Zyklische Kohäsivzonenmodelle beschreiben irreversibles Separationsverhalten und Schädigungsakkumulation unter zyklischer Belastung. In der vorliegenden Arbeit wird die Formulierung zyklischer Kohäsivzonenmodelle systematisiert und ihr Potenzial zur Simulation von Ermüdungsvorgängen analysiert. Die Kohäsivspannungs-Separations-Beziehungen werden auf Basis etablierter thermodynamischer Konzepte der Schädigungsmechanik aufgestellt. Zyklische Schädigungsakkumulation wird über die Entwicklungsgleichung der Schädigungsvariablen unter Berücksichtigung einer zustandsabhängigen Dauerfestigkeit beschrieben. Das Kohäsivzonenmodell wird erfolgreich für die Simulation von Werkstoffermüdung angewandt. Numerisch mithilfe der Methode der finiten Elemente erzeugte Rissfortschrittskurven bilden das experimentell beobachtete Ermüdungsrisswachstumsverhalten in allen Bereichen ab. Über Parameterstudien wird der Einfluss der einzelnen Modellparameter ermittelt. Darüber hinaus wird die Anwendung des zyklischen Kohäsivzonenmodells auf die Simulation von Wöhler-Versuchen vorgestellt und der Probengrößeneffekt auf das Ermüdungsverhalten untersucht. Der Zusammenhang zwischen den lokalen Beanspruchungszuständen in der Kohäsivzone und dem vorhergesagten globalen Versagensverhalten wird aufgeklärt. Die gewonnenen Erkenntnisse bilden die Grundlage für ein Konzept zur Identifikation der Kohäsivparameter, das auf der Auswertung von Wöhler- und Rissfortschrittskurven beruht. / Cyclic cohesive zone models describe irreversible separation behaviour and damage accumulation under cyclic loading. In the present thesis, the formulation of cyclic cohesive zone models is systemised and their potential to simulate fatigue processes is analysed. The relation between traction and separation is described based on established thermodynamical concepts of damage mechanics. Cyclic damage accumulation is controlled by a damage evolution equation taking into account a state-dependent endurance limit. The cohesive zone model is applied successfully to the simulation of material fatigue. Fatigue crack growth rate curves, which were obtained numerically by means of the finite element method, reproduce the experimentally observed behaviour in all stages. The influences of the particular parameters of the model are determined by parametric studies. In addition, simulations of uniaxial fatigue tests using the cyclic cohesive zone model are presented. Furthermore, the size effect on the fatigue behaviour is investigated. The relation between the local states within the cohesive zone and the predicted global failure modes is explained. These findings form the foundation for a concept of parameter identification which bases on the evaluation of Wöhler-curves and fatigue crack growth rate curves.

La simulation numérique de la propagation d'ondes sismiques est un besoin actuel, par exemple pour modéliser les vibrations induites dans les sols par le trafic ferroviaire ou pour analyser la propagation d'ondes sismiques ou l'interaction sol-structure. La modélisation de ce type de problèmes est complexe et nécessite l'utilisation de méthodes numériques avancées. La méthode des éléments de frontière (boundary element method, BEM) est une méthode très efficace pour la solution de problèmes de dynamique dans des régions étendues (idéalisées comme non-bornées), en particulier après le développement des méthodes BEM accélérées par multipôle rapide (Fast Multipole Method, FMM), la méthode utilisée dans ce travail de thèse. La BEM est basée sur une formulation intégrale qui nécessite de discrétiser uniquement la frontière du domaine (i.e. une surface en 3-D) et prend implicitement en compte les conditions de radiation à l'infini. En revanche, la BEM nécessite la résolution d'un système linéaire dont la matrice est pleine et (pour la formulation par collocation de la BEM) non-symétrique. Cette méthode est donc trop onéreuse pour des problèmes de grandes dimensions (par exemple O(106) DDLs). L'application à la BEM de la méthode multipôle rapide multi-niveaux (multi-level fast multipole method, ou ML-FMM diminue considérablement la complexité et les besoins de mémoire affectant les formulations BEM classiques, rendant la BEM très compétitive pour modéliser la propagation des ondes élastiques. La version élastodynamique de la ML-FMBEM, dans une forme étendue aux domaines homogènes par morceaux, a par exemple été appliquée avec succès dans un travail