Developing a python-based fatigue tool using the critical plane method

Abstract

Diese Arbeit stellt ein Problem des Dauerfestigkeitsversagens von Federn in Kolbenkompressoren vor. Aufgrund von zufälligen Bewegungen des Kompressors, die einem nicht-konstanten, nicht-proportionalem Lastprofil entsprechen, werden fortgeschrittene Methoden der Dauerfestigkeitsanalyse benötigt. Basierend auf verfügbarer Literatur wird das \acf{cpm} ausgewählt, die sich gut für eine Softwareimplementierung eignet. In Kombination mit einer \acf{fem} Spannungsanalyse stellt dies eine gute Basis für eine Dauerfestigkeitsanalyse dar, die auf der lokalen Spannung basiert. Ein objektorientiertes Tool für Dauerfestigkeitsanalyse ist konzeptualisiert und in Python implementiert. Das systematische Testen und Validierung erfolgt mittels Test-Beispielen steigender Komplexität. Ihre klassen- und objektbasierte Struktur ermöglicht zukünftige Erweiterungen der Funktionalität. Schlussendlich werden zwei realitätsnahe Anwendungsbeispiele, eine Kompressor-Kurbelwelle und eine Feder, vorgerechnet, um sowohl eine vereinfachte, als auch eine vollständige Dauerfestigkeitsanalyse zu demonstrieren

The present thesis presents a problem of fatigue failure in suspension springs of reciprocating compressors. Due to random displacements that equate to a non-constant, non-proportional loading profile, an advanced fatigue evaluation method is necessary. Based on available literature the \acf{cpm} is chosen for this purpose, being especially well-suited for a software implementation. In conjunction with a \ac{fem} stress analysis it forms a good basis for local stress based fatigue evaluation methods. An object-oriented fatigue tool is conceptualized and subsequently implemented in Python. It is systematically tested and validated on cases of increasing complexity. Its class- and object-based structure enables future extensions of functionality.Finally, real-life use cases of a compressor crankshaft and compressor spring are presented to showcase the use of the tool for a simplified and a full fatigue evaluation process.