Hydraulic valves for mobile applications are subjected to in-service fatigue loadings owing to the time-variant pressure regimes. Given the general tendency of extending the operating pressure range, fatigue issues may become of primary concern. Therefore, this paper aims at assessing the fatigue strength of an hydraulic main valve by using a local approach based linear elastic finite element (FE) analyses and appropriate fatigue testing of laboratory specimens. The linear elastic Strain Energy Density averaged in a properly defined material structural volume (i.e. the SED approach) has been selected among the local approaches available in the technical literature. According to the approach, the material fatigue strength is made to depend on the averaged SED parameter, which is evaluated from a linear elastic FE analysis and is compared with the fatigue design curve determined by means of fatigue tests on laboratory specimens. The size of the structural volume, where the SED parameter is to be averaged, is thought of as a material property and results from the material fatigue characterisation. In the present case study, plain and notched specimens made of EN-GJS 500-7 have been prepared from separately cast Y-blocks as well as from real main valve components for evaluating the influence of the manufacturing process and specimens of EN-GJL 300 for future developments. Fatigue tests have been performed under a nominal load ratio (i.e. the ratio between the minimum and maximum applied loads) approximately equal to zero by using a standard servo-hydraulic testing machine equipped with a 15 kN load cell and a digital controller. In order to evaluate the control ratio, and so the structural volume where the SED is defined, an iterative method is used. The method is based on FEM analysis on the notched specimens, in order to overtake the material's matrix discontinuity, and is stopped when the SED evaluate at 5E6 cycles is the same in the 2 series of specimen. Linear elastic finite element analyses have been performed in the hydraulic valve to evaluate the local stresses and assess the fatigue strength. This model is evaluated choosing 8 external points of the valve and comparing the local deformation evaluate by FEM with the sperimental ones evaluate using 8 strain gauge connected in a quarter bridge. Eventually, the theoretical fatigue life estimations have been validated by comparison with experimental results of constant amplitude fatigue tests performed on real valve components by using dedicated closed-loop controlled test benches.

Le valvole idrauliche per applicazioni mobili sono soggette a carichi di fatica in servizio a causa di pressione variabili nel tempo. Data la tendenza generale ad estendere l'operatività gamma di pressione, i problemi di fatica possono diventare di primaria preoccupazione. Pertanto, questa tesi mira a valutare la resistenza a fatica di una valvola idraulica utilizzando un approccio locale basato su analisi agli elementi finiti (FE) lineari elastici e prove di fatica appropriate di laboratorio. La densità di energia di deformazione elastica lineare mediata in un materiale strutturale adeguatamente definito volume (cioè l'approccio SED) è stato selezionato tra gli approcci locali disponibili in letteratura. Secondo l'approccio, la resistenza a fatica del materiale è funzione del parametro SED mediato, che viene valutato da un'analisi FE elastica lineare e viene confrontato con la curva di progetto a fatica determinata mediante prove di fatica su campioni di laboratorio. La dimensione del volume strutturale, dove deve essere mediato il parametro SED, è pensato come una proprietà materiale e risulta determinato dalla caratterizzazione del materiale a fatica. Nel presente caso di studio, sono stati campioni semplici e intagliati realizzati con EN-GJS 500-7 preparato da blocchi a Y fusi separatamente e da veri componenti della valvola principale per valutare l'influenza del processo produttivo e campioni in EN-GJL 300 per eventuali sviluppi futuri. Sono stati eseguiti test di fatica sotto un rapporto di carico nominale (cioè il rapporto tra il carico minimo e massimo applicato) circa uguale a zero utilizzando una macchina di prova servo-idraulica standard equipaggiata con cella di carico da 15 kN e controllore digitale. Si è utilizzato un metodo iterativo per determinare il raggio di controllo del volume strutturale ove applicare il metodo del SED mediato, utilizzando analisi FEM sui provini intagliati, per ovviare alla discontinuità della matrice del materiale, e modificando tale raggio fino ad eguagliare il SED mediato a 5E6 cicli. Sono state effettuate analisi agli elementi finiti lineari elastici sul componente oleodinamico per valutare le sollecitazioni locali e valutare la resistenza a fatica. Tale modello è stato validato scegliendo 8 punti esterni al componente e confrontando le deformazioni locali ricavate da FEM con quelle sperimentali ricavate da 8 estensimetri collegati a quarto di ponte. Infine, le stime teoriche della vita a fatica sono state validate per confronto con quelle sperimentali, ricavate da prove di fatica ad ampiezza costante eseguite su componenti reali di valvole utilizzando banchi prova dedicati controllati ad anello chiuso.