précédent (thèse S. Chaillat, ENPC, 2008) pour résoudre les problèmes de propagation des ondes sismiques. Cette thèse vise a développer les capacités de la version élastodynamique fréquentielle de la ML-FMBEM dans deux directions. Premièrement, la formulation de la ML-FMBEM a été étendue au cas de matériaux viscoélastiques linéaires faiblement dissipatifs. Deuxièmement, la ML-FMBEM et la méthode des éléments finis (finite element method, FEM) ont été couplées afin de permettre la résolution de problèmes plus compliqués. En effet, le couplage FEM/FMBEM permet de profiter d'un côté de la flexibilité de la FEM pour la modélisation de structures de géométrie complexe ou présentant des non-linéarités de comportement, de l'autre côté de la prise en compte naturelle par la ML-FMBEM des ondes se propageant dans un milieu étendu et rayonnant à l'infini. De nouvelles perspectives d'application (par exemple prise en compte d'hétérogénéités, non-linéarités de comportement) sont ainsi ouvertes. Dans cette thèse, nous avons considéré deux stratégies pour coupler la FMBEM et la FEM avec l'objectif de résoudre les problèmes tridimensionnels de propagation des ondes harmoniques dans le temps et dans des domaines non-bornés. L'idée principale consiste à séparer une ou plusieurs sous-régions pouvant contenir des structures complexes, de fortes hétérogénéités ou des non-linéarités (modélisées au moyen de la FEM) du milieu propagatif complémentaire semi-infini et (visco-) élastique (modélisé au moyen de la FMBEM). Cette séparation est effectuée au moyen d'une décomposition de domaines sans recouvrement. Le deux approches proposées ont été mises en oeuvre, et une série d'expérimentations numériques a été effectuée pour les évaluer et les comparer / The numerical simulation of elastic wave propagation in unbounded media is a topical issue. This need arises in a variety of real life engineering problems, from the modelling of railway- or machinery-induced vibrations to the analysis of seismic wave propagation and soil-structure interaction problems. Due to the complexity of the involved geometries and materials behavior, modelling such situations requires sophisticated numerical methods. The Boundary Element method (BEM) is a very effective approach for dynamical problems in spatially-extended regions (idealized as unbounded), especially since the advent of fast BEMs such as the Fast Multipole Method (FMM) used in this work. The BEM is based on a boundary integral formulation which requires the discretization of the only domain boundary (i.e. a surface in 3-D) and accounts implicitly for the radiation conditions at infinity. As a main disadvantage, the BEM leads a priori to a fully-populated and (using the collocation approach) non-symmetrical coefficient matrix, which make the traditional implementation of this method prohibitive for large problems (say O(106) boundary DoFs). Applied to the BEM, the Multi-Level Fast Multipole Method (ML-FMM) strongly lowers the complexity in computational work and memory that hinder the classical formulation, making the ML-FMBEM very competitive in modelling elastic wave propagation. The elastodynamic version of the Fast Multipole BEM (FMBEM), in a form enabling piecewise-homogeneous media, has for instance been successfully used to solve seismic wave propagation problems in a previous work (thesis dissertation of S. Chaillat, ENPC, 2008). This thesis aims at extending the capabilities of the existing frequency-domain elastodynamic FMBEM in two directions. Firstly, the time-harmonic elastodynamic ML-FMBEM formulation has been extended to the case of weakly dissipative viscoelastic media. Secondly, the FMBEM and the Finite Element Method (FEM) have been coupled to take advantage of the versatility of the FEM to model complex geometries and non-linearities while the FM-BEM accounts for wave propagation in the surrounding unbounded medium. In this thesis, we consider two strategies for coupling the FMBEM and the FEM to solve three-dimensional time-harmonic wave propagation problems in unbounded domains. The main idea is to separate one or more bounded subdomains (modelled by the FEM) from the complementary semi-infinite viscoelastic propagation medium (modelled by the FMBEM) through a non-overlapping domain decomposition. Two coupling strategies have been implemented and their performances assessed and compared on several examples

