Untersuchung zur Messunsicherheit 5.1 Versuchsplanung 5.1.1 Versuchsbeschreibung 5.1.2 Versuchsmaterial und Personal 5.1.3 Versuchsplan 5.1.4 Versuchsablauf 5.2 Versuchsaufbau zur Bestimmung des k-Faktors 5.2.1 Theoretische Grundlagen zum Versuch 5.2.2 Probenmechanik des breiten Biegebalkens 5.2.3 Praktische Umsetzung der 4-Punkt-Biegung 5.3 Langzeitversuch 5.3.1 Versuchsaufbau und Datenerfassung 5.3.2 Umgebungsbedingungen 5.4 Auswertung der Versuche 5.4.1 Richtungsabweichung 5.4.2 Grundwiderstand 5.4.3 Nullpunkt 5.4.4 k-Faktor 6 Messunsicherheit für das Standardszenario und Zusammenfassung 6.1 Zusammenfassung des Standardszenarios 6.1.1 Messunsicherheit Standardszenario 6.1.2 Anpassung des Standardszenarios 6.2 Zusammenfassung und Ausblick 6.2.1 Zusammenfassung 6.2.2 Ausblick Literaturverzeichnis Anhang A Nichtlinearität der Wheatstoneschen Messbrücke B Tabellen zum Standardszenario C Herleitungen zur theoretischen Abschätzung D Bestimmung der Materialkennwerte E Daten der einzelnen Messstellen des Versuchs F Ergänzungen zum Versuch G Ergänzungen zur Auswertung des Versuchs