Sviluppo di metodi per la previsione della durabilità strutturale in esercizio di componenti oleodinamici

CIARDO, FILIPPO
2021/2022

Abstract

Hydraulic valves for mobile applications are subjected to in-service fatigue loadings owing to the time-variant pressure regimes. Given the general tendency of extending the operating pressure range, fatigue issues may become of primary concern. Therefore, this paper aims at assessing the fatigue strength of an hydraulic main valve by using a local approach based linear elastic finite element (FE) analyses and appropriate fatigue testing of laboratory specimens. The linear elastic Strain Energy Density averaged in a properly defined material structural volume (i.e. the SED approach) has been selected among the local approaches available in the technical literature. According to the approach, the material fatigue strength is made to depend on the averaged SED parameter, which is evaluated from a linear elastic FE analysis and is compared with the fatigue design curve determined by means of fatigue tests on laboratory specimens. The size of the structural volume, where the SED parameter is to be averaged, is thought of as a material property and results from the material fatigue characterisation. In the present case study, plain and notched specimens made of EN-GJS 500-7 have been prepared from separately cast Y-blocks as well as from real main valve components for evaluating the influence of the manufacturing process and specimens of EN-GJL 300 for future developments. Fatigue tests have been performed under a nominal load ratio (i.e. the ratio between the minimum and maximum applied loads) approximately equal to zero by using a standard servo-hydraulic testing machine equipped with a 15 kN load cell and a digital controller. In order to evaluate the control ratio, and so the structural volume where the SED is defined, an iterative method is used. The method is based on FEM analysis on the notched specimens, in order to overtake the material's matrix discontinuity, and is stopped when the SED evaluate at 5E6 cycles is the same in the 2 series of specimen. Linear elastic finite element analyses have been performed in the hydraulic valve to evaluate the local stresses and assess the fatigue strength. This model is evaluated choosing 8 external points of the valve and comparing the local deformation evaluate by FEM with the sperimental ones evaluate using 8 strain gauge connected in a quarter bridge. Eventually, the theoretical fatigue life estimations have been validated by comparison with experimental results of constant amplitude fatigue tests performed on real valve components by using dedicated closed-loop controlled test benches.
2021
Development of methods for structural durability prediction on working hydraulic components
Le valvole idrauliche per applicazioni mobili sono soggette a carichi di fatica in servizio a causa di pressione variabili nel tempo. Data la tendenza generale ad estendere l'operatività gamma di pressione, i problemi di fatica possono diventare di primaria preoccupazione. Pertanto, questa tesi mira a valutare la resistenza a fatica di una valvola idraulica utilizzando un approccio locale basato su analisi agli elementi finiti (FE) lineari elastici e prove di fatica appropriate di laboratorio. La densità di energia di deformazione elastica lineare mediata in un materiale strutturale adeguatamente definito volume (cioè l'approccio SED) è stato selezionato tra gli approcci locali disponibili in letteratura. Secondo l'approccio, la resistenza a fatica del materiale è funzione del parametro SED mediato, che viene valutato da un'analisi FE elastica lineare e viene confrontato con la curva di progetto a fatica determinata mediante prove di fatica su campioni di laboratorio. La dimensione del volume strutturale, dove deve essere mediato il parametro SED, è pensato come una proprietà materiale e risulta determinato dalla caratterizzazione del materiale a fatica. Nel presente caso di studio, sono stati campioni semplici e intagliati realizzati con EN-GJS 500-7 preparato da blocchi a Y fusi separatamente e da veri componenti della valvola principale per valutare l'influenza del processo produttivo e campioni in EN-GJL 300 per eventuali sviluppi futuri. Sono stati eseguiti test di fatica sotto un rapporto di carico nominale (cioè il rapporto tra il carico minimo e massimo applicato) circa uguale a zero utilizzando una macchina di prova servo-idraulica standard equipaggiata con cella di carico da 15 kN e controllore digitale. Si è utilizzato un metodo iterativo per determinare il raggio di controllo del volume strutturale ove applicare il metodo del SED mediato, utilizzando analisi FEM sui provini intagliati, per ovviare alla discontinuità della matrice del materiale, e modificando tale raggio fino ad eguagliare il SED mediato a 5E6 cicli. Sono state effettuate analisi agli elementi finiti lineari elastici sul componente oleodinamico per valutare le sollecitazioni locali e valutare la resistenza a fatica. Tale modello è stato validato scegliendo 8 punti esterni al componente e confrontando le deformazioni locali ricavate da FEM con quelle sperimentali ricavate da 8 estensimetri collegati a quarto di ponte. Infine, le stime teoriche della vita a fatica sono state validate per confronto con quelle sperimentali, ricavate da prove di fatica ad ampiezza costante eseguite su componenti reali di valvole utilizzando banchi prova dedicati controllati ad anello chiuso.
corpo valvola
fatica di ghisa GJS
fatica di ghisa GJL
analisi sperimentale
analisi FEM
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/20.500.12608/29658