EDF exploite sur son parc de production de nombreuses machines électriques tournantes. Les contraintes thermiques subies par celles-ci engendrent des échauffements locaux qui nuisent à leur intégrité. Le présent travail contribue à fournir des méthodes de calcul adaptées à la détection et à la localisation des points chauds. Il participe à améliorer la compréhension des écoulements en rotation et leurs effets sur les transferts thermiques. Plusieurs dispositifs expérimentaux, de complexité ascendante, ont été utilisés pour comprendre et valider les simulations numériques. Une première étude sur une marche descendante (demi-pôle) parcourue par un jet de paroi non-confiné a mis en avant des différences par rapport à un jet confiné ; ces deux cas existent dans un alternateur. Une seconde étude menée sur une cavité tournante confinée a analysé l’impact d’un écoulement de Taylor-Couette-Poiseuille sur la température et la position des points chauds créés, en balayant l’ensemble des régimes d’écoulement. Ces études ont mis en exergue une première méthode de calcul fiable, fondée sur l’étude numérique CHT. Une autre méthode, basée sur la FEM couplée à une méthode inverse, a été testée sur une maquette d’alternateur hydraulique afin de pallier aux temps de calcul longs de la première. Cette méthodologie remonte aux coefficients d’échanges convectifs numériques à partir des mesures du champ thermique du rotor, mais n’est envisageable que lorsque l’on dispose de données expérimentales suffisantes. Ces travaux ont aussi mis en évidence de nouvelles techniques de mesures sans contact, comme l’utilisation d’un pyromètre à haute fréquence pour la mesure de température sur des machines tournantes. / EDF operates a large number of electrical rotating machines in its electricity generation capacity. Thermal stresses which affect them can cause local heating, sufficient to damage their integrity. The present work contributes to provide methodologies for detecting hot spots in these machines, better understanding the topology of rotating flows and identifying their effects on heat transfer. Several experimental scale model were used by increasing their complexity to understand and validate the numerical simulations. A first study on a turbulent wall jet over a non-confined backward-facing step (half-pole hydrogenerator) notes significant differences compared to results from confined case : both of them are present in an hydrogenerator. A second study was done on a small confined rotating scale model to determinate the effects of a Taylor-Couette-Poiseuille on temperature distribution and position of hot spots on the heated rotor, by studying the overall flow regimes flow. These studies have helped to obtain a reliable method based on conjugate heat transfer (CHT) simulations. Another method, based on FEM coupled with the use of an inverse method, has been studied on a large model of hydraulic generator so as to solve the computation time issue of the first methodology. It numerically calculates the convective heat transfer from temperature measurements, but depends on the availability of experimental data. This work has also developped new no-contact measurement techniques as the use of a high-frequency pyrometer which can be applied on rotating machines for monitoring temperature.

During the insert process when the windings of an electric motor are pushed into the stator slots, some detrimental phenomena can occur that affect the efficiency and life of the motor. To detect these phenomena and optimize the process, a simulation would be useful. An investigation of the possibility to perform a simulation, using an appropriate numerical method for the insert process of distributed windings in a permanent magnet synchronous motor, was performed. During the project, a literature study was carried out to investigate existing methods and key-parameters for the simulation of the process. Explicit finite element method has been shown to be a suitable numerical method for simulating another winding process. An explicit finite element analysis was performed with a simplified model of the stator, the wires, the transmission tool and the needles by using the software Abaqus/CAE. In order to reduce the computational time, beam elements were used to model the wires and the other parts as rigid bodies. The model accounted for example contact and provided numerical results. The result was a suitable model. However, it needs to be developed further.

