Digital Twin for composite materials

Abstract

En Digital Tvilling (Digital Twin) ble utviklet for å kalkulere skade fra kryp og utmatting på grunn av en-akset belastning i plastkomponenter. Den Digitale Tvillingen gjorde en kvantitativ analyse av skaden som oppstår på bakgrunn av historisk belastning, temperatur og fuktighetsnivå.

Kryp ble regnet ut basert på lineær viskoelastisk teori. Utmattingssykluser ble ekstrahert fra en belastningshistorie ved hjelp av Rainflow counting algoritmen. Skaden fra hver syklus ble regnet ut fra en referanse S-N kurve. Lineær viskoelastisk teori ble brukt for å tilpasse referansekurven til nye temperatur og fuktighetsnivåer. Miners skaderegel ble brukt for å summere skaden fra hver inviduelle syklus.

Det ble bekreftet at utregningene til Digitale Tvillingen stemte overens med den underliggende teorien ved å sammenligne de med ulike referansetilfeller. Utregningene tilden Digitale Tvillingen stemte overens med tilgjengelige eksperimentelle data, utenom utmattingsmotstanden for en polymer som var mettet med vann. I dette tilfellet ble utmattingsstyrken underestimert.

Den Digitale Tvillingen ble videre undersøkt for en rekke hypotetiske tilfeller, inkludert ulykker, vedlikeholdsintervaller og gradvis nedadgående belastninger. Det ble også demonstrert hvordan den Digitale Tvillingen kan bruks til å forlenge levetiden til komponenter, ved å bruke data innhentet fra sensorer.

A Digital Twin for calculating development of fatigue and creep damage due to uniaxial loads in polymer component was developed. The Digital Twin performed a quantitative analysis of the damage arising based on a history of loading, temperature and moisture level.

Creep was calculated based on linear viscoelastic theory. Fatigue cycles were extracted from a loading history using the Rainflow counting algorithm, and the damage from each cycle was calculated by shifting a reference S-N curve. Linear viscoelastic theory was used to adapt the reference S-N curve to other temperatures or moisture levels. Miner's damage rule was used to sum the damage of the individual fatigue cycles.

The Digital Twin's predictions were confirmed to be in line with its underlying theory by comparing it to a number of reference cases. Compared to available experimental data, the predictions of the Digital Twin were qualitatively and quantitatively correct except in the case of the polymer being saturated with moisture. In this case the fatigue strength was underestimated to a certain degree.

The Digital Twin's predictions were further investigated for a number of hypothetical cases including accidents, maintenance intervals, and gradually decreasing loads. It was also demonstrated how a Digital Twin approach can be used to extend component lifetime beyond its original design life, based on sensor data.