有限元法仍是失效分析的利器。
合格还是不合格:用FEA研究十八种不同的压缩机顶盖。左侧顶盖的螺栓应力均匀,在建议值范围之内。右侧螺栓应力不均匀,出现扭矩,且应力超出建议值范围。 Herrera, Stafford, and Associates(HS&A)的法医工程师在实验室中针对Texas油井压缩机顶盖失效进行了分析,一系列试验之后,得到结论——都是扳手惹的祸。经过返修之后,压缩机重新启动,结果顶盖失效,释放天然气,引起爆炸,造成数名工人受伤以及数百万美元的财产损失。检测表明事故是扳手操作员造成的,他用力太大了,这可以用有限元分析法进行验证。
操作工人并没有使用建议选用的扭矩扳手上紧封盖螺栓,而是使用气动扳手上紧封盖螺栓。实验室用一把类似的扳手进行了实验,表明送入20psi的空气就可以得到建议扭矩值(80 ft lbs)。返修操作过程中还出现了几个其他的错误,包括没有给螺杆/螺帽上油润滑,没有同样旋紧所有八枚螺栓、以及没有选用建议使用的旋紧顺序。
测试员:Herrera, Staffordand and Associates的工程师Anselmo Najera正在进行压缩机头部封盖的失效分析。 但是要确认导致事故的原因是旋紧螺栓时用力过大,而不是设计或制造上的缺陷,这是非常严肃的问题,因为这将判断是否有连带责任。所以,HS&A的工程师又再次使用经典的有限元分析软件Algor来验证物理实验。
Anselmo Najera是HS&A的设计分析工程师,他说,为了模拟封盖与封盖铝封之间的摩擦力,工程师创建了结构化网格模型,以便准确确定负荷与约束条件的节点位置。Anselmo Najera构建 >>了一个薄模层,包括若干个元素,然后赋给它比较低的材料物性,所以薄模层能很容易地变形。
对于所有的模型,Anselmo Najera全部限定铝封,并选用制造商提供的材料特性。必须要考虑的负载条件是将封盖固定到位的施给螺栓的力,以及压缩机的压强。Najera考虑了从1,024磅到15,000磅的各种不同的螺栓应力负载。同时,他还考虑到并不是所有螺栓的受力都是相同的。他把压缩机的最大压强600psi加到大多数模型的圆形面的内表面。一共分析了十八种不同的模型。对于每一个线性静态应力模型,他都要观察最大主应力,然后将其与材料的屈服应力进行比较。此外,他还查找了应力集中的区域。
Najera说:“我们发现沟槽和顶盖圆形面的不对称性都不是事故的主要原因,事故的主要原因固定螺栓的外力。”
实验样本:这里展示的是Herrera, Stafford工程师研究失效原因用的样本。在事故现场已经无法找到圆形的封盖了。 Herrera, Stafford工程师利用FEA解决设计问题的其他项目还有,确定为什么某家公司灯泡的灯丝总是烧断,以及重现交通事故的项目。
尽管在优化产品设计时,选用有限元分析的情况与日俱增,但是HS&A用到了FEA方法的精髓。Suchit Jain是SolidWorks公司COSMOS FEA软件的具体实施者,他主持开发了OSMOS FEA软件,并将其推向市场。Suchit Jain说:“有限元分析的典型应用是用于验证物理实验的结果,实验本身并不能解释为什么会失效,而用有限元法却可以得到更多的数据用于分析问题。”