Le traitement endovasculaire des anévrismes de l’aorte (Endovascular Aneurysm Repair ou EVAR) est une chirurgie mini-invasive qui consiste à faire glisser une endoprothèse par voie fémorale jusqu’au niveau de l’anévrisme afin de re-canaliser le flux sanguin. Les principales complications qui peuvent survenir sont les phénomènes de migration et d’endofuites (écoulement persistant de sang dans le sac anévrismal) de type Ia. Ces phénomènes apparaissent lorsque l’étanchéité n’est plus assurée entre l’extrémité proximale de l’endoprothèse et le vaisseau sanguin. Dans ce travail, des simulations paramétrées de déploiement complet d’un système de pose de stent ont été développées en utilisant la Méthode des Éléments Finis (FEM) afin d’étudier la stabilité du contact lors du largage d’une endoprothèse en nitinol dans un Anévrisme de l’Aorte Thoracique (AAT) réaliste. Les facteurs suivants associés à ces complications ont été étudiés : (1) la longueur de la zone de fixation proximale (PASL), (2) la valeur de surdimensionnement ou « oversizing » du stent (O %), (3) la valeur du coefficient de frottement entre le stent et l’aorte (µ) et (4) l’angulation du collet proximal. L’influence de la présence de calcifications sur le comportement biomécanique de l’endoprothèse lors de son déploiement dans les zones de fixation a également été analysée. Les résultats des simulations ont montré qu’une PASL supérieure à 18 mm est un facteur décisif pour éviter la migration de l’endoprothèse pour une angulation du collet de l’anévrisme de 60° et dans des conditions de contact glissant (µ=0,05). L’augmentation de la valeur de l’oversizing de 10 % à 20 % améliore la résistance de la fixation de la prothèse. En revanche, un oversizing supérieur à 25 % pour une angulation du collet de 60° entraine des déformations excentriques ainsi que la ruine du stent. D’autre part, aucune migration n’a été observée dans un modèle d’aorte idéalisé où l’angulation du collet était de 0°, la PASL de 18 mm et le coefficient de frottement µ de 0,05. Afin d’améliorer le contact et de prévenir l’apparition de phénomènes de migration et d’endofuite de type Ia chez des patients présentant une aorte tortueuse et calcifiée avec un anévrisme fortement angulé, un nouveau design de stent a été proposé, basé sur les résultats des simulations numériques effectuées. La principale difficulté était de trouver un compromis entre flexibilité et raideur. Les résultats des simulations réalisées avec ce nouveau stent ont montré une amélioration de la stabilité de contact, ce qui a pour effet de limiter l’apparition des phénomènes de migration et donc de réduire les complications liées à la procédure endovasculaire. / The main mechanical related problems of endovascular aneurysm repair are migration and endoleak type Ia. They occur when there is no effective seal between the proximal end of stent-graft and the vessel. In this work, we have developed parameterized-deployment simulations of a complete stenting system using finite element method (FEM) to investigate the contact stiffness of a nitinol stent in a realistic Thoracic Aortic Aneurysm (TAA). Therefore, the following factors associated with these complications have evaluated: (1) Proximal Attachment Site Length (PASL), (2) stent Oversizing value (O %), (3) different contact friction situations (stent/aorta) and (4) proximal neck angulation. The calcification impact on the biomechanical behaviour of the deployment at the attachment zone has also been investigated. The simulation results showed that PASL>18mm was a crucial factor to prevent migration at a neck angle of 60⁰and smoothest contact condition (μ=0.05). The increase in (O %) ranging from 10% to 20% improved the fixation strength; however, O % ≥ 25% at 60° caused eccentric deformation and stent collapse. No migration was reported in an idealized aorta model with a neck angle of 0⁰, PASL=18mm and μ=0.05. The numerical observations are used as a guide to optimize the stent design in such neck morphology to strengthen the contact and prevent migration or endoleak type Ia. The optimized stent results showed better contact stability to resist the migration. They also showed a good compromise of stent design requirements (flexibility and stiffness). Moreover, the new design can also prevent the risk of folding or collapse of stent struts by mitigating the energy of eccentric deformation caused by high angulation and oversizing.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Bereitstellung eines geeigneten Simulationswerkzeuges für die numerische Untersuchung der beim Rollkontakt zwischen Rad und Schiene auftretenden Phänomene. Hierbei liegt das Hauptaugenmerk auf der kontinuumsmechanischen Formulierung des mechanischen Feldproblems kontaktierender Körper sowie dessen numerischer Lösung mittels der Finite-Element-Methode. Zur Reduzierung des bei der Simulation von Rollkontakt aus der notwendigen sehr feinen Diskretisierung der Kontaktgebiete resultierenden numerischen Aufwandes wird eine relativkinematische Beschreibung herangezogen. Diese gemischte LAGRANGE-EULER-Betrachtungsweise beruht auf der Zerlegung der Bewegung in einen Starrkörperanteil und eine dazu relative Deformation. Die Herleitung der Bewegungsgleichung für das Kontaktproblem erfordert die relativkinematische Formulierung der kontinuumsmechanischen Grundgleichungen, d.h. der Bilanzgleichungen sowie der konstitutiven Beziehungen. Eine geeignete Kontaktmechanik einschließlich der Berücksichtigung des Kontakts rauer Oberflächen und veränderlicher Kontaktrandbedingungen ist ebenfalls notwendig. Die physikalische Einbindung der Körper in die Umgebung erfolgt über NEUMANNsche und DIRICHLETsche Randbedingungen. Auf dieser Basis können die Bewegungsgleichungen der Elastomechanik hergeleitet werden, welche sich jedoch einer analytischen Lösung verschließen. Somit werden sie in ihrer schwachen Form im integralen Mittel formuliert, was der Anwendung des Prinzips der virtuellen Verschiebungen als Ausgangspunkt für die numerische Lösung entspricht. Die rechentechnische Umsetzung erfordert die inkrementelle und diskrete Formulierung der Bewegungsgleichungen unter besonderer Beachtung der Trägheits-und Kontaktterme, wobei auf die Unterscheidung zwischen Haften und Gleiten beim Tangentialkontakt besonderes Augenmerk gelegt wird. Die numerische Lösung des Finite-Element-Gleichungssystems liefert den aktuellen Beanspruchungszustand zweier Körper im Rollkontakt. Die Funktionsfähigkeit der entwickelten Algorithmen wird abschließend anhand aussagekräftiger Beispielrechnungen zum statischen Kontakt und zum stationären Rollkontakt demonstriert, deren Ergebnisse gute Übereinstimmung mit analytischen Vergleichslösungen, soweit verfügbar, aufweisen. / Scope of this work is the preparation of a suitable simulation tool for the numerical investigation of rolling contact phenomena. The main focus lies on the continuum–mechanical formulation of the mechanical field problem of contacting bodies and its numerical solution within the framework of the Finite Element Method. For reducing the numerical effort in rolling contact simulation, induced by the necessity of a very fine discretization within the expected contact area, a relative–kinematical description is utilized. This arbitrary LAGRANGian–EULERian approach is based upon the decomposition of the total motion into a rigid body motion and a superimposed deformation. The derivation of the equation of motion for the contact problem requires the relative–kinematical formulation of the continuum–mechanical fundamental equations, i. e. the balance equations and the constitutive relations. A suitable contact model including the contact of rough surfaces and varying contact boundary conditions is also necessary. The physical embedding into the environment is accomplished by NEUMANN and DIRICHLET boundary conditions. Based upon that foundation the elastomechanics’ equations of motion are derived, which however can not be solved analytically in general. Hence, the equations of motion are transferred into their weak form by the application of the principle of virtual displacements serving for the numerical solution. The implementation of the problem demands for an incremental and discrete formulation of the equations, especially regarding the terms of inertia and the contact terms. Thereby, special attention has to be paid to the distinction between sticking and sliding within the framework of the tangential contact analysis. The numerical solution of the finite elements’ system of equations provides the state of stress, displacement and contact of two bodies in rolling contact. The reliability of the developed algorithms is finally verified by means of meaningful numerical examples for both static contact and for stationary rolling contact, whereby the numerical results coincide well with available analytical reference solutions.

In the present thesis the crack propagation in the ductile-brittle transition region is studied on two scales with deterministic models. In the macroscopic model the ductile failure is described by a non-local Gurson-model whereas the discrete void microstructure is resolved around the crack tip in the microscopic model. The failure by cleavage is not evaluated by means of a post-processing criterion but is modeled equivalently using a cohesive zone model on both scales. Thus, cleavage is not a priori identified with unstable crack propagation but the transition between stable and unstable mode of propagation is a result of the simulation. The problem of handling completely failed material within the framework of non-local damage models is pointed out. A method to overcome this problem is proposed and successfully applied. The case of contained plastic yielding at the crack tip is addressed with a modified-boundary layer model. The macroscopic simulations reproduce many features which are known from experiments like the formation of stretch zones, cleavage after initial ductile tearing, pop-ins with crack arrest, among others. The microscopic simulations substantiate the understanding of the macroscopically observed behavior. Systematic parameter studies are performed. Starting with considerations on the limit cases like pure ductile failure or the lower-ductile brittle transition region allows to separate the effects of the different constitutive parameters. Based on these results, a methodology is proposed to extract the macroscopic material parameters from experiments. This scheme is successfully applied to experimental data from literature. The results show that the behavior of a low-constraint specimen can be reliably predicted with the parameters extracted from a high-constraint specimen. / In der vorliegenden Arbeit wird die Rissausbreitung im spröd-duktilen Übergangsbereich auf zwei Skalen mittels deterministischer Modelle untersucht. Das duktile Versagen wird im makroskopischen Modell durch ein nichtlokales Gurson-Modell beschrieben, während im mikroskopischen Modell die Porenmikrostruktur im Bereich um die Rissspitze diskret aufgelöst wird. Das mögliche Versagen durch Spaltbruch wird nicht, wie üblich, nachträglich durch ein spannungsbasiertes Kriterium bewertet. Stattdessen wird der Spaltbruch auf beiden Skalen durch ein Kohäsivzonenmodell abgebildet. Somit wird die Spaltbruchinitiierung nicht a priori mit instabiler Rissausbreitung gleichgesetzt. Vielmehr ist die Stabilität der Rissausbreitung ein Ergebnis der Simulationen. Außerdem wird das Problem der der Handhabung vollständig ausgefallenen Materials im Rahmen nichtlokaler Schädigungsmodelle herausgestellt. Es wird eine Methode vorgestellt, dieses Problem zu behandeln und erfolgreich angewendet. In den Simulationen wird der Fall vollständig eingebetteten, plastischen Fließens untersucht. Die Simulationen mit dem makroskopischen Modell geben viele Effekte wieder, die aus Experimenten bekannt sind. Dazu zählen die Ausbildung von Stretchzonen, die Spaltbruchinitiierung nach anfänglichem, duktilem Reißen oder lokale Instabilitäten mit Rissarrest. Die mikroskopischen Simulationen tragen zum Verständnis des makroskopisch beobachteten Verhaltens bei. In der vorliegenden Arbeit werden systematische Parameterstudien durchgeführt. Zunächst werden Grenzfälle wie das rein duktile Versagens oder der Spaltbruch in Abwesenheit der Mikroporen untersucht, um die Einflüsse der einzelnen Materialparameter abzugrenzen. Ausgehend von diesen Ergebnissen wird eine Prozedur vorgeschlagen, die Materialparameter des makroskopischen Modells Schritt für Schritt aus Experimenten zu bestimmen. Diese Prozedur wird erfolgreich auf experimentelle Daten aus der Literatur angewendet. Die Ergebnisse zeigen, dass es das entwickelte Modell erlaubt, das Verhalten einer Bruchmechanikprobe mit geringer Dehnungsbehinderung an der Rissspitze mit denjenigen Materialparametern vorherzusagen, die an Proben mit einer hohen Dehnungsbehinderung ermittelt wurden.

High demands are set on all equipment used in emergency service work, where small margins can be the distinguishing factor between life and death during a rescue operation. It is important that tools such as ladders quickly and easily can be dismounted from a vehicle and still satisfy the regulatory requirements for securing loads during transport. The existing solution for getting ladders down from the roof of a fire engine requires a large manual effort from the user in an ergonomically unsound posture. In this degree project a new ladder holder is developed with focus on the user to solve the ergonomic problems and at the same time create a more compact design that can be adapted to several different types of ladders. After an initial pre-study with user-interviews and measurement of forces and distances a set of requirements was formulated that came to govern the project's direction. Creative methods were used to generate concepts that improved the function and through design solutions, calculations and testing in CAD a base for manufacturing of a new product was created. The result is a completely new type of ladder holder that minimizes the user's manual effort and simplifies the securing of ladders in the holder. Measures have been taken to reduce material usage and manufacturing cost, while aiming for reliability and durability. Further development and construction of physical prototypes is needed before the new ladder holder can go into production. / Höga krav ställs på all utrustning som används vid räddningstjänstens arbete, då små marginaler kan vara skillnaden mellan liv och död under en utryckning vid olycka. Det är viktigt att verktyg såsom stegar snabbt och enkelt kan monteras av från ett fordon och samtidigt uppfyller lagkrav för säkring av last under färd. Den existerande lösningen för att få ned stegar från taket på en brandbil kräver en stor manuell kraftansträngning från användaren i en oergonomisk arbetsställning. I detta examensarbete utvecklas en ny steghållare med användaren i fokus för att lösa de ergonomiska problemen och samtidigt skapa en mer kompakt konstruktion som kan anpassas till flera olika typer av stegar. Efter en inledande förstudie med användarintervjuer och mätning av krafter och avstånd formulerades en kravspecifikation som kom att styra projektets inriktning. Kreativa metoder användes för att generera koncept som förbättrade funktionen och via konstruktionslösningar, beräkningar och tester i CAD skapades ett tillverkningsunderlag för en ny produkt. Resultatet är en helt ny typ av steghållare som minimerar användarens manuella kraft-ansträngning och förenklar låsningen av stegarna i hållaren. Åtgärder har tagits för att minska materialåtgång och tillverkningskostnad samtidigt som pålitlighet och hållfasthet har eftersträvats. Mer utveckling och konstruktion av fysiska prototyper är nödvändig innan den nya steghållaren kan gå i produktion.

Detta examensarbete har utförts på Fläktwoods AB i Växjö, som producerar stora axialfläktar för olika industriapplikationer. Syftet är att öka kunskapen om fettsmorda axiella kullager genom FE analyser. Projektet har genomförts i fem delsteg för att avgöra påverkan av en eller några få parametrar i taget. De studerade parametrarna är: elementstorlek, kontaktstyvhet, last, lagergeometri (dvs. oskulation), ickelinjär geometri och ickelinjära materialegenskaper (dvs. plasticitet). Slutsatsen är att elementstorleken bör väljas fint nog för att ge ett jämnt resultat men grovt nog för att beräkningstiden skal vara rimlig. Kontaktstyvheten har inte stor, men tydlig, inverkan på kontakttrycket och penetrationen. Förändringar av oskulationen leder till förändringar i kontaktellipsens form medan olika laster inte påverkar formen på ellipsen, utan snarare storleken. När det handlar om plasticitet är sträckgränsen den viktigaste faktorn att beakta. / This thesis project was carried out at Fläktwoods AB in Växjö who produces large axial fans for different industry applications. The purpose is to increase the knowledge of grease lubricated axial ball bearings through FE analyses. The project was executed into five sub steps to determine the influence of one or few parameters at a time. The studied parameters are: mesh density, contact stiffness, load, bearing geometry (i.e. osculation), geometrical nonlinearity and material nonlinearity (i.e. plasticity). It is concluded that the mesh density should be selected fine enough to give a smooth result but course enough to give a reasonable calculation time. The contact stiffness has not a major, but a clear, impact on the contact pressure and penetration. Changes of the osculation lead to changes of the contact ellipse shape and applying different load level does not affect the shape of the ellipse but rather the size. When dealing with plasticity the yield strength is the most important factor to take in consideration.

The interest in using finite element analysis (FEA) as a product development tool is present within IKEAof Sweden (IoS). To gain additional support from within IoS a project was issued to identify the meritsand demerits of FEA. This was done by applying FEA to optimise an existing product, namely theEktorp sofa frame. Three important questions are addressed in this report: • How can the finite element method efficiently and reliably be applied to improve an existingproduct? • What types of improvements can be anticipated from using the finite element method andhow can these be achieved? • What products are suitable to be developed with the use of FEA? As the sofa frame mainly consists of wood a literature study is conducted to answer several questionsregarding the use of wood in conjunction with FEA. Real life tests are performed to verify acquiredmaterial data. The original design is analysed with FEA to act as reference for newer concepts and also to identifyareas of improvement. Additional design tools are also applied to complement the FEA. Concepts are generated to improve a number of factors such as weight, number of components andcost. These concepts are analysed with FEA to be compared to the original design and incrementallychanged until meeting set requirements. A final concept where the cost, weight and number of components are reduced is thoroughlydescribed and presented as a CAD model. The final result is the Ektorp sofa frame with its weightreduced by 10.9%, number of components reduced by 18.2% and material cost reduced by 13.4%. The conclusion from this process is that FEA can efficiently and reliably be applied to improve anexisting product. This, however, requires thorough knowledge in FEA. Strength, weight and cost arethe most obvious factors that can benefit from the use of FEA while almost all design changes canbenefit indirectly as well. Almost any product can benefit from the use of FEA; however, severalfactors decide the efficiency and reliability of these analyses, such as analysis experience and productcomplexity. / Det finns ett intresse för att använda finita element analyser (FEA) som ett produktutvecklingsverktygpå IKEA of Sweden (IoS). För att få ett ökat stöd inom IoS skapades ett projekt där för och nackdelarnamed FEA kan identifieras. Detta projekt baserades på att optimera en existerande produkt, nämligenEktorp soffans ram. Tre viktiga frågor behandlas i och med detta projekt: • Hur kan finita element metoden appliceras på ett effektivt och tillförlitligt sätt för att optimeraen existerande produkt? • Vilka typer av förbättringar kan man förvänta sig genom att använda finita element metodenoch hur uppnås dessa? • Vilka produkter lämpar sig att utvecklas med hjälp av FEA? Eftersom soffans ram till större delen består av trä inleds en litteraturstudie för att besvara frågor somberör användandet av trä i samband med FEA. Verkliga tester utförs för att verifiera insamladematerialdata. Originalkonstruktionen analyseras med FEA för att skapa en referens till kommande koncept och ävenför att identifiera möjliga förbättringsområden. Flera designverktyg används för att komplettera FEA. Koncept genereras för att förbättra en rad faktorer såsom vikten, antalet komponenter och kostnaden.Dessa koncept analyseras med FEA och jämförs mot originalkonstruktionen för att förbättrasinkrementellt tills det att fastställda krav uppfylls. Ett slutgiltigt koncept där kostnad, vikt och antalet komponenter är minskat beskrivs i detalj ochpresenteras som en CAD modell. Det slutgiltiga resultatet är Ektorp-soffans ram där vikten ärreducerad med 10,9%, antalet komponenter reducerade med 18,2% och materialkostnadernareducerade med 13,4%. Slutsatsen från projektet är att FEA kan appliceras på ett effektivt och tillförlitligt sätt för att förbättraen existerande produkt. Detta kräver dock omfattande kunskap inom FEA. Hållfasthet, vikt ochkostnad är de mest uppenbara parametrar som kan tjäna på användandet av FEA medan nästan allakonstruktionsändringar kan dra nytta av FEA indirekt. Nästan alla produkter kan dra nytta av FEA, detfinns dock en rad faktorer som avgör hur pass effektiva och tillförlitliga analyserna blir. Exempel pådessa är användarerfarenhet och produktkomplexitet.